Nanoscribe微纳光刻技术实现一步加工成型的3D谐振式压力传感器研发

NATURE COMMUNICATION | 探测117飞克！一步加工成型的3D谐振式压力传感器！

传感器 - 处理器 – 执行器是MEMS的工作方式 ，作为第一个环节，传感器的目的是探测到周围环境中力、光、电等变化，将其转化为电信号传达至处理器，再由处理器对电信号进行计算与处理，将对应的指令下达至执行器进行动作或操作。

通常来说，传感器对整个MEMS的灵敏度、稳定性、量程起到决定性的作用。例如传统用于灯光感应和雨刷感应等的车载传感器模组，在研发过程中发现，由于道路减速带、空调启动会产生电压波动，对传感器的正常工作产生了不小的影响。因此改善传感器的精度、稳定性与量程成为了传感器结构设计的重要任务。然而通过传统的二维结构已无法实现这一要求，更高的性能需要更复杂的三维结构与更多的材料自由度来实现。

为了解决这个难题，来自都灵理工大学、希伯来大学的科学家们通过运用德国Nanoscribe公司的双光子3D打印系统一步成型加工了谐振式压力传感器，其精度可以与常用的NEMS硅基传感器相媲美，最小步进精度可达0.45阿克（1克=1×10的18次方阿克），并且发表在了权威学科期刊Nature Communication上发表“Reaching silicon-based NEMS performances with 3D printednanomechanical resonators”。

下图中左图为谐振梁作为传感器的关键部件，对传感器稳定性与探测精度至关重要。文中研究人员开发了一种适用于Nanoscribe三维光刻系统的光刻材料，其中含有以结晶盐的形式存在的稀土金属元素，在使用Nanoscribe系统一步成型加工三种形状不同的谐振梁之后，将其放在1500摄氏度的环境中热处理去除掉有机物，通过多次测试，得到了所需要的刚度与回弹性。

上右图示：研究人员根据谐振频率变化探测到117飞克微粒，1克=1×10的15次方飞克

为了进一步寻找可以产生稳定谐振频率的材料与结构搭配，加工三组不同谐振梁进行实验。在分别对桥梁式谐振梁、独臂式谐振梁、膜式谐振梁进行测试后，发现独臂式谐振梁的品质因子佳，稳定性高，进一步印证了三维结构所带来的性能优化。

论文中，研究人员在读完47篇高影响因子的有关于谐振式压力传感器文献后，对五种加工方法进行对比，统计出加工方法对于传感器稳定性与探测精度的影响。在结果中发现，除了运用Nanoscribe加工技术的制作方法外，其他谐振梁的加工成型方法都不是一步到位的，都需要经过近10个复杂的步骤才能完成制作，耗时耗力，大大增加了制作迭代周期。

Stefano Stassi称：“相较于其他加工技术，甚至是精度更高的技术，没有任何一种可以像Nanoscribe的双光子三维光刻技术一样，加工复杂的三维结构不需要多步，一步就可以完成。”

增材制造革命性的重新定义了物件的生产制造方式。在微纳米尺度上，Nanoscribe基于双光子聚合技术的增材制造手段加工精度极高，几乎可以满足任何形状物件的3D加工。无论结构的简单还是复杂，该自动化三维无掩模光刻工艺均可做到所需器件的一步加工成型，甚至对于复杂的生物器官组织的加工也是如此，真正做到了所见即所得。使用双光子三维光刻技术去刷新传统硅基半导体研究的潜力还有很大，本文的研究人员表示还会继续以双光子技术作为主要加工手段来研究压力传感器，继续去刷新传感器的精度。

欢迎阅读原文献：
Stassi, S., Cooperstein, I., Tortello, M. et al. Reaching silicon-based NEMSperformances with 3D printed nanomechanical resonators. Nat Commun 12, 6080(2021).

https://doi.org/10.1038/s41467-021-26353-1

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