カーネギーメロン大学の研究者は、2光子重合(2PP)を利用して柔軟なMEMSを3Dプリントする

カーネギーメロン大学の研究者は、2光子重合(2PP)を利用して柔軟なMEMSを3Dプリントする
この投稿は Bingdunxiong によって 2024-8-31 20:10 に最後に編集されました

2024年8月31日、Antarctic Bearは、カーネギーメロン大学の研究者が2光子重合(2PP)3Dプリント技術とフレキシブルプリント回路基板(FPCB)を使用して、静電マイクロアクチュエータを備えた小型で軽量で柔軟なマイクロシステムを開発したことを知りました。


研究者らは、変形した場合でも高精度に制御できる可動式マイクロミラーアレイでのこれらのシステムの使用を実証した。課題は、金属スパッタリングを製造プロセスに統合して、マイクロ電気機械システム (MEMS) の導電性 3D 構造を活性化することです。 FPCB への印刷は、その柔軟性、表面の凹凸、材料の反射率の変動により、特に複雑な作業です。この革新により、適応光学やウェアラブルデバイスへの応用に新たな展望が開かれます。

△ 2×2 マイクロミラーアレイを内蔵したフレキシブルプリント基板 (FPCB) の概略図。 FPCB の柔軟性と統合機能を実証するために、曲面基板上で FPCB を曲げながらマイクロミラーをテストしました。
技術研究開発の背景

MEMS は、小型で高精度であり、電子システムに効果的に統合できるため、スマートフォン、タブレット、ゲーム機、仮想現実アプリケーションの加速度計、ジャイロスコープ、磁力計に広く使用されています。ウェアラブルデバイスのセンサーにも使用されています。 2PP ベースの 3D 印刷技術は、複数の組み立て手順を必要とせずに、さまざまな基板上に複雑なマイクロスケール設計を高精度で生成できるため、MEMS 製造の好ましい選択肢になりつつあります。

ガラススライドやシリコンウェーハなどの硬い基板への 3D プリントは比較的簡単ですが、FPCB へのプリントは、FPCB の表面が柔軟で凹凸があり、ポリアミドや銅などのさまざまな高さの材料で構成されているため、大きな課題があります。これにより、インターフェースを正確に見つけて境界層を印刷することが難しくなります。

△マイクロミラーを内蔵したフレキシブルプリント基板(FPCB)の製造。 A) FPCB は、SU-8 を一時的な接着剤として使用してガラス基板に取り付けられます。 B) 2PP を使用して 3D 構造を FPCB 上に直接 3D プリントします。 C) 印刷された構造物にスパッタリングされたアルミニウムコーティング。 D) 電子部品はFPCBに埋め込まれた銅トレースを介してアクチュエータに取り付けられ接続されます。
2PP技術によりFPCB上で高性能マイクロシステムとマイクロミラーアレイを実現

フレキシブル基板上にマイクロアクチュエータを統合するには、特に変形下でも機能性を維持することなど、多くの課題があります。カーネギーメロン大学の研究者たちは、Nanoscribe の 2PP 3D 印刷技術を使用してこれらの問題を解決しました。彼らのアプローチにより、市販の FPCB 上に静電マイクロアクチュエータを正確に製造することが可能になり、最終的には、大きな変形があっても作動能力を維持する堅牢で高性能なフレキシブルマイクロシステムが実現します。この機能は、アクチュエータがミラーの動きを正確に制御して反射光の方向を変更できる柔軟なマイクロミラー アレイで特に顕著です。製造工程で自動化された 3D プリント技術を活用することで、多数のマイクロミラーを迅速に製造し、広い面積に統合することができます。この研究プロジェクトでは、3×9 マイクロミラーアレイの実証に成功しました。

△各マイクロミラーは静電アクチュエータによって駆動されます。その結果、2 光子重合 (2PP) を使用して 3D プリントできる複雑なマイクロ電気機械システム (MEMS) が誕生しました。平面および正方形のマイクロミラーには可動櫛が印刷されており、アクチュエータに電圧​​が印加されると、反射光の方向が変わります。
フレキシブル回路基板上のマイクロアクチュエータを 3D プリントする際の課題を克服

フレキシブル プリント回路基板 (FPCB) の 3D プリントは、基板が平坦ではなく、ポリアミドや銅などのさまざまな材料が含まれているため、特に困難です。研究者らは、フレキシブル基板のプレファブリケーションされた非平面表面上にマイクロアクチュエータを 3D 印刷することを可能にする製造戦略を開発しました。特に、銅配線やその他の構造の高さの不一致が難しさを増していましたが、バッファ層をカスタマイズすることでこの課題は効果的に解決されました。

反射率の違いにより、印刷面の識別が困難になります。さらに、MEMS 構造の確実な取り付けを保証するために、FPCB 構造の接着特性にも対処する必要があります。電気統合の点では、3D プリントされたマイクロアクチュエータでは、手動で調整された 3D プリントと金属堆積のステップで高い精度が求められます。

全体として、研究者らは、FPCB が高精度かつ高制御の MEMS プラットフォームとして使用するのに適していることを実証することに成功しました。他のタイプのマイクロアクチュエータ(熱弾性体や液晶エラストマーなど)や、さまざまな電気的に接続された MEMS センサー(新しい静電容量センシング アーキテクチャなど)も統合できます。埋め込まれた金属層による FPCB の統合機能により、オンボード電子機器を備えたフレキシブル マイクロシステムは、電力と制御の自律性を備えたインテリジェントなフレキシブル マイクロシステムへの道を切り開くことができます。




フレキシブル、回路、マイクロエレクトロニクス、スマートウェアラブル

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