3Dプリンティングは、少量生産の機能的なMEMS加速度計デバイスに低コストのソリューションを提供します。

この投稿は Bingdunxiong によって 2022-10-15 14:19 に最後に編集されました

2022年10月15日、Antarctic Bearは、KTH王立工科大学の研究者が機能的な微小電気機械システム（MEMS）の特殊な製造のための3Dプリント技術を開発したことを知りました。この方法は、ロボット工学やナビゲーションなどの専門分野でセンサーとして使用できるカスタム MEMS をコスト効率よく製造する方法を提供します。

△コインの横には3DプリントされたMEMSユニットが見えます。フォトニクスベースの 3D 印刷方法により、ロボット、ナビゲーション、その他のアプリケーションシナリオにセンサーを統合するコスト効率の高い製造方法が可能になります。開発チームが最初に作成したセンサーの種類は加速度計でした。 2光子重合プロセスと金属蒸着を組み合わせて歪みゲージセンサーを形成し、センサーを製造します。
技術的背景<br /> MEMS は大規模な半導体製造技術を使用して効率的に大量生産できますが、製造プロセスの開発と装置設計の最適化の初期コストが高いため、MEMS コンポーネントを小中規模バッチで製造することは困難です。この研究を率いたフランク・ニクラウス教授は、その結果、技術者は最適とは言えない既製の機器か、立ち上げを困難にするコストのどちらかを選択しなければならないことが多いと述べた。

この伝統的な製造プロセスの最大の問題は、「小ロットのため、製造プロセスの開発と設備設計の最適化のコストが削減されない」ことだと彼は述べた。

△3Dプリントされた加速度計構造のSEM画像。 b 金属蒸着前のカンチレバー断面の 3D 概略図。 c 金属蒸着後のカンチレバー断面の 3D 概略図。抵抗器を電気的に絶縁するシャドウシールドメカニズムを示しています。 SEM 画像に示された構造は、SEM 画像の品質を向上させるために、スパッタされた金パラジウムの薄い層でコーティングされました。
3Dプリント加速度計<br /> 研究チームは、2光子重合法（TPP、サブマイクロメートルのサイズの3D微細構造の製造に使用）と金属蒸着プロセスを組み合わせて歪みゲージセンサーを形成し、3Dプリントされた機能的なMEMS加速度計を実証しました。これは加速度計の応答性、共振周波数、および時間の経過に伴う安定性を特徴付けるものであり、テストの結果、この技術の実現可能性が確認されました。結果は、3D 印刷方法によって、さまざまなカスタム設計された MEMS デバイスを効果的に製造できることを示しています。

2 光子重合プロセスにより、数百ナノメートルという目に見えないほど小さな高解像度の物体が生成されます。変換要素を形成するために、研究者らはステンシルに似たマスキング技術を使用しました。研究者たちは、3Dプリントされた構造物上に、傘のように機能するT字型の断面を持つ特徴を製作した。 3D プリントされた構造物の上の一点から金属を堆積させたところ、この「傘」で保護された T 字型の特徴の側面は金属でコーティングされませんでした。したがって、T の上部の金属は構造の残りの部分から電気的に分離されます。

△電気的特性：加速度計1（a）、加速度計2（b）、加速度計3（c）の圧電スイッチの異なる周波数と駆動電圧で測定された相対抵抗変化（ΔR/R）。共振周波数の明らかなシフトは、大きな振動振幅でのポリマーの温度上昇に起因します。 d MEMS 加速度計に加えられた加速度の関数としてのひずみゲージセンサーの相対抵抗変化 (オフ共鳴について計算) このアプローチを使用して、研究者は市販の 3D 印刷装置を使用してわずか数時間で約 12 個のカスタム設計 MEMS 加速度計を製造しました。この 3D 印刷方法は、MEMS デバイスの試作や、年間数千から数万個の MEMS センサーをより経済的な方法で製造するために使用できます。

ニクラウス氏は次のように語っています。「これはこれまでで最も驚くべきことです。従来の半導体技術を使用して MEMS 製品を製造する場合の初期費用は通常数十万ドル程度で、リードタイムは数か月以上かかります。しかし、3D プリンティングは新しい機能とより迅速な納期を提供するだけでなく、将来的には MEMS およびセンサー製造のルールを変える可能性があります。」

この方法は、航空機の加速度計や産業機械の振動センサーなど、カスタム製造を必要とする特殊なデバイスの製造に使用できる可能性があります。圧力センサー、ジャイロスコープ、流量センサーなど、さまざまな MEMS センサーにも適用できます。この技術の恩恵を受けられる可能性のある他の少量生産製品としては、ロボット、産業用ツール、風力タービンの動作および振動制御ユニットなどがある。

△研究チームの研究成果は「マイクロ3Dプリンティング機能MEMS加速度計」と題してNature Microsystems & Nanoengineeringに掲載されました（ポータル）
3Dプリントの利点<br /> さらに、3D プリンティングにより、従来のシリコンマイクロマシニングでは実現できなかった、新しい MEMS センサーの複雑なデバイス形状を実現できます。シールド要素と指向性材料堆積を組み合わせることで 3D プリントされた MEMS 構造の表面を選択的に機能化する研究者のアプローチは一般的なものであり、さまざまなセンサーの革新的な設計と統合に役立つ可能性があります。

小ロットの 3D プリント MEMS 加速度計の設計と驚異的なリードタイムにより、研究者は数時間以内にデバイスの性能を評価し、その機能を最適化することができました。研究者らによると、産業的観点から見ると、従来の微細加工技術と比較して、小規模から中規模のバッチのカスタム MEMS デバイスの製造の初期コストを大幅に削減できる可能性があるという。

「3D プリント技術の拡張性は、MEMS 製造にとっての利点であるだけでなく、この方法でさまざまな新しいカスタマイズされたデバイスを作成することもできます」と Niklaus 氏は述べています。

3Dプリンティングは、少量生産の機能的なMEMS加速度計デバイスに低コストのソリューションを提供します。

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