德国科学家利用增材制造工艺印刷制造压电MEMS扬声器

在增材制造工艺中，结合喷墨印刷和激光加工技术可以经济高效地印刷制造微型压电MEMS扬声器。

据麦姆斯咨询报道，弗劳恩霍夫激光技术研究所(ILT)、亚琛工业大学(RWTH Aachen University)电气工程材料研究所(IWE2)和弗劳恩霍夫硅技术研究所(ISIT)的科学家们研究证实，可以在增材制造工艺中，结合喷墨打印和激光加工技术，经济高效地印刷制造压电MEMS扬声器。作为最近完成的由德国联邦教育与研究部(BMBF)资助的联合项目——“高效压电MEMS执行器制造(GENERATOR)”的一部分，他们成功制造了一款演示组件。

 

通过喷墨印刷将技术结构及几何形状印刷到晶圆上，再利用激光结晶实现功能化，然后将各个MEMS扬声器元件分离并集成到电子系统中。

压电MEMS是一种真正的全能型技术，超薄压电层可以实现微型执行器或传感器的完整功能，它可以在施加电场时形变，或将机械运动转化为电压。因此，它们可以应用于通信或医疗等广泛领域，例如，作为泵、阀门或扬声器中的传感器或执行器，并实现微型化。

这种压电薄膜层通常采用锆钛酸铅(PZT)制成，PZT是目前功能最强大的压电陶瓷材料之一。优选采用厚度为数微米的压电层，可以通过蚀刻或直接印刷非常精确地构造。

激光辅助印刷替代传统高真空镀膜

目前，通常采用传统的真空和掩模制造方法制造压电MEMS，但是这些方法非常耗时且成本高昂，尤其是对于小批量制造来说。作为“GENERATOR”项目的一部分，弗劳恩霍夫激光技术研究所(ILT)、亚琛工业大学电气工程材料研究所(IWE2)和弗劳恩霍夫硅技术研究所(ISIT)开发了一种结合数字喷墨印刷和激光结晶技术的可替代方案：首先将PZT特殊油墨印刷到8英寸硅晶圆上，然后通过激光辐射在700℃以上的局部温度下进行结晶。过程中，通过温度波动控制(±5℃)确保质量。

研究团队制造的低成本六边形微型压电MEMS扬声器，证明采用喷墨印刷和激光结晶技术可以在几秒钟内高效生产压电MEMS执行器

多层材料堆栈趋势

用多层20~30 nm的PZT薄层构建总厚度为2~3 μm的压电执行器。

Fraunhofer ILT科学家Samuel Fink解释说：“最初我们只应用了一层，现在我们可以逐层构建多层材料堆栈。”

例如，可以相互叠加多层功能陶瓷和电极，形成一个总共30层的微型压电MEMS扬声器。通过这种设计，据称可以提供相比传统执行器更好的性能和更高的再现品质。

科学家们采用导电陶瓷镍酸镧(LNO)作为电极材料，而不是通常非常昂贵的铂。PZT层和电极层像两把非常细的梳子一样互嵌结合。快速的激光处理大幅减少了每层的处理时间，从几分钟减少到几秒钟。

通过省去贵金属组件，可以显著提高这种纯陶瓷多材料堆栈的耐久性，同时降低材料成本。

对这种多层材料堆栈施加交流电压，PZT层会在几分之一秒内形变，从而激发整个叠层振动。由于整个系统只有几微米厚，因此质量非常小，可以很好地传输声音信号，特别是高频声音。

Fraunhofer ILT薄膜处理研究组负责人Christian Vedder博士说：“这种制造方法的优势在于数字控制的喷墨印刷和激光工艺，可以在不增加掩模或设备成本的情况下，对制造层进行即时设计修改，因此，也可以用于小批量生产。”

中小企业的机遇

制造薄膜电子器件的传统系统成本高达数百万欧元，因而仅对于大规模生产来说才有经济意义。因此，对于小批量生产，尤其是微型扬声器等包含多层结构的器件，增材混合制造工艺正变得更有吸引力。因此，这种工艺特别适合中小型企业，因为它们对系统技术的投入显然大大低于传统技术。

可以更容易，用玻璃替代硅

到目前为止，该工艺一直用于硅基板的喷墨印刷，需要经过相对复杂的后处理构建多层堆栈系统，以制造可以使用的压电MEMS组件。然而，这种基于激光的制造工艺特性，使其也可以应用于其他基板，例如超薄玻璃，这一优势可以进一步简化生产，开辟更广泛的潜在应用领域。

“在这个项目中，除了工艺开发外，对于毫秒范围内的陶瓷激光结晶的基本机制，我们也有望获得非常令人兴奋的研究成果。”Fink在展望未来时说，“新的可能性正在这里出现，我个人对此非常感兴趣，有望很快将其转移到其他的材料和应用领域。”