結(jié)合噴墨打印和激光技術(shù)印刷集成微型揚(yáng)聲器的壓電MEMS組件
在增材制造過(guò)程中，可以結(jié)合噴墨打印和激光技術(shù)，將微型揚(yáng)聲器作為壓電微機(jī)電系統(tǒng)（即所謂的壓電MEMS）的一部分，進(jìn)行高效，低成本的生產(chǎn)。
弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所ILT，亞琛工業(yè)大學(xué)電氣工程材料研究所2（IWE2）和弗勞恩霍夫硅技術(shù)研究所ISIT的科學(xué)家對(duì)此進(jìn)行了證明。合作伙伴制造了一個(gè)相應(yīng)的演示組件，作為最近完成的BMBF聯(lián)合項(xiàng)目"用于微致動(dòng)器的高效壓電MEMS的制造"的一部分。
可以通過(guò)噴墨印刷將技術(shù)結(jié)構(gòu)和任何幾何形狀應(yīng)用于晶片，并且通過(guò)激光輻射進(jìn)行功能化。然后將各個(gè)揚(yáng)聲器元件分離并集成到電子環(huán)境中。
壓電MEMS是真正的技術(shù)全面產(chǎn)品，因?yàn)槌弘妼泳哂袌?zhí)行器或傳感器的功能：要么在施加電場(chǎng)時(shí)膨脹，要么將機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成電壓。因此，它們?cè)谕ㄐ呕蜥t(yī)療技術(shù)中的需求很大，例如作為泵，閥門或揚(yáng)聲器中的傳感器或執(zhí)行器-分別以微型格式。
薄膜通常由鋯鈦酸鉛（PZT）制成，目前是功能最強(qiáng)，功能最強(qiáng)的壓電陶瓷。優(yōu)選地，使用厚度為幾微米的壓電層，其例如可以通過(guò)蝕刻或直接印刷而非常精確地構(gòu)造。
激光輔助印刷工藝可替代傳統(tǒng)的高真空涂層
迄今為止，傳統(tǒng)的基于真空和掩模的制造方法已用于生產(chǎn)壓電MEMS，但這些方法非常耗時(shí)且成本高昂，尤其是用于小批量制造。作為德國(guó)聯(lián)邦教育與研究部（BMBF）資助的GENERATOR項(xiàng)目的一部分，弗勞恩霍夫ILT與亞琛工業(yè)大學(xué)的弗勞恩霍夫ISIT和IWE2共同開(kāi)發(fā)了數(shù)字噴墨打印和激光結(jié)晶的工藝組合。有利的選擇：在將PZT特殊油墨涂到8英寸硅晶片上之后，在超過(guò)700°C的局部溫度下通過(guò)激光輻射進(jìn)行結(jié)晶。通過(guò)將溫度波動(dòng)限制在±5°C以內(nèi)的溫度控制過(guò)程，可以確保質(zhì)量。
六角形，纖巧，便宜：亞琛工業(yè)大學(xué)的Fraunhofer ILT，F(xiàn)raunhofer ISIT和IWE2的微型揚(yáng)聲器證明，使用噴墨打印機(jī)和激光可以在幾秒鐘內(nèi)以低成本生產(chǎn)微致動(dòng)器。
多種材料堆疊的趨勢(shì)
用幾個(gè)20至30 nm的薄PZT層構(gòu)建總層厚度為2至3 μm的多層致動(dòng)器。
Fraunhofer ILT科學(xué)家塞繆爾·芬克（Samuel Fink）解釋說(shuō)："最初，我們只應(yīng)用了一層，但是現(xiàn)在可以逐層創(chuàng)建多材料堆棧。"
或者，可以在彼此的頂部總共構(gòu)建多達(dá)30層的功能陶瓷和電極，以形成微型揚(yáng)聲器。由于采用了這種設(shè)計(jì)，據(jù)說(shuō)執(zhí)行器比常規(guī)執(zhí)行器具有更好的性能和更高的再現(xiàn)質(zhì)量。
PZT層和電極層像兩個(gè)非常細(xì)的梳子一樣互鎖。層的快速激光處理減少了每層的處理時(shí)間，否則將需要幾分鐘，而僅需幾秒鐘。代替普通且非常昂貴的鉑，科學(xué)家使用導(dǎo)電陶瓷鑭鎳氧化物（LNO）作為電極材料。
通過(guò)省去金屬組件，它們可以顯著提高這些純陶瓷多材料堆棧的耐用性，同時(shí)降低材料成本。
如果向此多材料堆棧施加交流電壓，則PZT層會(huì)在幾分之一秒內(nèi)變形，從而激發(fā)整個(gè)堆棧振動(dòng)。由于整個(gè)系統(tǒng)只有幾微米厚，因此質(zhì)量非常低，因此，聲信號(hào)可以得到很好的傳輸，尤其是在高頻范圍內(nèi)。
"這種制造方法的優(yōu)點(diǎn)在于可數(shù)字控制的印刷和激光工藝，這些工藝允許即時(shí)更改制造層的設(shè)計(jì)，而無(wú)需支付掩?；蚬ぞ叩念~外費(fèi)用，因此也可以生產(chǎn)較小批量的產(chǎn)品，" Christian Vedder博士說(shuō)Fraunhofer ILT薄膜處理小組的成員。
中小企業(yè)的機(jī)會(huì)
用于制造薄膜電子設(shè)備的常規(guī)系統(tǒng)要花費(fèi)數(shù)百萬(wàn)歐元，并且對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)而言僅在財(cái)務(wù)上有意義。對(duì)于較小的批量，加性混合工藝變得很有吸引力，尤其是當(dāng)組件由諸如微型揚(yáng)聲器的幾層組成時(shí)。因此，該過(guò)程特別適合于中小企業(yè)（SME），因?yàn)槭聦?shí)證明，他們對(duì)系統(tǒng)技術(shù)的投資明顯少于傳統(tǒng)技術(shù)。
芬克："用戶需要適當(dāng)?shù)挠∷⒑图す庀到y(tǒng)技術(shù)，以及經(jīng)過(guò)特殊改裝的PZT和LNO墨水。因此，即使是很小的工作商店也可以在將來(lái)為微型執(zhí)行器建立小規(guī)模的生產(chǎn)。"
可以輕松完成：用玻璃代替硅
到目前為止，該工藝一直用于涂覆硅基板。在構(gòu)建多堆疊系統(tǒng)之后，這些基板必須經(jīng)歷相對(duì)復(fù)雜的后處理，以生產(chǎn)準(zhǔn)備使用的組件。然而，基于激光的制造工藝的特性意味著也可以考慮使用其他基板，例如超薄玻璃，這一優(yōu)勢(shì)將進(jìn)一步簡(jiǎn)化生產(chǎn)并開(kāi)拓廣泛的可能應(yīng)用。
"在該項(xiàng)目的過(guò)程中，除了工藝開(kāi)發(fā)以外，我們還能夠在毫秒范圍內(nèi)對(duì)陶瓷的激光結(jié)晶基本機(jī)理產(chǎn)生令人興奮的結(jié)果。芬克說(shuō)，展望未來(lái)，新的可能性正在出現(xiàn)，這是我個(gè)人非常感興趣的新事物，并有望很快轉(zhuǎn)移到其他材料以及應(yīng)用領(lǐng)域。
