通過(guò)噴墨印刷將任何幾何形狀的技術(shù)結(jié)構(gòu)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。©Fraunhofer ILT，亞琛

小批量制造技術(shù)的范式轉(zhuǎn)移

數(shù)字化制造提高穩(wěn)定性

根據(jù)科技信息中心，壓電MEMS通過(guò)單片即可實(shí)現(xiàn)微執(zhí)行、能量收集、傳感和無(wú)線通信，是應(yīng)用潛力巨大的熱點(diǎn)技術(shù)。壓電MEMS微執(zhí)行器能夠精確、自主地執(zhí)行復(fù)雜動(dòng)作如直線、旋轉(zhuǎn)、加速度、鉗動(dòng)等，以此完成對(duì)極微小器件與結(jié)構(gòu)的納米尺度精確操作。

壓電MEMS微執(zhí)行器不但能夠滿足集成微系統(tǒng)（IMS)對(duì)自測(cè)試性、微定位性和片上操控性的嚴(yán)苛要求，同時(shí)能夠滿足集成微系統(tǒng)對(duì)輸出力矩/體積效能比、響應(yīng)速度、分辨率、功耗、集成度方面的需求。

根據(jù)3D科學(xué)谷的深度了解，位于德國(guó)伊策霍的Fraunhofer ISIT弗勞恩霍夫硅研究所攜手位于德國(guó)亞琛的Fraunhofer ILT弗勞恩霍夫激光研究所開(kāi)發(fā)出3D打印壓電MEMS微執(zhí)行器，這個(gè)壓電MEMS有六個(gè)角，大約只有1美分的大小。

這個(gè)項(xiàng)目是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（IWE2）和弗勞恩霍夫硅技術(shù)研究所ISIT的合作結(jié)果，是BMBF德國(guó)聯(lián)邦教育及研究部支持的“用于微致動(dòng)器的高效壓電MEMS的生產(chǎn)制造（GENERATOR）”的一部分。

六角形，纖巧，便宜。亞琛工業(yè)大學(xué)，F(xiàn)raunhofer ILT，F(xiàn)raunhofer ISIT合作開(kāi)發(fā)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)生產(chǎn)出微致動(dòng)器，而且價(jià)格低廉。©Fraunhofer ILT，亞琛

壓電MEMS是真正的技術(shù)全能產(chǎn)品，因?yàn)槌弘妼蛹瓤梢詧?zhí)行執(zhí)行器功能，也可以執(zhí)行傳感功能：施加電場(chǎng)時(shí)它們會(huì)膨脹，或者將機(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)中是神奇的存在，例如，作為泵、閥或揚(yáng)聲器中的傳感器或致動(dòng)器。

壓電MEMS薄膜通常由鋯鈦酸鉛（PZT）制成，目前是最強(qiáng)大的壓電功能陶瓷。厚度為幾μm的壓電層可以通過(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

根據(jù)3D科學(xué)谷的進(jìn)一步了解，到目前為止，壓電MEMS的生產(chǎn)使用傳統(tǒng)的基于真空和掩模的制造方法，但是這些方法非常耗時(shí)且成本高昂，特別是在小批量生產(chǎn)中。

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，弗勞恩霍夫激光研究所Fraunhoer ILT、亞琛工業(yè)大學(xué)，以及弗勞恩霍夫Fraunhofer ISIT硅研究所共同開(kāi)發(fā)了數(shù)字噴墨打印和激光結(jié)晶的工藝組合，成為傳統(tǒng)制造工藝有利的替代方案。

在將PZT鋯鈦酸鉛特殊油墨應(yīng)用于8英寸硅晶片之后，通過(guò)局部溫度超過(guò)700°C的激光輻射進(jìn)行結(jié)晶，通過(guò)控制溫度的激光束確保質(zhì)量。溫度控制過(guò)程，可將溫度波動(dòng)限制在±5°C以內(nèi)。

多材料堆疊趨勢(shì)

由幾層20至30 nm的薄PZT鋯鈦酸層構(gòu)成總厚度為2至3 µm的多層致動(dòng)器。根據(jù)3D科學(xué)谷的進(jìn)一步了解，科學(xué)家們最初只應(yīng)用了一個(gè)單層，然后嘗試逐層創(chuàng)建多材料堆棧，最終實(shí)現(xiàn)了總共多達(dá)30層功能陶瓷和電極彼此疊置的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

由于采用了這種設(shè)計(jì)，3D科學(xué)谷了解到增材制造的執(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。層的快速激光處理將每層的處理時(shí)間減少了幾秒鐘，而原本需要幾分鐘的處理時(shí)間僅為幾秒鐘。

此外，為了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)省去金屬部件，可以顯著提高這些純陶瓷多材料疊層的耐用性，同時(shí)降低材料成本。

如果現(xiàn)在將交流電壓施加到此多材料堆棧上，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，因此可以以這種方式出色地傳輸聲音信號(hào)，尤其是在高頻范圍內(nèi)。

根據(jù)3D科學(xué)谷的深入了解這種制造方法的優(yōu)點(diǎn)在于可數(shù)字控制的印刷和激光工藝，這些工藝允許對(duì)制造的層進(jìn)行即時(shí)設(shè)計(jì)更改，而無(wú)需支付掩?；蚬ぞ叩念~外費(fèi)用，從而也可以生產(chǎn)小批量的產(chǎn)品。

這種制造方法為中小企業(yè)開(kāi)辟了進(jìn)軍高端薄膜電子產(chǎn)品的發(fā)展機(jī)會(huì)，3D科學(xué)谷了解到用于制造薄膜電子產(chǎn)品的常規(guī)系統(tǒng)要花費(fèi)數(shù)百萬(wàn)歐元，因此僅對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)而言才值得。對(duì)于較小的批量，增材制造過(guò)程變得很有趣，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，弗勞恩霍夫研究所開(kāi)發(fā)出3D打印壓電MEMS微執(zhí)行器特別適合中小型企業(yè)，因?yàn)榕c常規(guī)技術(shù)相比，對(duì)系統(tǒng)技術(shù)的投資明顯便宜。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。在即使很小的工作場(chǎng)所也可以在將來(lái)為微型執(zhí)行器建立小規(guī)模的生產(chǎn)。

到目前為止，該方法采用的是涂覆硅基底，設(shè)置好多堆疊系統(tǒng)后，這些基板仍必須進(jìn)行相對(duì)復(fù)雜的后處理才能生產(chǎn)出可以使用的組件。但是，基于激光的制造工藝的特性意味著也可以考慮使用其他襯底（例如超薄玻璃），這將進(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)之外，3D科學(xué)谷了解到科學(xué)家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。這里出現(xiàn)了引起人們極大興趣的新可能性?；蛟S很快會(huì)轉(zhuǎn)移到其他材料上，從而轉(zhuǎn)移到其他應(yīng)用領(lǐng)域。

制造與創(chuàng)新相互耦合

《德國(guó)的七個(gè)秘密》一書(shū)指出Fraunhofer使得制造與創(chuàng)新相互耦合，而美國(guó)沒(méi)有可以匹敵弗勞恩霍夫的機(jī)構(gòu)。弗勞恩霍夫研究所側(cè)重應(yīng)用研究，目標(biāo)是提供有商業(yè)價(jià)值的解決方案，在基礎(chǔ)研究與商業(yè)化之間架設(shè)了一座橋梁。