功能微机械应用展示

重新定义超越平面工艺极限的功能微系统

微机械与微机电系统(MEMS)是微型化器件的核心,能够在微尺度上实现传感、驱动、切换、抓取及与环境交互等功能。其在医疗技术、微型机器人和工业传感等领域的应用价值持续增长——而传统平面制造工艺在这些领域中已触及设计灵活性与功能集成度的极限。

双光子聚合技术(2PP)通过制造具有悬空结构与复杂内部元件的自由形态3D组件(包括柔性机构与刺激响应特性),成功突破了上述制约。该技术为功能性MEMS传感器、用于可控操作的微夹持器以及用于流体处理的人工纤毛等前沿应用打开了新的大门。

微机械与MEMS的设计自由度与亚微米精度

基于2PP的几何自由度,Nanoscribe的Quantum X系列打印系统能够实现功能性微机械与MEMS器件的精密制造。复杂的可动与可驱动结构可作为整体组件在单次打印过程中完成制造,从而减少对准工作量、消除组装步骤,并加速微机械与MEMS概念的开发进程。双光子灰度光刻技术(2GL®通过体素调谐进一步增强2PP,在缩短制造时间的同时提升形状精度。结合自动对准功能,该技术允许在多种预制基底上直接打印微机械组件。

高分辨率3D打印赋能功能性微机械

Quantum X将高分辨率3D打印、精密对准与精简的制造工作流融为一体,为先进微机械与MEMS的开发提供了高效平台

  • 高通量,不妥协品质: 2GL®技术能够以最快速度制造功能性3D微结构(如弹簧、铰链与柔性机构),具备亚微米精度、优异的形状精度及光滑表面。

  • 加速原型验证: 快速的“CAD到成品”工作流,支持微机械设计的快速测试与优化。

  • 从原型到量产: 可重复的工艺与短周期时间,支持从研发到制造的高效规模化。

  • 无缝集成至现有MEMS平台: 亚微米级自动3D对准,支持直接在晶圆、芯片、悬臂梁、微流道及预制MEMS组件上进行打印。

  • 空间可控的性能调控: 软件控制的工艺参数在单打印场内可逐区域变化,支持在单个元件层面上对力学性能进行局部调节。

  • 功能性MEMS的材料与工艺灵活性: 经过验证的光刻树脂涵盖杨氏模量从MPa到GPa范围,可同时支持弹性与刚性结构;并兼容ALD、CVD、电镀等后处理工艺,实现定制化的力学与电学性能。

  • 多材料3D打印: 可组合多种材料,制造具有异质性功能(如光学、力学、电学或响应行为)的混合3D微结构系统。

您的问题已解答:微机械与MEMS的3D打印

为什么双光子聚合技术适用于微机械与MEMS?

双光子聚合技术(2PP)非常适用于微机械与MEMS领域,因为它将3D设计自由度与亚微米精度相结合,能够制造出仅靠平面工艺难以甚至无法实现的微系统。

2PP的核心优势在于,它能够在微尺度上直接制造整体式自由形态结构,例如柔性机构、弹性支撑梁以及高深宽比致动器。此外,2PP兼容定制材料与后处理工艺(如金属化或染料功能化),使其成为无源与有源微机械及MEMS组件的强大制造平台。Nanoscribe的双光子灰度光刻技术(2GL®)通过引入具有4,000级灰度的可控灰度曝光策略,进一步优化了微机械与MEMS的制造工艺,可实现更平滑的几何形状、连续的高度轮廓以及局部优化的力学性能。

功能性MEMS传感器能否通过3D微加工制造?

可以。 功能性MEMS传感器可通过双光子聚合技术(2PP)实现的3D微加工来制造,尤其在器件几何结构、小批量定制或快速设计迭代较为关键的应用场景中尤为适用。
例如,一项已发表的科研论文报道了一种功能性3D打印MEMS加速度计,该器件通过2PP制造,并结合金属蒸发工艺形成应变片式换能器。研究结果表明,灵敏度、谐振行为以及时间稳定性等关键传感器功能均可在3D打印微系统中实现。

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Micro 3D printing of a functional MEMS accelerometer

双光子聚合如何实现4D微致动器?

双光子聚合技术( 2PP)能够制造微观尺度的三维结构,这些结构被设计为在外部刺激(如光或电场)作用下随时间改变形状或功能,从而实现4D微致动器。例如,一项研究展示了光可寻址的液晶微致动器,通过打印后掺入染料,其响应可针对不同可见光波长进行编程,实现波长选择性驱动。这个例子表明,2PP并非局限于静态微结构:它具备实现响应性4D微致动器所需的几何精度、材料兼容性和设计自由度,可应用于微机器人、流体控制和自适应微系统等领域。

相关文献(免费注册后阅读):

A facile approach for 4D microprinting of multi-photoresponsive actuators

3D-printed low-voltage-driven ciliary hydrogel microactuators

双光子聚合技术如何在结构内实现材料特性的局部调控?

双光子聚合技术(2PP)能够在3D微结构中实现空间可控的特性调控——通过调整加工过程中的曝光剂量,在单个构成元件层面上精确调节材料性能。这使得在同一种材料体系中即可制造出异质微结构,其中的相邻梁、铰链或致动器单元会对相同的激励产生不同响应。

面向所有Quantum X系统配备的nanoPrintX软件支持场景式打印,用户可在单个打印场内变化打印参数,从而在原位调节力学性能。

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Controlling the shape of 3D microstructures by temperature and light

双光子聚合技术是否适用于MEMS的原型验证与小批量生产?

是的。 双光子聚合技术( 2PP)非常适用于MEMS的快速原型验证与小批量生产,尤其适合设计复杂、面向特定应用,或采用传统平面制造难以经济实现的场景。它支持从概念到功能器件的快速迭代,使得传感器、静电微执行器、柔性机构以及双稳态组件等微系统的测试与优化更为便捷。同时,2PP能够以中小批量规模生产专用MEMS器件,无需承担传统MEMS制造中通常较高的工艺准备成本。Nanoscribe的双光子灰度光刻技术(2GL®)通过体素调谐进一步优化了工艺流程,能够在保证优异形状精度的同时,实现高分辨率微结构的更快打印。这对于尺寸保真度和产量至关重要的机械功能型MEMS组件尤为有益。

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3D-printed low-voltage-driven ciliary hydrogel microactuators

Publication on Laptop

Zemin Liu, Che Wang, Ziyu Ren, Chunxiang Wang, Wenkang Wang, Jongkuk Ko, Shanyuan Song, Chong Hong, Xi Chen, Hongguang Wang, Wenqi Hu, Metin Sitti

Max Planck Institute for Intelligent Systems, ETH Zürich, Koç University, Beihang University, Gachon University, The Hong Kong University of Science and Technology

Nature 649, 885–893 (2026)

      

Micro 3D printing of a functional MEMS accelerometer

S. Pagliano, D. E. Marschner, D. Maillard, N. Ehrmann, G. Stemme, S. Braun, L. Guillermo Villanueva, F. Niklaus

KTH Royal Institute of Technology, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)
Microsystems & Nanoengineering 8, 105 (2022).

Bistable, Pneumatically Actuated Microgripper Fabricated Using...

Maura Power, Antoine Barbot, Florent Seichepine, Guang-Zhong Yang


Imperial College London, AS2M Femto-St


Advanced Intelligent Systems, 5: 2200121 (2023)

A Facile Approach for 4D Microprinting of Multi‐Photoresponsive Actuators

L. Hsu, P. Mainik, A. Münchinger, S. Lindenthal, T. Spratte, A. Welle, J. Zaumseil, C. Selhuber‐Unkel, M. Wegener, E. Blasco
Heidelberg University, Karlsruhe Institute of Technology (KIT)

Advanced Materials Technologies, 8, 2200801 (2023)

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