喷墨打印技术在材料直接沉积方面的应用

至今为止，在MEMS制造上喷墨打印最常见的应用方法是材料直接沉积——无论是作为一个整体层还是精确的模式。从Fuller等人^[19]的一项工作中可以发现喷墨材料沉积在MEMS制造中应用的最显著的例子。作者利用银和金的纳米粒子墨水打印线性和旋转静电驱动电动机（见图20.1a）。在重叠布线之间打印聚酮树脂使它们绝缘（见图20.1b）。它们也同时被打印于平面和垂直电热执行器（见图a、b）。该设备被打印并烧结多达400层连续层，得到了100μm的特征尺寸。尽管已完成的结构呈现出一定程度的粗糙度，可能不适合用于一般的MEMS（见图20.2a、b），应当注意的是每一项MEMS结构的工作都是借助于CAD在1h内产生^[19]。因此，本喷墨打印技术的一个明显的优点是，和非传统的MEMS器件相比于开发一种有代表性的计算机模型可以在较短的时间获得原型。Yokota等人^[20]也展示了一个主要由喷墨打印制成的MEMS设备：聚合物MEMS逆变器开关。顶端、底端和悬臂处的开关层由喷墨打印聚合薄膜构成，而所有电极和连接都由银纳米颗粒墨水打印（见图20.3a～c）。在该装置的制造中除了仅有喷墨打印、层压和机械冲孔技术外没有任何标准的半导体制造工艺^[20]。

图20.1 a）喷墨打印制造旋转静电驱动电动机；b）树脂层绝缘重叠布线[19]

陶瓷材料也被应用于MEMS中，例如机械作动器、电绝缘体或热绝缘体以及结构元素^[21-23]。尽管陶瓷层沉积技术有很多，但利用溶胶凝胶系统是可以被应用于大面积的最便宜的方法，还可以被喷墨打印或者丝网印制，并且通常会产生均匀的薄膜^[21，24]。最近Wang等人^[24]展示了一种热传感器，它由ZnO溶胶凝胶绝缘层和银纳米颗粒反电极喷墨打印于铝基板上。

Bathurst等人^[25]利用了一套改进的溶胶凝胶系统制造并展示了喷墨成型的压电陶瓷（PZT）薄膜。这是一项重大的发展，因为PZT薄膜由于考虑到污染问题用传统MEMS制造工艺很难微观制造成型。作者也提出了通过纳米平面的形貌图控制沉积技术，以及利用区别PZT厚度的技术来制造设备，这是一个凌驾于丝网印制和旋涂之上的优势^[25，26]。

除了直接制造整个MEMS设备之外，应用喷墨打印还可以达到减少耗材的效果。例如，Ko^[27]等人用喷墨打印来沉积纳米粒子级聚噻吩复合膜的轨道，然后用选择性激光烧结和消融来更进一步形成轨道。这是对于所有像发光纳米复合材料这种新颖而又昂贵的新材料而言最重要的地方。

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图20.2 a）喷墨打印制造垂直热电执行器；b）基于聚甲基丙烯酸甲酯牺牲层打印制造的平面热电执行器[19]

最后，由于喷墨打印允许新型材料沉积在溶液或者没有明显掺杂的悬浮液中，从而被应用于MEMS，这和形成自旋抵抗恰好相反。Pech等人^[29]展示了喷墨打印的电化学电容器作为一种潜在的微功率源的可能。该电极材料由分布在聚四氟乙烯（PTFE）粘合剂的活性炭粉组成，并被打印于悬浮液。喷墨打印使设备能够通过最少的步骤制造出来。

在之前研究的诸多情况中，喷墨打印的可行性被认为是一个替代现有材料沉积过程的商机。然而，喷墨打印仍是MEMS制造中受控液相沉积法唯一的方法。Feinerman等人^[30]展示了一种在较低的蒸汽压下，绕轴旋转于绝缘液体之上的微镜。然而设备的主体是由传统MEMS制造技术生产，喷墨打印仅仅适用于可控且重复性地沉积微型液体支点所需的材料^[31]。

图20.3 a）每一个顶端膜层、悬臂膜层以及底端膜层都由喷墨打印聚酰亚胺制成（PI）； b）每此三层中的电极由喷墨打印和烧结银纳米颗粒墨水制成 c）此三层的微观图像所体现的喷墨打印的通孔、电极和电线[20]。