在增材制造工藝中，結合噴墨印刷和激光加工技術可以經濟高效地印刷制造微型壓電MEMS揚聲器。

據麥姆斯咨詢報道，弗勞恩霍夫激光技術研究所(ILT)、亞琛工業大學(RWTH Aachen University)電氣工程材料研究所(IWE2)和弗勞恩霍夫硅技術研究所(ISIT)的科學家們研究證實，可以在增材制造工藝中，結合噴墨打印和激光加工技術，經濟高效地印刷制造壓電MEMS揚聲器。作為最近完成的由德國聯邦教育與研究部(BMBF)資助的聯合項目——“高效壓電MEMS執行器制造(GENERATOR)”的一部分，他們成功制造了一款演示組件。

 

通過噴墨印刷將技術結構及幾何形狀印刷到晶圓上，再利用激光結晶實現功能化，然后將各個MEMS揚聲器元件分離并集成到電子系統中。

壓電MEMS是一種真正的全能型技術，超薄壓電層可以實現微型執行器或傳感器的完整功能，它可以在施加電場時形變，或將機械運動轉化為電壓。因此，它們可以應用于通信或醫療等廣泛領域，例如，作為泵、閥門或揚聲器中的傳感器或執行器，并實現微型化。

這種壓電薄膜層通常采用鋯鈦酸鉛(PZT)制成，PZT是目前功能最強大的壓電陶瓷材料之一。優選采用厚度為數微米的壓電層，可以通過蝕刻或直接印刷非常精確地構造。

激光輔助印刷替代傳統高真空鍍膜

目前，通常采用傳統的真空和掩模制造方法制造壓電MEMS，但是這些方法非常耗時且成本高昂，尤其是對于小批量制造來說。作為“GENERATOR”項目的一部分，弗勞恩霍夫激光技術研究所(ILT)、亞琛工業大學電氣工程材料研究所(IWE2)和弗勞恩霍夫硅技術研究所(ISIT)開發了一種結合數字噴墨印刷和激光結晶技術的可替代方案：首先將PZT特殊油墨印刷到8英寸硅晶圓上，然后通過激光輻射在700℃以上的局部溫度下進行結晶。過程中，通過溫度波動控制(±5℃)確保質量。

研究團隊制造的低成本六邊形微型壓電MEMS揚聲器，證明采用噴墨印刷和激光結晶技術可以在幾秒鐘內高效生產壓電MEMS執行器

多層材料堆棧趨勢

用多層20~30 nm的PZT薄層構建總厚度為2~3 μm的壓電執行器。

Fraunhofer ILT科學家Samuel Fink解釋說：“最初我們只應用了一層，現在我們可以逐層構建多層材料堆棧。”

例如，可以相互疊加多層功能陶瓷和電極，形成一個總共30層的微型壓電MEMS揚聲器。通過這種設計，據稱可以提供相比傳統執行器更好的性能和更高的再現品質。

科學家們采用導電陶瓷鎳酸鑭(LNO)作為電極材料，而不是通常非常昂貴的鉑。PZT層和電極層像兩把非常細的梳子一樣互嵌結合?？焖俚募す馓幚泶蠓鶞p少了每層的處理時間，從幾分鐘減少到幾秒鐘。

通過省去貴金屬組件，可以顯著提高這種純陶瓷多材料堆棧的耐久性，同時降低材料成本。

對這種多層材料堆棧施加交流電壓，PZT層會在幾分之一秒內形變，從而激發整個疊層振動。由于整個系統只有幾微米厚，因此質量非常小，可以很好地傳輸聲音信號，特別是高頻聲音。

Fraunhofer ILT薄膜處理研究組負責人Christian Vedder博士說：“這種制造方法的優勢在于數字控制的噴墨印刷和激光工藝，可以在不增加掩模或設備成本的情況下，對制造層進行即時設計修改，因此，也可以用于小批量生產。”

中小企業的機遇

制造薄膜電子器件的傳統系統成本高達數百萬歐元，因而僅對于大規模生產來說才有經濟意義。因此，對于小批量生產，尤其是微型揚聲器等包含多層結構的器件，增材混合制造工藝正變得更有吸引力。因此，這種工藝特別適合中小型企業，因為它們對系統技術的投入顯然大大低于傳統技術。

可以更容易，用玻璃替代硅

到目前為止，該工藝一直用于硅基板的噴墨印刷，需要經過相對復雜的后處理構建多層堆棧系統，以制造可以使用的壓電MEMS組件。然而，這種基于激光的制造工藝特性，使其也可以應用于其他基板，例如超薄玻璃，這一優勢可以進一步簡化生產，開辟更廣泛的潛在應用領域。

“在這個項目中，除了工藝開發外，對于毫秒范圍內的陶瓷激光結晶的基本機制，我們也有望獲得非常令人興奮的研究成果。”Fink在展望未來時說，“新的可能性正在這里出現，我個人對此非常感興趣，有望很快將其轉移到其他的材料和應用領域。”