研究人员正在开发一种使微机电系统更便宜的方法

2014年，微机电系统(MEMS)的市场规模为120亿美元。但这个市场被少数几款设备所主导，比如用于调整大多数智能手机屏幕方向的加速计。

这是因为制造MEMS传统上需要复杂的半导体制造设施，这需要花费数千万美元来建造。具有潜在用途的MEMS在发展过程中一直萎靡不振，因为它们没有足够大的市场来证明最初的生产资本投资是合理的。

麻省理工学院微系统技术实验室的研究人员最近发表的两篇论文为这种情况的改变带来了希望。在其中一项研究中，研究人员表明，使用桌面设备制造的基于mems的气体传感器的性能至少与传统生产设施制造的商用传感器一样好。

在另一篇论文中，他们展示了桌面制造设备的核心组件本身可以用3d打印机制造。总之，这些论文表明，一种广泛使用的MEMS气体传感器可以以百分之一的成本生产而不损失质量。

研究人员的制造设备避开了许多使传统MEMS制造昂贵的要求。“我们正在做的增材制造是基于低温和无真空，”路易斯·费尔南多Velásquez-García说，他是麻省理工学院微系统技术实验室的首席研究科学家，也是两篇论文的高级作者。“我们使用过的最高温度可能是60摄氏度。在芯片中，你可能需要生长氧化物，在1000摄氏度左右生长。在许多情况下，反应堆需要这些高真空来防止污染。我们生产设备的速度也很快。我们报告的这些设备从头到尾都是在几个小时内制造出来的。”

受欢迎的阻力

多年来，Velásquez-García一直在研究制造技术，包括密集阵列的发射器，当受到强电场时，发射器会喷射出微小的流体流。对于气体传感器，Velásquez-García和来自英国爱德华兹真空公司的访问研究员安东尼·泰勒(Anthony Taylor)使用所谓的“内部馈电发射器”。这些是带有圆柱孔的发射器，可以让液体通过它们。

在这种情况下，液体中含有微小的氧化石墨烯薄片。石墨烯于2004年被发现，是一种原子厚度的碳，具有显著的电学性能。Velásquez-García和Taylor用他们的发射器将流体以规定的模式喷在硅基板上。液体迅速蒸发，留下了一层只有几十纳米厚的氧化石墨烯薄片。

这种薄片非常薄，与气体分子的相互作用会以可测量的方式改变它们的电阻，使它们适用于传感。Velásquez-García表示:“我们将这种气体传感器与一种售价数百美元的商业产品相比较。”“我们展示的是，它们同样精确，而且速度更快。我们的生产成本非常低——可能只有几美分——与商业同类产品一样好，甚至更好。”

为了生产这些传感器，Velásquez-García和Taylor使用了使用传统工艺制造的电喷雾发射器。然而，在12月份的《微机电系统杂志》(Journal of micro机电系统)上，Velásquez-García报道了使用一种价格合理的高质量3d打印机生产塑料电喷雾发射器，其尺寸和性能与生产气体传感器的发射器相匹配。

定做

Velásquez-García表示，除了使电喷雾设备更具成本效益外，3d打印还可以更容易地为特定应用定制它们。“当我们开始设计它们的时候，我们什么都不知道，”Velásquez-García说。“但到了周末，我们大概有了15代设备，每一代的设计都比之前的版本更好。”

的确，Velásquez-García表示，电喷雾的优势与其说是使现有的MEMS设备更便宜，不如说是使全新的设备成为可能。除了使小型市场的MEMS产品具有成本效益外，电喷雾还可以实现与现有制造技术不兼容的产品。

Velásquez-García表示:“在某些情况下，MEMS制造商必须在基于模型的打算制造的产品和基于微加工技术的可制造产品之间做出妥协。”“只有少数符合拥有庞大市场的描述，并且性能不低于平均水平的设备才能成功。”

Velásquez-García网站称，电喷雾还可能制造出新型生物传感器。“它使我们能够沉积与高温半导体制造不兼容的材料，比如生物分子。”

麻省理工学院

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-由克里斯·瓦夫拉编辑，制作编辑，控制工程， CFE传媒，cvavra@cfemedia.com．查看更多控制工程能源和电力故事．

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