微型揚(yáng)聲器的外觀呈六邊形，大小和1美分硬幣差不多。研發(fā)人員利用3D打印（增材制造）技術(shù)并結(jié)合噴墨打印和激光技術(shù)，這塊微型揚(yáng)聲器被高效經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)了出來，成為壓電微機(jī)電系統(tǒng)的一部分。來自弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所、亞琛工業(yè)大學(xué)電子工程材料研究所（IWE2）和弗勞恩霍夫硅技術(shù)研究所的科學(xué)家已經(jīng)驗證了這種工藝的性能。通過協(xié)同合作，三家研究結(jié)構(gòu)已經(jīng)合作制出了相應(yīng)的演示組件。該項目是近期結(jié)束的德國聯(lián)邦教研部（BMBF）發(fā)起的“高效壓電微機(jī)電系統(tǒng)執(zhí)行器的制造”聯(lián)合項目的一部分。

壓電微機(jī)電是真正的全方位工藝，因為超薄的壓電層可以實現(xiàn)執(zhí)行器或傳感器的功能：當(dāng)施加電場或在機(jī)械運(yùn)動轉(zhuǎn)換到電壓的過程中，壓電微機(jī)電就會開始工作傳輸信號。因此，它們在通信技術(shù)和醫(yī)療行業(yè)有現(xiàn)實需求，比如作泵、閥門或揚(yáng)聲器中的傳感器或執(zhí)行器，都是微型化的。這種超薄的壓電層通常由鋯鈦酸鉛薄膜（PZT）制成，是目前功能最強(qiáng)的壓電陶瓷。研究人員通過實驗發(fā)現(xiàn)，壓電層的理想厚度是幾微米，可以通過蝕刻或直接打印等方式實現(xiàn)精準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)構(gòu)造。

通過噴墨打印的方式，可以將各 種技術(shù)結(jié)構(gòu)、幾何形狀應(yīng)用到晶圓上，通過激光輻射實現(xiàn)功能化， 然后將單個揚(yáng)聲器元件分離并集成到電子環(huán)境中。（版權(quán)所有： 弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所）

目前，采用傳統(tǒng)的真空和基于掩模的制造工藝也能制作出壓電微機(jī)電系統(tǒng)的組件，但這種生產(chǎn)方式非常耗時且成本高昂，在小批量訂單生產(chǎn)時尤為明顯。作為德國聯(lián)邦教研部（BMBF）資助項目的一部分，上述三家科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合開發(fā)出數(shù)字噴墨打印和激光結(jié)晶相結(jié)合的工藝技術(shù)，作為傳統(tǒng)制造工藝的替代方案：將鋯鈦酸鉛薄膜的特殊墨水應(yīng)用于8英寸硅片上，在超過700℃的氣溫下通過激光輻射形成結(jié)晶。溫度控制過程會保證產(chǎn)品質(zhì)量，溫度波動嚴(yán)格限制在±5℃。

多材料堆疊的趨勢

將幾層厚度為20nm-30nm的鋯鈦酸鉛薄膜組成一個總層厚為2μm-3μm的多層驅(qū)動器。弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所科學(xué)家SamuelFink解釋說：“最初我們只能應(yīng)用單層材料，但現(xiàn)在可以將多種材料進(jìn)行逐層堆疊了。”研究人員現(xiàn)在可以將多達(dá)30層的功能陶瓷材料和電極進(jìn)行疊加，成功制成一個微型揚(yáng)聲器。

采用該設(shè)計后，新型驅(qū)動器就能實現(xiàn)比傳統(tǒng)驅(qū)動器更好的性能和更高的重現(xiàn)性。鋯鈦酸鉛薄膜層和電極層像兩把非常精巧的梳子，僅靠梳齒就緊密地銜接在了一起。采用激光技術(shù)縮短了每層的處理時間，之前需要幾分鐘，現(xiàn)在只需要幾秒鐘。科學(xué)家們使用導(dǎo)電陶瓷鑭鎳氧化物（LNO）作為電極材料，而不是采用價格昂貴的鉑。通過摒棄使用金屬元件，研究人員可以顯著增加純陶瓷多材料堆疊層組件的耐久性，同時也降低了材料制成成本。

這種微型揚(yáng)聲器的六邊形的，非常小，價格低廉。由弗勞恩霍夫 激光技術(shù)研究所、亞琛工業(yè)大學(xué)電子工程材料研究所（IWE2）和 弗勞恩霍夫硅技術(shù)研究所聯(lián)合開發(fā)，使用噴墨打印機(jī)和激光技術(shù)， 就能在幾秒鐘內(nèi)低成本地生產(chǎn)出這種微致動器。（版權(quán)所有：弗 勞恩霍夫激光技術(shù)研究所）

當(dāng)研究人員向多材料堆疊層施加一個交流電壓時，鋯鈦酸鉛薄膜層會在幾分之一秒內(nèi)發(fā)生變形，激發(fā)整個堆疊層振動。堆疊層只有幾個微米的厚度，重量非常輕，因此可以很好地傳輸聲音信號，特別是在高頻傳輸范圍內(nèi)?！斑@種制造方法的美妙之處在于，采用數(shù)控打印和激光技術(shù)可以瞬時更改堆疊層的設(shè)計，因此即使生產(chǎn)批量減少也不會產(chǎn)生額外成本?！备诙骰舴蚣す饧夹g(shù)研究所薄膜工藝組負(fù)責(zé)人ChristianVedder博士說。

中小型企業(yè)的機(jī)會

制造薄膜電子產(chǎn)品的成本通常需要數(shù)百萬歐元，廠商只能通過規(guī)模經(jīng)濟(jì)中獲益。對于小批量生產(chǎn)，采用混合增材制造工藝更合適，特別是多層構(gòu)成的組件比如微型揚(yáng)聲器。

所以，這種工藝特別適合中小型企業(yè)，他們?yōu)榇送度氲某杀具h(yuǎn)低于傳統(tǒng)工藝。SamuelFink表示：“用戶需要合適的打印和激光系統(tǒng)技術(shù)，以及特殊的鋯鈦酸鉛薄膜和鑭鎳氧化物油墨。因此即使在小型的制造車間，廠商也可以進(jìn)行小批量的微型驅(qū)動器生產(chǎn)?！?/p>

可以做得更簡單：用玻璃代替硅

目前，3D打印工藝已應(yīng)用于涂覆硅基板。為了制出合格的生產(chǎn)組件，必須在多堆疊層構(gòu)建完成后，對那些襯底層進(jìn)行相對復(fù)雜的后處理。然而，基于激光的制造工藝可以使用其他基材（如超薄玻璃）代替硅，這種特性優(yōu)勢可以進(jìn)一步簡化生產(chǎn)，開辟更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域?！霸陧椖窟^程中，除了工藝開發(fā)，我們還能夠利用陶瓷激光結(jié)晶的基本機(jī)理，在毫秒間產(chǎn)生令人非常興奮的結(jié)果。新的可能性正在顯現(xiàn)，我非常感興趣并希望這種工藝很快能在其他材料和其他領(lǐng)域得到應(yīng)用?！盨amuelFink表示。