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热导测量的石墨烯氧化物气体传感器光学显微镜图像。左上角插图显示传感器主动区域的特写

当今的微机电系统（MEMS）的量产制造技术依赖于昂贵的半导体光刻设备。因此，芯片的生产通常需要存在一个足够大的市场，才能涵盖特定元件的生产成本，并实现商品化。

美国麻省理工学院（MIT）微系统技术实验室的研究人员展示了几种以低成本制造MEMS的新方法，不仅实现了元件的简单定制化，还利用一种桌面型3D打印晶圆厂，为制造商提供了全新的替代路径。

这种新的MEMS制造方法能够实现小批量的新型传感器和元件的生产；这些元件通常无法找到足够大的市场来涵盖使用传统工艺从知识产权到最终产品的完整开发和成本。

MIT研究人员的元件制造方法规避了导致传统MEMS制造成本高昂的许多必要条件。

“我们使用的积层制造技术是以低温和无真空条件为基础，” MIT微系统技术实验室首席研究科学家Luis Fernando Velasquez-Garcia表示，“我们使用的最高温度约为60°C。在芯片制造中，可能需要在约1,000°C的条件下生长氧化物。此外，许多情况下，反应器需要较高的真空环境以避免污染。但我们快速地进行制造，发布的芯片从开始到完成仅需几个小时。”

实际的制造技术依赖于密集发射器阵列，在强电场下喷洒微流体。为了制造气体传感器，来自英国Edwards Vacuum公司的客座研究人员Velasquez-Garcia和Anthony Taylor使用了所谓的“内部供电发射器”。

这种带有圆柱状孔径的发射器允许流体通过。研究人员利用含有微小石墨烯氧化物薄片的流体，在硅基板上喷涂预设的图案。流体迅速蒸发后，留下仅数十纳米厚的石墨烯氧化物薄片涂层。由于该薄片十分轻薄，在与气体分子相互作用后，以可测量的方式改变其电阻值，使其可用于气体检测。

根据Velasquez-Garcia表示，所获得的气体传感器在精确度上可媲美价值数百美元的商用产品，且制造速度更快，成本仅需几美分。

在首次构建时，Velasquez-Garcia和Taylor使用的电喷洒发射器是利用传统半导体制造技术生产的。而在《微机电系统》（Journal of Microelectromechanical Systems）12月刊中发表的第二次研究中，Velasquez-Garcia使用经济实惠的高品质3D打印机生产了塑料电喷洒发射器，其尺寸和性能更符合气体传感器的要求。

利用3D打印技术低成本制造MEMS

图中的发射器是49个发射器阵列的一部分。由于采用层叠制造，发射器外部的扇形结构清晰可见。

研究人员不仅使这些电喷洒元件更具成本效益，3D打印技术还使其能够为特定应用定制元件，仅需几天即可将微喷嘴更新至下一代。

事实上，他们还可以在定制的桌面型MEMS晶圆厂中制造出新的MEMS元件。另一项重大优势在于其低温制程，使传感器设计人员能够沉积一些与高温半导体制程不兼容的材料，例如具有特定特性的生物分子。

这项新的制造技术能够为MEMS开启新的应用领域，同时使更多的知识产权转化为可行的商用产品。“在某些情况下，MEMS制造商必须在他们想要制造的产品与微加工技术的要求之间做出妥协，” Velasquez-Garcia解释说，“因为只有少量的元件适合大规模市场的条件。”