3D-печать удешевит выпуск MEMS-датчиков
Активная часть газового датчика (© Anthony Taylor and Luis F Vel?squez-Garc?a)
Рынок микроэлектромеханических систем (МЭМС, MEMS) в 2014 году оценивался в $12 млрд. Несмотря на это, на нем доминируют все те же, давно известные категории устройств. По большей части, это акселерометры и гироскопы, используемые в мобильных гаджетах. Например, МЭМС-акселерометры используются для переориентации экрана и поддержки работы устройства в режиме встряхивания. Для производства МЭМС-датчиков необходимо сложное и дорогостоящее оборудование, поэтому многие интересные МЭМС-разработки остаются только на бумаге, так как их коммерческий потенциал не способен покрыть капиталовложения на старте. Если удешевить производственный процесс, то многие идеи обретут жизнь.
Ученые Массачусетского технологического института (MIT) хотят кардинально изменить ситуацию. Они заявляют, что газовый МЭМС-датчик, выпущенный ими с помощью настольного оборудования, выполняет свои функции не хуже коммерческих аналогов, созданных на традиционных заводах. Более того, ученые утверждают, что центральный компонент их «настольного мини-завода» можно сделать с помощью обычного 3D-принтера. Таким образом, стоимость производства широко используемых сегодня газовых МЭМС-сенсоров можно сократить в десятки раз без потери качества. Ученые пошли по пути наименьшего сопротивления и пересмотрели те пункты производства МЭМС-устройств, которые делают процесс дорогим: им пришлось отказаться от использования высоких температур и вакуума. Температурный максимум при использовании новой технологии составляет около 60 градусов по Цельсию.
В основе лежат технологии производства на базе плотных массивов электроспреевых эмиттеров, которые выталкивают микроскопические потоки жидкости в условиях сильных электрических полей. При производстве газовых датчиков используются особые излучатели с цилиндрическими отверстиями. Кроме того, было принято решение добавить в рабочую жидкость крошечные частицы оксида графена (напомним, что графен – это одноатомная форма углерода с прекрасными электрическими свойствами). Ученые использовали эмиттеры для распыления этой жидкости по заранее намеченному паттерну кремниевой подложки. Жидкость быстро испаряется, оставляя на поверхности лишь несколько десятков нанометров покрытия из «хлопьев» оксида графена. Частицы настолько тонкие, что при взаимодействии с молекулами газа меняют свое сопротивление, что легко измерить. Именно это и делает их полезными при обнаружении газов. Ученые сравнили свой прототип с коммерческим продуктом, который стоит несколько сотен долларов, и утверждают, что их устройство работает не только более точно, но быстрее. При этом его стоимость в разы ниже. В ранних экспериментах для производства датчиков ученые использовали электроспреевые эмиттеры, массово выпускаемые в заводских масштабах. Но в декабре этого года им удалось создать пластиковые электроспреевые эмиттеры (промышленные обычно делают из стекла или металла) с помощью обычного, высококачественного 3D-принтера.
Преимущества таких эмиттеров, выпускаемых с помощью 3D-печати, позволят значительно удешевить производство и разнообразить рынок MEMS-устройств. Например, расширяются возможности для создания новых видов биологических датчиков. Впрочем, ученые пока осторожничают и говорят, что технология нуждается в подтверждении статистическими данными. Ведь бывали случаи, когда крупные научные работы, красиво выглядевшие на бумаге, не приводили к созданию действительно надежных коммерческих продуктов.