结合喷墨打印和激光技术印刷集成微型扬声器的压电MEMS组件

在增材制造过程中，可以结合喷墨打印和激光技术，将微型扬声器作为压电微机电系统（即所谓的压电MEMS）的一部分，进行高效，低成本的生产。

弗劳恩霍夫激光技术研究所ILT，亚琛工业大学电气工程材料研究所2（IWE2）和弗劳恩霍夫硅技术研究所ISIT的科学家对此进行了证明。合作伙伴制造了一个相应的演示组件，作为最近完成的BMBF联合项目"用于微致动器的高效压电MEMS的制造"的一部分。

可以通过喷墨印刷将技术结构和任何几何形状应用于晶片，并且通过激光辐射进行功能化。然后将各个扬声器元件分离并集成到电子环境中。

压电MEMS是真正的技术全面产品，因为超薄压电层具有执行器或传感器的功能：要么在施加电场时膨胀，要么将机械运动转换成电压。因此，它们在通信或医疗技术中的需求很大，例如作为泵，阀门或扬声器中的传感器或执行器-分别以微型格式。

薄膜通常由锆钛酸铅（PZT）制成，目前是功能最强，功能最强的压电陶瓷。优选地，使用厚度为几微米的压电层，其例如可以通过蚀刻或直接印刷而非常精确地构造。

激光辅助印刷工艺可替代传统的高真空涂层

迄今为止，传统的基于真空和掩模的制造方法已用于生产压电MEMS，但这些方法非常耗时且成本高昂，尤其是用于小批量制造。作为德国联邦教育与研究部（BMBF）资助的GENERATOR项目的一部分，弗劳恩霍夫ILT与亚琛工业大学的弗劳恩霍夫ISIT和IWE2共同开发了数字喷墨打印和激光结晶的工艺组合。有利的选择：在将PZT特殊油墨涂到8英寸硅晶片上之后，在超过700°C的局部温度下通过激光辐射进行结晶。通过将温度波动限制在±5°C以内的温度控制过程，可以确保质量。

六角形，纤巧，便宜：亚琛工业大学的Fraunhofer ILT，Fraunhofer ISIT和IWE2的微型扬声器证明，使用喷墨打印机和激光可以在几秒钟内以低成本生产微致动器。

多种材料堆叠的趋势

用几个20至30 nm的薄PZT层构建总层厚度为2至3 µm的多层致动器。

Fraunhofer ILT科学家塞缪尔·芬克（Samuel Fink）解释说："最初，我们只应用了一层，但是现在可以逐层创建多材料堆栈。"

或者，可以在彼此的顶部总共构建多达30层的功能陶瓷和电极，以形成微型扬声器。由于采用了这种设计，据说执行器比常规执行器具有更好的性能和更高的再现质量。

PZT层和电极层像两个非常细的梳子一样互锁。层的快速激光处理减少了每层的处理时间，否则将需要几分钟，而仅需几秒钟。代替普通且非常昂贵的铂，科学家使用导电陶瓷镧镍氧化物（LNO）作为电极材料。

通过省去金属组件，它们可以显着提高这些纯陶瓷多材料堆栈的耐用性，同时降低材料成本。

如果向此多材料堆栈施加交流电压，则PZT层会在几分之一秒内变形，从而激发整个堆栈振动。由于整个系统只有几微米厚，因此质量非常低，因此，声信号可以得到很好的传输，尤其是在高频范围内。

"这种制造方法的优点在于可数字控制的印刷和激光工艺，这些工艺允许即时更改制造层的设计，而无需支付掩模或工具的额外费用，因此也可以生产较小批量的产品，" Christian Vedder博士说Fraunhofer ILT薄膜处理小组的成员。

中小企业的机会

用于制造薄膜电子设备的常规系统要花费数百万欧元，并且对于大规模生产而言仅在财务上有意义。对于较小的批量，加性混合工艺变得很有吸引力，尤其是当组件由诸如微型扬声器的几层组成时。因此，该过程特别适合于中小企业（SME），因为事实证明，他们对系统技术的投资明显少于传统技术。

芬克："用户需要适当的印刷和激光系统技术，以及经过特殊改装的PZT和LNO墨水。因此，即使是很小的工作商店也可以在将来为微型执行器建立小规模的生产。"

可以轻松完成：用玻璃代替硅

到目前为止，该工艺一直用于涂覆硅基板。在构建多堆叠系统之后，这些基板必须经历相对复杂的后处理，以生产准备使用的组件。然而，基于激光的制造工艺的特性意味着也可以考虑使用其他基板，例如超薄玻璃，这一优势将进一步简化生产并开拓广泛的可能应用。

"在该项目的过程中，除了工艺开发以外，我们还能够在毫秒范围内对陶瓷的激光结晶基本机理产生令人兴奋的结果。芬克说，展望未来，新的可能性正在出现，这是我个人非常感兴趣的新事物，并有望很快转移到其他材料以及应用领域。