3D打印高性能射頻傳感器

中國的研究人員開發(fā)了一種開創(chuàng)性的方法，可以為射頻傳感器構(gòu)建分辨率低于 10 微米的高縱橫比 3D 微結(jié)構(gòu)。

該技術(shù)以 1：4 的寬高比實(shí)現(xiàn)了深溝槽，同時還實(shí)現(xiàn)了對共振特性的精確控制并顯著提高了性能。這種混合技術(shù)不僅提高了 RF 超結(jié)構(gòu)的品質(zhì)因數(shù) （Q 因子） 和頻率可調(diào)性，而且還將器件占用空間減少了多達(dá) 45%。這為傳感、MEMS 和 RF 超材料領(lǐng)域的下一代應(yīng)用鋪平了道路。

電子束光刻和納米壓印等傳統(tǒng)光刻技術(shù)難以滿足對超精細(xì)、高縱橫比結(jié)構(gòu)的需求。厚度控制不佳、側(cè)壁不均勻和材料限制限制了性能和可擴(kuò)展性。

該技術(shù)結(jié)合了雙光子聚合 （2PP）、電鍍和干法蝕刻。然而，由于工藝不兼容，將 2PP 與強(qiáng)大的金屬化相結(jié)合以用于功能性 RF 組件仍然難以捉摸。

來自比爾肯特大學(xué)和南洋理工大學(xué)的研究人員引入了一種新穎的制造工藝，該工藝使用 2PP 制造復(fù)雜的深溝槽，然后通過電鍍填充銅，并通過干蝕刻進(jìn)行精煉。結(jié)果是超緊湊的射頻諧振器，具有 4–6 GHz 之間的可調(diào)諧頻率、1：4 的縱橫比和亞 10 μm 分辨率框架內(nèi)的高 Q 因子。

該過程從 2PP 開始，以定義光刻膠層中的高縱橫比溝槽。然后通過電鍍用厚銅（最大 8 μm）填充這些空隙。隨后的干蝕去除種子層，產(chǎn)生具有平坦、垂直側(cè)壁和出色尺寸精度的獨(dú)立金屬結(jié)構(gòu)。該團(tuán)隊(duì)展示了寬度窄至 2-3 μm、高度超過 10 μm 的微結(jié)構(gòu)。

快速退火用于增強(qiáng)銅鍵合，解決熱和機(jī)械挑戰(zhàn)。掃描電子顯微鏡 （SEM） 驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)的高保真度，證實(shí)了它們的堅(jiān)固性和可制造性。

制造方法首先在 ITO 涂層玻璃上涂上旋涂的 AZ-4562 正性光刻膠，b 將準(zhǔn)備好的基板放在 3D 打印系統(tǒng)的樣品架上并曝光光線以獲得所需的圖案，c 顯影光刻膠的曝光部分，d 銅金屬的厚膜沉積在 ITO 種子層上沿給定圖案的線， e 旋涂保護(hù)層，f 用切割機(jī)將基板切割成更小的碎片，g 去除光刻膠，h 用 ICP 干蝕 ITO 種子層，i 熱退火以加強(qiáng)銅結(jié)構(gòu)。

增加金屬厚度可以將 Q 因子提高 6 到 7 倍，諧振頻率偏移高達(dá) 200 MHz，從而為特定的射頻應(yīng)用進(jìn)行精確定制。與傳統(tǒng)的 PCB 制造諧振器相比，3D 打印版本在保持性能的同時將占用空間減少了 45%。

“這項(xiàng)工作彌合了 3D 打印和功能性射頻設(shè)備之間的關(guān)鍵差距，”Bilkent 的 Hilmi Volkan Demir 教授說。通過在高縱橫比金屬結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)亞 10 微米的分辨率，我們?yōu)樾⌒突⒏咝阅芙M件解鎖了新的設(shè)計自由度。通過幾何控制調(diào)整諧振頻率和 Q 因子的能力為下一代傳感器和通信系統(tǒng)提供了令人興奮的機(jī)會。

該技術(shù)可用于具有改進(jìn)的小型射頻傳感器，或用于診斷和治療的植入式或可穿戴微型設(shè)備。它與 MEMS 集成，可用于為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建片上天線和信號處理器。

未來的發(fā)展包括集成其他功能材料或構(gòu)建多層結(jié)構(gòu)以擴(kuò)展 RF 傳感器的功能。