專業(yè)名詞解釋

• Localized Metal Electrodeposition（局部金屬電沉積）

• Two-Photon Polymerization (TPP)（雙光子聚合）

• Post-CMOS Integration（后CMOS集成)

• Surface Height Mapping Alignment(表面高度映射對齊法)

• 2.5D Alignment Marks(2.5D 對準標記)

 

研究背景

金屬微 3D 打印雖打破了 MEMS 僅能使用軟質(zhì)非導電聚合物的局限，但酸性電解液腐蝕的工藝兼容性問題、光學分辨率受限導致的打印-器件對齊精度不足，使其始終無法與有源 CMOS 微電路集成；同時傳統(tǒng)聚合物MEMS力傳感器存在深寬比低、易分層、量程小的缺陷，難以滿足生物細胞力學等領域對nN級高分辨率、高密度橫向力映射的迫切需求，本文由此開展 3D 打印金屬/聚合物與CMOS壓阻器件的集成研究。

 

創(chuàng)新點

• 集成突破：首次實現(xiàn)局部電沉積金屬3D打印與有源CMOS微器件的亞微米級集成，解決了酸性電解液腐蝕的工藝兼容性難題。

• 對齊創(chuàng)新：提出2.5D 標記 + 表面高度映射對齊法，突破光學分辨率限制，達成跨芯片<±0.5μm、單芯片<±0.3μm的高精度對齊。

• 性能提升：驗證兩種靈敏度提升策略——制備深寬比 > 70 的自立式銅立柱、在壓阻旁刻應力集中開溝槽，后者使靈敏度理論翻倍。

• 器件成果：制備出35nN分辨率銅柱傳感器和23nN分辨率（同尺寸國際最高） 聚合物溝槽傳感器，金屬傳感器因金屬 - 金屬鍵合具備優(yōu)異抗分層性和大量程。

 

圖文導圖

傳統(tǒng)牽引力顯微鏡（TFM）單細胞力測量采用軟柱+聚合物/玻璃基底，通量低且精度有限；本文提出硅基底內(nèi)嵌N型硅壓阻器的集成式傳感方案，橫向力使立柱偏轉引發(fā)壓阻區(qū)拉/壓應力，阻值變化與立柱高度成正比、與半徑三次方成反比；并通過金屬3D打印制備高深寬比立柱和壓阻周圍開溝槽實現(xiàn)應力集中兩種策略最大化傳感應力，顯著提升傳感器靈敏度（圖1）。

圖1 為本文所提出的 MEMS 橫向力傳感器的設計、工作原理及應用示意圖。

COMSOL仿真驗證了兩種靈敏度提升策略的有效性：1μN橫向力下，立柱深寬比與壓阻響應、立柱應力呈正相關；立柱與壓阻的橫向偏移量決定靈敏度，偏移量等于立柱半徑時響應最大；且壓阻旁開開放式溝槽可使基底應力集中提升一個數(shù)量級，顯著放大壓阻信號，與實驗結果高度吻合（圖2）。

圖2 用于驗證立柱式力傳感器設計預期靈敏度趨勢的COMSOL仿真研究。

SEM表征驗證了器件制備與對齊精度：展示了蝴蝶形N型硅壓阻器的微結構，以及用于亞微米對齊的2.5D箭頭形對準標記；對比了三種立柱工藝：傳統(tǒng)SU-8立柱深寬比僅～7且側壁錐度明顯，雙光子聚合(TPP)立柱深寬比～11且側壁平直（旁設應力集中開溝槽），電沉積銅柱實現(xiàn)了～80的超高深寬比（直徑 3μm），且與底層壓阻精準對齊（圖3）。

圖3 結合傳統(tǒng)CMOS工藝與3D增材制造技術制備的MEMS橫向力傳感器掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。

展示了局部電沉積金屬3D打印的核心原理與實驗裝置：空心MEMS懸臂梁在硫酸-鹽酸酸性電解液中，向施加工作電極電壓的偏置樣品表面釋放Cu²?離子，離子在樣品表面還原沉積；實驗時將芯片固定于載片，打印跡線經(jīng)引線鍵合后，整體浸入特氟龍電解腔室，與石墨工作電極構成完整電化學回路（圖4）。

圖4 用于金屬 3D 打印的電沉積工藝。

電沉積銅柱傳感器的機電測試表明：其電阻相對變化與橫向力呈優(yōu)異線性關系，實測值與COMSOL仿真偏差小于30%；輸出信號能精準同步正弦式立柱偏轉，50次循環(huán)后靈敏度標準差小于0.01%，重復性好且遲滯極小；過載5.6μN共20次后性能無衰減，體現(xiàn)了金屬-金屬鍵合的高魯棒性與大量程優(yōu)勢（圖5）。

圖5 采用3D金屬打印制備的橫向力傳感器的測試結果。

相較于電沉積銅柱傳感器，帶應力集中開溝槽的雙光子聚合 (TPP) 聚合物立柱傳感器實現(xiàn)了0.44%/μN的最高靈敏度，且具有R²=0.997的優(yōu)異線性度；輸出信號精準同步正弦偏轉，多次循環(huán)后靈敏度穩(wěn)定、遲滯極小；15次5μN過載后性能無衰減，但受限于聚合物-硅界面結合力弱，橫向力超過6μN時會發(fā)生分層失效（圖6）。

圖6 采用3D聚合物打印（雙光子聚合）制備的橫向力傳感器的測試結果。

 

總結及展望

本文首次實現(xiàn)局部電沉積金屬3D打印與有源CMOS微器件的亞微米級集成，通過2.5D標記+表面高度映射對齊法突破光學分辨率限制，達成跨芯片 <±0.5μm 的高精度對齊；驗證了高深寬比金屬立柱和壓阻旁開應力集中溝槽兩種靈敏度提升策略，制備出35nN分辨率的銅柱傳感器和23nN 分辨率（同尺寸國際最高）的聚合物溝槽傳感器，且金屬傳感器因金屬-金屬鍵合具備優(yōu)異的抗分層性和魯棒性。

未來可優(yōu)化工藝實現(xiàn)溝槽表面的金屬電沉積，結合兩種策略進一步提升性能；同時開展多軸力傳感、疲勞與長期耐久性測試，制備高密度傳感器陣列，推動其在單細胞力學測量、生物微操作等領域的實際應用。

 

論文信息

論文題目：Integrating 3D-printed metal and polymer geometries with CMOS microdevices toward MEMS high-resolution lateral force sensing

發(fā)布期刊：Additive Manufacturing

DOI：10.1016/j.addma.2026.105085