功能性MEMS器件如何用于绿色可持续制造

据麦姆斯咨询介绍，从智能手机中的健身计步功能，到我们汽车中的防滑控制和导航功能，我们在日常生活中正使用着数十、上百种MEMS微型器件。这些MEMS器件正以无数种方式改善我们的生活，但为我们带来便利的同时也对环境造成了巨大伤害。

MEMS生产技术或微机械加工技术，最初是为了制造硅集成电路而开发的。这项技术彻底革新了电路的微型化，使功能强大的计算机从半个世纪前的房子大小，缩小到我们今天能够放进口袋里的智能手机。硅基MEMS制造工艺成本高，能源密集（需要高温，并使用危险化学品，如氢氟酸等）。到2020年，硅基MEMS市场规模预计将增长到200亿美元。这些增长大部分来自对射频MEMS和生物医疗传感器的需求推动。对于这个快速增长的市场，人们对硅基MEMS的成本和潜在环境影响提出了担忧。

但是，如果MEMS微加工能够变得经济、节能、环保，并利用可再生资源甚至废料，那该多好！据麦姆斯咨询报道，Auburn University（美国奥本大学）的化学工程师在这一方向取得了进展。奥本大学研究人员在Applied Materials＆Interfaces上发表的最新文章（“Microelectromechanical Systems from Aligned Cellulose Nanocrystal Films”），介绍了从废弃生物质中提取的纳米微晶纤维素（Cellulose Nanocrystal, CNC）如何用于生产具有与硅器件类似特性的功能性MEMS器件。

该团队在文章中称，悬臂梁阵列、双端固支梁、残余应变计和机械强度计等可驱动的标准MEMS器件，可通过剪切对齐的纳米微晶纤维素（CNC）薄膜进行低温制造。这些器件的特征尺寸可小至6um，具有各向异性的力学性能。这项研究工作由奥本大学化学工程系教授Virginia Davis和Robert Ashurst，以及他们的合作伙伴Clemson University（克莱姆森大学）副教授Christopher Kitchens的研究小组领导。

该专利工艺中使用的低温、水处理和等离子蚀刻工艺，意味着MEMS器件现在可以使用比以前更加可持续的加工方法，由可再生材料制成。其他研究人员也在寻求替代硅基MEMS的材料，但常常会受到材料特性的限制。相比之下，CNC卓越的机械性能和易加工性，使Auburn和Clemson研究团队能够制造媲美典型硅基MEMS的标准器件和小特征尺寸。

他们利用硅材料三分之一的CNC材料，实现了相同的机械性能。此外，该制造方法能够实现相比其他材料更可调的光学和机械性能，并且可以调整表面化学性质，实现要求浸没流体的应用。“这项技术不仅为满足不断增长的MEMS和传感器市场需求，提供了一种更可持续的发展路径，它还可以使进入市场或开发新型诊断器件的厂商，无需传统MEMS生产所需要的大量投资和时间。

这对于我们为新兴需求快速开发和应用新型诊断器件至关重要，包括蚊子传播的病毒，其他疾病以及食物和水供应中出现的污染物等，”Davis说。到目前为止，该研究已获得两项可提供许可的专利。未来的研究重点是将该技术应用于生物和化学检测中的两个特定挑战。具体而言，研究团队感兴趣的应用包括：快速、简便且能同时检测多种癌症生物标志物，以及检测食品和水供应中新出现的污染物。