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(zhǔn)標(biāo)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(dǎo)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(xué)分辨率受限導(dǎo)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(shí)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(xì)胞力學(xué)等領(lǐng)域?qū)?/span>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(diǎn)

• 集成突破：首次實(shí)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(biāo)記 + 表面高度映射對齊法，突破光學(xué)分辨率限制，達(dá)成跨芯片<±0.5μm、單芯片<±0.3μm的高精度對齊。

• 性能提升：驗(yàn)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(yīng)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(dǎo)圖

傳統(tǒng)牽引力顯微鏡（TFM）單細(xì)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(zhuǎn)引發(fā)壓阻區(qū)拉/壓應(yīng)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(shí)現(xiàn)應(yīng)力集中兩種策略最大化傳感應(yīng)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(shè)計(jì)、工作原理及應(yīng)用示意圖。

COMSOL仿真驗(yàn)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(yīng)、立柱應(yīng)力呈正相關(guān)；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(shí)響應(yīng)最大；且壓阻旁開開放式溝槽可使基底應(yīng)力集中提升一個(gè)數(shù)量級，顯著放大壓阻信號，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度吻合（圖2）。

圖2 用于驗(yàn)證立柱式力傳感器設(shè)計(jì)預(yù)期靈敏度趨勢的COMSOL仿真研究。

SEM表征驗(yàn)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(jié)構(gòu)，以及用于亞微米對齊的2.5D箭頭形對準(zhǔn)標(biāo)記；對比了三種立柱工藝：傳統(tǒng)SU-8立柱深寬比僅～7且側(cè)壁錐度明顯，雙光子聚合(TPP)立柱深寬比～11且側(cè)壁平直（旁設(shè)應(yīng)力集中開溝槽），電沉積銅柱實(shí)現(xiàn)了～80的超高深寬比（直徑 3μm），且與底層壓阻精準(zhǔn)對齊（圖3）。

圖3 結(jié)合傳統(tǒng)CMOS工藝與3D增材制造技術(shù)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)時(shí)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(gòu)成完整電化學(xué)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(jī)電測試表明：其電阻相對變化與橫向力呈優(yōu)異線性關(guān)系，實(shí)測值與COMSOL仿真偏差小于30%；輸出信號能精準(zhǔn)同步正弦式立柱偏轉(zhuǎn)，50次循環(huán)后靈敏度標(biāo)準(zhǔn)差小于0.01%，重復(fù)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(jié)果。

相較于電沉積銅柱傳感器，帶應(yīng)力集中開溝槽的雙光子聚合 (TPP) 聚合物立柱傳感器實(shí)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(zhǔn)同步正弦偏轉(zhuǎn)，多次循環(huán)后靈敏度穩(wěn)定、遲滯極??；15次5μN過載后性能無衰減，但受限于聚合物-硅界面結(jié)合力弱，橫向力超過6μN時(shí)會(huì)發(fā)生分層失效（圖6）。

圖6 采用3D聚合物打?。p光子聚合）制備的橫向力傳感器的測試結(jié)果。

 

總結(jié)及展望

本文首次實(shí)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(biāo)記+表面高度映射對齊法突破光學(xué)分辨率限制，達(dá)成跨芯片 <±0.5μm 的高精度對齊；驗(yàn)證了高深寬比金屬立柱和壓阻旁開應(yīng)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(shí)現(xiàn)溝槽表面的金屬電沉積，結(jié)合兩種策略進(jìn)一步提升性能；同時(shí)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(dòng)其在單細(xì)胞力學(xué)測量、生物微操作等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)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