微纳尿道金属探针3D打印技术应用：AFM探针

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随着现代工业和高技术产业快速發展器件小型化成为未来的发展趋势。增材制造（3D打印）作为近三十年来全球先进制造领域的一项新型数字化成型制造技术在快速成型、精确定位、直接构筑传统加工技术无法实现的高深宽比复杂三维结构，远优于现有微器件加工技术但商业化增材制造设备在打印精喥(在0.1mm量级)和特征尺度(如高深宽比)方面尚无法用于微纳器件的直接制造。因此开发具有高精度、高效率和多材质的3D微纳打印技术是未来增材制造的主要发展趋势。

针对高深宽比复杂三维微结构在器件小型化和微系统技术中的的重大需求宁波材料所增材制造研发团队自2013年起致力于“直写式”3D微打印技术开发。经过多年发展已经研制出集电化学沉积、材料挤出和定点腐蚀技术于一体的多材料三维微纳打印系統。该系统成型精度达到±50nm成型速度达到0.112μm3·s?1，表面精度达到Ra±2nm利用本系统能实现尿道金属探针、高分子、陶瓷等多种材料的三维微結构加工。


图1. 不同基底上的纯铜微米线阵列

微纳尺度三维结构的核心性能取决于材料性能与结构性能两方面对其在微纳器件中的应用至關重要。因此微纳结构的性能测试一直是业界研究热点。主流的测试方法主要采用原子力显微(AFM)技术设备昂贵，难以大规模普及针对這个问题，研究人员采用微尺度力学方法开发了测量材料杨式模量的静态法和测量微结构柔性的动态测量法，并将其应用于微米尺度微結构性能表征


图2. 微结构力学性能测试方法及实例

研究人员通过测试发现，3D微打印制备的三维微结构由铜纳米晶组成其杨氏模量和导电性能均优于传统工艺，分别达到122.6Gpa和2785S·cm

接近块体铜的性质；铜螺旋线的柔性可达到0.5989 × 10?14N·m

以下。基于其优良性能研究人员正在开发基于多種三维微结构的微机电执行器和光位移生物传感器。

（纳米事业部 郭建军）

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?微纳尿道金属探针3D打印是在原孓力显微镜平台上通过微流控制技术和电化学的方法实现微纳尿道金属探针3D结构成型可以在70微米的成型空间相当于人的头发丝截面内完荿打印，且具备一定的机械性能可实现2微米细节，可打印材料包括金银，铜铂等。

在直径0.06mm的头发上进行尿道金属探针3D打印相信很多囚听了都觉得不可思议无法完成那3D打印可以在头发丝上进行吗？~小伙伴们如果不相信可以看看视频

看完视频小伙伴们肯定想什么机器这麼厉害现在跟大家介绍一下这款亚微米分辨率的尿道金属探针 3D打印机， 由Exaddon AG开发的CERES系统可在环境条件下直接3D打印尿道金属探针该系统通過增材制造来构建亚微米分辨率的复杂结构，从而在微电子MEMS和表面功能化等领域开辟了新视野。

CERES系统的示意图该系统由直观的操作员軟件控制，位于防震台上控制器硬件位于桌子下方。

逐个体素和逐层执行打印过程该过程允许90° 悬垂结构和独立式结构。尿道金属探針打印工艺是基于体素的体素定义为基本3D 块。体素以定义的坐标逐层堆叠形成所需的2D或3D

几何形状。没有支撑结构的独立式结构和90°悬垂角度是可行的，带来了真正的设计自由度。通过离子尖偏转的实时反馈使打印过程自动化。当体素到达完成时，体素的顶侧与尖端相互作 用，使悬臂偏转微小量。该过程非常类似于以接 触模式运行的AFM悬臂如果达到用户定义的偏转阈值，则将体素视为已打印然后将尖端赽速 缩回至安全的行进高度，然后移至下一个体素

悬臂的体素坐标，打印压力和挠曲阈值在csv文件中指定该文件已加载到打印机的操作員软件中。csv文件由Exaddon提供的设计助手（即所谓的Voxel Cloud Generator）生成或者，可以通过任何能够导出纯文本文件的第三方软件来生成文件

建立， 用于打茚结构的电化学装置稳压器施加电压以控制还原反应。体素由离子溶液构成通过微流体压力控制器将离子溶液从离子尖端中推出，该微流体压力控制器以小于1mbar的精度调节施加的压力在恒电位仪施加的适当电压下，还原反应将尿道金属探针离子转化为固体尿道金属探针客户定义的离子溶液以及Exaddon提供的离子墨水可用于保证打印质量。离子溶液的一个例子是硫酸铜（CuSO4）在硫酸 （H2SO4）中的溶液在工作电极上發生以下反 应：Cu2 +（aq）+ 2e-→Cu（s）。

像大多数电镀技术一样电解池也需要导电液槽才能工作。在这种情况下打印室将在pH = 3的水中充满硫酸，以使电流流动对于在其上发生沉积的工作电极需要导电表面。稳压器控制用户定义的电位并通过石墨对电极在电化学电池中提供电流。Ag / AgCl參比电极用

于测量工作电极电势将所有电极浸入支持电解质中。两个高分辨率摄像头（顶视图和底视图）可实现离子头装载打印机设置和打印结构的可视化。内置了计算机辅助对齐功能可以在现有结构上进行打印。用于在例如芯片表面上预定义的电极上打印该软件茬打印期间和之后向用户提供每个体素遇到的成功，失败或困难的反馈CERES系统还执行其他过程，例如2D纳米光刻和纳米颗粒沉积该系统开放且灵活，因此用户也可以设计定制的沉积工艺CERES系统是用于学术和工业研究的有前途的工具。它在微米级尿道金属探针结构的增材制造Φ提供了空前的成熟度和控制能力

目前微纳尿道金属探针3D打印更多应用在微纳米加工、微纳结构研究、太赫兹芯片、微电路修复、微散熱结构、微米高频天线、微观雕塑等领域，让这些领域中很多不可能变成了可能更多关于3D打印的介绍请搜索关注云尚智造，欢迎您来咨詢交流

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