3D 打印金属与聚合物几何结构与 CMOS 微器件集成实现 MEMS 高分辨率横向力传感器

专业名词解释

• Localized Metal Electrodeposition（局部金属电沉积）

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

• Post-CMOS Integration（后CMOS集成)

• Surface Height Mapping Alignment(表面高度映射对齐法)

• 2.5D Alignment Marks(2.5D 对准标记)

 

研究背景

金属微 3D 打印虽打破了 MEMS 仅能使用软质非导电聚合物的局限，但酸性电解液腐蚀的工艺兼容性问题、光学分辨率受限导致的打印-器件对齐精度不足，使其始终无法与有源 CMOS 微电路集成；同时传统聚合物MEMS力传感器存在深宽比低、易分层、量程小的缺陷，难以满足生物细胞力学等领域对nN级高分辨率、高密度横向力映射的迫切需求，本文由此开展 3D 打印金属/聚合物与CMOS压阻器件的集成研究。

 

创新点

• 集成突破：首次实现局部电沉积金属3D打印与有源CMOS微器件的亚微米级集成，解决了酸性电解液腐蚀的工艺兼容性难题。

• 对齐创新：提出2.5D 标记 + 表面高度映射对齐法，突破光学分辨率限制，达成跨芯片<±0.5μm、单芯片<±0.3μm的高精度对齐。

• 性能提升：验证两种灵敏度提升策略——制备深宽比 > 70 的自立式铜立柱、在压阻旁刻应力集中开沟槽，后者使灵敏度理论翻倍。

• 器件成果：制备出35nN分辨率铜柱传感器和23nN分辨率（同尺寸国际最高） 聚合物沟槽传感器，金属传感器因金属 - 金属键合具备优异抗分层性和大量程。

 

图文导图

传统牵引力显微镜（TFM）单细胞力测量采用软柱+聚合物/玻璃基底，通量低且精度有限；本文提出硅基底内嵌N型硅压阻器的集成式传感方案，横向力使立柱偏转引发压阻区拉/压应力，阻值变化与立柱高度成正比、与半径三次方成反比；并通过金属3D打印制备高深宽比立柱和压阻周围开沟槽实现应力集中两种策略最大化传感应力，显著提升传感器灵敏度（图1）。

图1 为本文所提出的 MEMS 横向力传感器的设计、工作原理及应用示意图。

COMSOL仿真验证了两种灵敏度提升策略的有效性：1μN横向力下，立柱深宽比与压阻响应、立柱应力呈正相关；立柱与压阻的横向偏移量决定灵敏度，偏移量等于立柱半径时响应最大；且压阻旁开开放式沟槽可使基底应力集中提升一个数量级，显著放大压阻信号，与实验结果高度吻合（图2）。

图2 用于验证立柱式力传感器设计预期灵敏度趋势的COMSOL仿真研究。

SEM表征验证了器件制备与对齐精度：展示了蝴蝶形N型硅压阻器的微结构，以及用于亚微米对齐的2.5D箭头形对准标记；对比了三种立柱工艺：传统SU-8立柱深宽比仅～7且侧壁锥度明显，双光子聚合(TPP)立柱深宽比～11且侧壁平直（旁设应力集中开沟槽），电沉积铜柱实现了～80的超高深宽比（直径 3μm），且与底层压阻精准对齐（图3）。

图3 结合传统CMOS工艺与3D增材制造技术制备的MEMS横向力传感器扫描电子显微镜（SEM）图像。

展示了局部电沉积金属3D打印的核心原理与实验装置：空心MEMS悬臂梁在硫酸-盐酸酸性电解液中，向施加工作电极电压的偏置样品表面释放Cu²⁺离子，离子在样品表面还原沉积；实验时将芯片固定于载片，打印迹线经引线键合后，整体浸入特氟龙电解腔室，与石墨工作电极构成完整电化学回路（图4）。

图4 用于金属 3D 打印的电沉积工艺。

电沉积铜柱传感器的机电测试表明：其电阻相对变化与横向力呈优异线性关系，实测值与COMSOL仿真偏差小于30%；输出信号能精准同步正弦式立柱偏转，50次循环后灵敏度标准差小于0.01%，重复性好且迟滞极小；过载5.6μN共20次后性能无衰减，体现了金属-金属键合的高鲁棒性与大量程优势（图5）。

图5 采用3D金属打印制备的横向力传感器的测试结果。

相较于电沉积铜柱传感器，带应力集中开沟槽的双光子聚合 (TPP) 聚合物立柱传感器实现了0.44%/μN的最高灵敏度，且具有R²=0.997的优异线性度；输出信号精准同步正弦偏转，多次循环后灵敏度稳定、迟滞极小；15次5μN过载后性能无衰减，但受限于聚合物-硅界面结合力弱，横向力超过6μN时会发生分层失效（图6）。

图6 采用3D聚合物打印（双光子聚合）制备的横向力传感器的测试结果。

 

总结及展望

本文首次实现局部电沉积金属3D打印与有源CMOS微器件的亚微米级集成，通过2.5D标记+表面高度映射对齐法突破光学分辨率限制，达成跨芯片 <±0.5μm 的高精度对齐；验证了高深宽比金属立柱和压阻旁开应力集中沟槽两种灵敏度提升策略，制备出35nN分辨率的铜柱传感器和23nN 分辨率（同尺寸国际最高）的聚合物沟槽传感器，且金属传感器因金属-金属键合具备优异的抗分层性和鲁棒性。

未来可优化工艺实现沟槽表面的金属电沉积，结合两种策略进一步提升性能；同时开展多轴力传感、疲劳与长期耐久性测试，制备高密度传感器阵列，推动其在单细胞力学测量、生物微操作等领域的实际应用。

 

论文信息

论文题目：Integrating 3D-printed metal and polymer geometries with CMOS microdevices toward MEMS high-resolution lateral force sensing

发布期刊：Additive Manufacturing

DOI：10.1016/j.addma.2026.105085