3DプリントによるマイクロメカニクスとMEMS
マイクロメカニクスとMEMSは、NanoscribeのTwo-Photon Polymerizationにより、平面製造の限界を超えて進化しています。これにより、サブミクロン精度と自動アライメントを備えた複雑な3D部品の製作が可能になり、MEMSセンサ、マイクログリッパー、静電アクチュエータ、刺激応答性マイクロシステムなどのアプリケーションに対応します。
動作する機能性マイクロメカニクス
平面製造の限界を超えて機能性マイクロシステムを再定義
マイクロメカニクスとマイクロエレクトロメカニカルシステム（MEMS）は、マイクロスケールでセンシング、駆動、スイッチング、把持、環境との相互作用を行う小型デバイスの中核をなします。その重要性は、医療技術、マイクロロボティクス、産業用センシングといった分野でますます高まっており、これらは従来の平面製造では設計の柔軟性と機能統合において限界に達している領域です。
Two-Photon Polymerization（2PP）は、オーバーハング構造や複雑な内部要素（コンプライアントメカニズムや刺激応答性の機能を含む）を持つ自由形状の3D部品を製作することで、こうした制約を克服します。これにより、機能性MEMSセンサ、精密な操作を可能にするマイクログリッパー、流体制御のための人工繊毛など、高度なアプリケーションが実現します。
マイクロメカニクスとMEMSのための設計自由度とサブミクロン精度
2PPが持つ形状自由度を基盤として、NanoscribeのQuantum Xシステムは機能性マイクロメカニカルデバイスおよびMEMSデバイスの精密な製作を可能にします。複雑な可動・駆動構造を、単一のプリントプロセスでモノリシック部品として製作できるため、アライメントの手間が減り、組み立て工程が不要になり、マイクロメカニクスおよびMEMSコンセプトの開発が加速します。Two-Photon Grayscale Lithography（2GL®）は、ボクセルチューニングにより2PPをさらに強化し、製作時間を短縮しながら形状精度を向上させます。自動アライメントと組み合わせることで、この技術は幅広い事前製作基板へのマイクロメカニカル部品のプリンティングを可能にします。
機能性マイクロメカニクスのための高解像度3Dプリンティング
Quantum Xの高解像度3Dプリンティング、精密なアライメント、効率化されたファブリケーションワークフローを組み合わせることで、高度なマイクロメカニクスおよびMEMSの開発に適したプラットフォームを提供します。
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品質を犠牲にしない高スループット：2GL®は、サブミクロン精度、優れた形状精度、滑らかな表面を備えたスプリング、ヒンジ、コンプライアントメカニズムなどの機能性3D微細構造を最速で製作します。
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プロトタイピングの加速：CADから部品への迅速なワークフローにより、マイクロメカニカル設計の高速なテストと最適化を実現します。
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プロトタイピングから量産まで：再現性の高いプロセスと短いサイクルタイムにより、研究開発から製造への効率的なスケールアップを支援します。
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既存MEMSプラットフォームへのシームレスな統合：サブミクロンの自動3Dアライメントにより、ウェハ、チップ、カンチレバー、マイクロ流路チャネル、事前製作されたMEMS部品へ直接プリントできます。
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空間制御による特性チューニング：単一のプリントフィールド内でソフトウェア制御によりプロセスパラメータを変化させることで、個々の要素レベルで機械的特性を局所的に調整できます。
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機能性MEMSのための材料・プロセスの柔軟性：MPaからGPaまでのヤング率をカバーする実証済みフォトレジストにより、弾性構造・剛性構造の両方に対応するほか、ALD、CVD、電気めっきなどの後処理により機械的・電気的特性を自在に調整できます。
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マルチマテリアル3Dプリンティング：複数の材料を組み合わせることで、光学的・機械的・電気的、あるいは応答性など、異種の機能特性を持つハイブリッド3Dマイクロ構造システムを製作できます。
よくある質問：マイクロメカニクス＆MEMSの3Dプリンティング
なぜマイクロメカニクスとMEMSにTwo-Photon Polymerizationが使われるのですか？
Two-Photon Polymerization（2PP）は、3D設計の自由度とサブミクロンの精度を兼ね備えているため、マイクロメカニクスとMEMSに適しています。これにより、平面製造だけでは実現が困難、あるいは不可能なマイクロシステムを製作できます。2PPの重要な強みは、コンプライアントメカニズム、フレクシャ、高アスペクト比アクチュエータといったモノリシックなフリーフォーム構造を、マイクロスケールで直接製作できる点です。さらに、2PPはカスタム材料や金属化・色素機能化などの後処理にも対応しており、受動・能動を問わずマイクロメカニクスおよびMEMS部品向けの強力なプラットフォームとなります。Nanoscribeの Two-Photon Grayscale Lithography（2GL®）は、4,000階調のグレースケール露光制御を導入することで、よりなめらかな形状、連続的な高さプロファイル、局所的に最適化された機械的挙動を実現し、マイクロメカニカルおよびMEMS製作をさらに向上させます。
機能性MEMSセンサを3Dマイクロファブリケーションで製作できますか？
はい。機能性MEMSセンサを、Two-Photon Polymerization（2PP）による3Dマイクロファブリケーションで製作できます。特にデバイス形状、少量カスタマイズ、迅速な設計イテレーションが重要な場合に有効です。例えば、ある学術論文では、例えば、ある学術論文では、2PPで製作した機能性3DプリントMEMS加速度センサーに金属蒸着を組み合わせ、ひずみゲージトランスデューサーを形成した事例が報告されています。この研究では、応答性、共振特性、経時安定性といった主要なセンサ機能が、3Dプリントされたマイクロシステムで実現可能であることが示されています。
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Micro 3D printing of a functional MEMS accelerometer
Two-Photon Polymerizationはどのように4Dマイクロアクチュエータを実現できますか？
Two-Photon Polymerizationは、光や電場などの外部刺激に応答して経時的に形状や機能を変化させるよう設計されたマイクロスケールの3D構造を製作することで、4Dマイクロアクチュエータを実現できます。例えば、ある研究では、プリント後の色素導入によって異なる可視波長に対する応答をプログラム可能な、光アドレス方式の液晶マイクロアクチュエータが示されており、波長選択的な駆動を可能にしています。この例は、2PPが静的なマイクロ構造にとどまらないことを示しています。すなわち、マイクロロボティクス、流体制御、アダプティブマイクロシステムなどに向けた応答性4Dマイクロアクチュエータの製作に必要な形状精度、材料適合性、設計自由度を提供します。
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A facile approach for 4D microprinting of multi-photoresponsive actuators
3D-printed low-voltage-driven ciliary hydrogel microactuators
Two-Photon Polymerizationは、どのようにして構造内の材料特性を局所的に調整できるのですか？
Two-Photon Polymerizationは、製作中に露光量を調整することで、3Dマイクロ構造内の個々の要素レベルで空間的に制御された特性チューニングを可能にします。これにより、単一の材料系から、隣接するビーム、ヒンジ、アクチュエータセグメントが同じ刺激に対して異なる応答を示すヘテロマイクロ構造を作り出すことができます。
全Quantum Xシステムで利用可能なnanoPrintXソフトウェアは、シーンプリンティング機能を提供し、単一のプリントフィールド内でプリンティングパラメータを変化させることで、その場で機械的特性を調整できます。
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Controlling the shape of 3D microstructures by temperature and light
Two-Photon PolymerizationはプロトタイピングやパイロットスケールのMEMS生産に適していますか？
はい。Two-Photon Polymerization（2PP）は、迅速なプロトタイピングとパイロットスケールのMEMS生産の両方に非常に適しています。特に設計が複雑であったり、アプリケーション固有であったり、従来の平面製造では経済的に実現が難しい場合に有効です。コンセプトから機能デバイスまでの迅速なイテレーションを可能にし、センサ、静電マイクロアクチュエータ、コンプライアントメカニズム、バイステーブル部品などのマイクロシステムのテストと最適化を容易にします。同時に、従来のMEMS製造に伴う多大なセットアップの手間をかけることなく、小中量の特殊なMEMSデバイスの生産をサポートします。Nanoscribeの Two-Photon Grayscale Lithography（2GL®）は、ボクセルチューニングによってこのワークフローをさらに強化し、優れた形状精度を持つ高解像度マイクロ構造をより高速にプリントします。これは、寸法精度とスループットが重要となる機械的機能性MEMS部品において特に有効です。
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Zemin Liu, Che Wang, Ziyu Ren, Chunxiang Wang, Wenkang Wang, Jongkuk Ko, Shanyuan Song, Chong Hong, Xi Chen, Hongguang Wang, Wenqi Hu, Metin Sitti
Max Planck Institute for Intelligent Systems, ETH Zürich, Koç University, Beihang University, Gachon University, The Hong Kong University of Science and Technology
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S. Pagliano, D. E. Marschner, D. Maillard, N. Ehrmann, G. Stemme, S. Braun, L. Guillermo Villanueva, F. Niklaus
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L. Hsu, P. Mainik, A. Münchinger, S. Lindenthal, T. Spratte, A. Welle, J. Zaumseil, C. Selhuber‐Unkel, M. Wegener, E. Blasco
Heidelberg University, Karlsruhe Institute of Technology (KIT)
Advanced Materials Technologies, 8, 2200801 (2023)