フレキシブルマイクロシステムにおける3DプリントMEMSを用いたマイクロミラー制御

マイクロエレクトロメカニカルシステム（MEMS）は、小型性・高精度・電子システムへの集積能力から幅広い用途に活用されています。スマートフォン、タブレット、ゲームやVRアプリケーションの加速度センサー・ジャイロスコープ・磁気センサー、ウェアラブルデバイスのセンサーなど多くの用途に展開されています。多様な基板上で高い形状精度を持つ複雑なマイクロスケール設計が可能な2PPベースの3Dプリンティングは、多段階の組み立て工程を不要にし、MEMS製造のファーストチョイスとなっています。

ガラス基板やシリコンウェハなどの硬質基板へのプリンティングは比較的容易ですが、FPCBへのプリンティングは基板の柔軟性と非平坦な表面が大きな課題となります。ポリアミドと銅など異なる材料が異なる高さで存在し、界面の検出とバウンダリー層のプリンティングを困難にします。

フレキシブル回路基板上のMEMSアクチュエータの製作

フレキシブル基板へのマイクロアクチュエータ統合には、特に変形下での機能維持において多くの課題があります。カーネギーメロン大学の研究者 Sukjun Kim、Regan Kubicek、Sarah Bergbreiterは、NanoscribeのTwo-Photon Polymerization 3Dプリンティング技術を活用してこれらの課題に取り組みました。この革新的な手法により、市販のFPCBに静電マイクロアクチュエータを直接精密に製作することが可能になりました。その成果は、大幅な変形下でもアクチュエーション能力を維持する堅牢で高性能なフレキシブルマイクロシステムです。この能力はフレキシブルマイクロミラーアレイで特に顕著であり、アクチュエータが反射光の方向を変えるためにミラーの動きを精密に制御できます。製造プロセスに自動化3Dプリンティングを活用することで、大面積にわたって多数のマイクロミラーを迅速に製作・集積できます。本研究プロジェクトでは、3×9マイクロミラーアレイの実証に成功しています。

複雑基板上のアライメント3Dプリンティング

既存のトポグラフィと複数の材料（ポリアミドや銅など）を含む非標準的な基板であるFPCBへの3Dプリンティングは特に困難です。研究者たちは、フレキシブル基板の事前製作された非平面上にマイクロアクチュエータを3Dプリントする製作戦略を開発しました。特に、フォイル上の銅配線などの構造物による高さのばらつきを持つトポグラフィは課題でしたが、カスタマイズされたバッファ層で成功裏に克服されました。

異なる反射率はプリント対象表面の識別に課題をもたらします。また、MEMS構造体の確実な配置を保証するためにFPCB構造物の接着特性への対処も必要です。FPCBへの3DプリントマイクロアクチュエータとFPCBの電気的統合にも、手動アライメント3Dプリンティングと金属堆積ステップにおける高い精度が必要です。

フレキシブルマイクロシステムの応用

研究者たちは、高い精度と制御性を持つマイクロエレクトロメカニカルシステム（MEMS）のプラットフォームとして、FPCBが優れた適性を持つことを実証しました。これにより、全く新しい応用の世界への扉が開かれます。熱型や液晶エラストマーなど他のタイプのマイクロアクチュエータも統合可能であり、新しい容量型センシングアーキテクチャなどあらゆる種類の電気接続MEMSセンサーも同様に統合できます。組み込み金属層を通じたFPCBの統合能力を活用することで、オンボードエレクトロニクスを搭載した非拘束型フレキシブルマイクロシステムが、電力と制御の自律性を持つスマートフレキシブルマイクロシステムへの道を切り拓きます。

次世代3Dプリンティングの可能性

本研究プロジェクトにはNanoscribeのPhotonic Professional GT+が使用されました。これは高精度で実績ある成熟したマイクロファブリケーションシステムです。しかし、プロジェクトで説明された課題の多くは、次世代マイクロファブリケーションを用いることで、より迅速・スマート・高品質・高精度で解決できます。