科大團隊研發低成本多功能精密微型列印機　實現高速打印壓電薄膜

香港科技大學（科大）領導的研究團隊成功研發出一種微型列印機，其打印壓電薄膜的速度比現有技術快100倍，或可降低大批量製造應用壓電元件之各類微機電系統產品，如傳感器、可穿戴或植入式醫療儀器的成本。

相較市面上的微型列印機，這款微型列印機的成本更低。它利用靜電場力將墨水高速噴射到基板上，並精確、迅速地操作薄膜圖案成型。由於列印速度極快，結構尺寸精密控制水平高，該列印機能有效應對目前壓電元件大規模生產的挑戰。

壓電元件包括納米顆粒、薄膜和微圖案，在傳感、驅動、催化和能量收集等領域有廣泛應用。然而，因要在不同基板材料上精確控制元件結構和特徵尺寸的過程依然複雜且困難，所以至今為止大規模生產這些壓電元件仍然具有挑戰性。

由於對微機電系統、可穿戴/植入式電子產品、小型可攜設備和物聯網的需求不斷增加，壓電材料因其能將機械能和電能耦合在一起的特性而受到越來越多的關注。科大研究團隊最近開發了一種適用於壓電薄膜、微圖案和納米顆粒的超快多功能微型列印技術，為實現幾乎任何材料構成的3D零件的高速和大規模微製造，邁出了重要一步。

研究過程中，科大機械及航空航天工程學系副教授楊征保的團隊利用自主設計的多刺倒傘狀列印噴頭和相連接的高壓電源，構建了3D微型列印機主體。當足夠強大的靜電場作用到噴頭時，墨水會從每個刺尖噴射出來，就像雷暴天氣積雨雲中的雨滴尖端噴射出帶電液滴流一樣。

該列印機的打印速度比現有技術快100倍，並能像半導體光刻一樣高效地列印薄膜圖案，例如只需10分鐘，它就能在4英寸矽晶圓上製造出10微米厚的壓電薄膜，整個過程幾乎無製造廢料。這項突破性技術可製造出麥克風、臨床超聲探頭的壓電元件，以及可以用作製造薄膜太陽能電池板，並有望降低相關產品的生產成本。

楊教授表示：「團隊研發的微型列印機具有多種材料的列印能力，包括功能陶瓷、金屬納米顆粒、絕緣聚合物和生物分子。同時，它還可以以目前已知的最快速度打印具有商業薄膜壓電性能的元件。這種全新且低成本的精密列印機將為科學界和工業界帶來許多啟示，推動更多技術的發現和突破。」

團隊研發的微型列印機成本僅為6000港元，是目前市場上成本最低的選擇之一。該列印機已進入規模生產調試階段，團隊成員正在將其與卷對卷系統集成，以適應大規模生產需求。此外，他們正積極尋求潛在的商業合作夥伴，以進一步擴大市場影響力。

楊教授續稱：「目前一般的微製造技術無法快速且多功能地製造多樣化的壓電元件，也難以精確控制元件的尺寸、結構和功能。此外，製造微米特徵尺寸壓電元件所需的設備成本高且操作複雜，使得規模化生產變得困難。」

這項研究是由香港科技大學與香港城市大學合作完成，研究成果最近已在《自然-通訊》科學期刊發表。

（原文於2023年11月9日在EurekAlert刊登。）