硅基光電子芯片實現(xiàn)的3D打印技術

逍遙設計自動化

引言3D打印技術已經(jīng)在各個行業(yè)中徹底改變了制造方式，從消費品到醫(yī)療領域都有廣泛應用。然而，目前的3D打印機依賴于龐大而復雜的機械系統(tǒng)，限制了其便攜性、外形尺寸和材料復雜性。本文將探討突破性的方法，結(jié)合了硅基光電子技術和光化學，創(chuàng)造出首個基于芯片的3D打印機[1]。
& K! S0 p7 N! Y* W, N# |
8 `. U0 ^. B' x0 w! h
4 T* ]; u2 Q0 \: H1 R$ f6 [基于芯片的3D打印概念傳統(tǒng)的3D打印方法，如熔融沉積成型（FDM）和光固化立體成型（SLA），都有各自的局限性。FDM雖然應用廣泛，但通常打印分辨率較低。SLA提供更高的分辨率，但需要龐大的機械系統(tǒng)來進行激光路由和平臺移動。
0 K1 g. ~/ @- W. Z  y2 Y3 P基于芯片的3D打印機概念應運而生。這種創(chuàng)新方法使用一個沒有任何移動部件的毫米級光電子芯片。該芯片向固定的樹脂槽中發(fā)射可重構(gòu)的可見光全息圖，實現(xiàn)非機械式3D打印。這種設計有望為下一代3D打印機提供高度緊湊、便攜和低成本的解決方案。
0 C1 a, _+ b# E1 w( a
/ b! ]% X8 a; I; Y+ c/ M1 q
圖1：對比了商業(yè)3D打印機（a）與提出的基于芯片的3D打印機概念（c）及其概念驗證實現(xiàn)（d），展示了尺寸和復雜性的顯著降低。

& U" }. y/ [6 O4 K  r基于芯片的3D打印機的關鍵組件1.硅基光電子芯片系統(tǒng)的核心是集成了可見光光學相控陣列的硅基光電子芯片。這種陣列可以在沒有任何機械部件的情況下發(fā)射和引導光束。
- o: |. I, t- \3 l. f1 n7 [4 V2.可見光固化樹脂使用了定制的三組分光系統(tǒng)樹脂，專為可見光波段的高效光固化而設計。這一點很重要，因為硅基光電子系統(tǒng)通常在紅外或可見光波段工作，傳統(tǒng)的紫外線固化樹脂不兼容。
; b1 o9 f  Z: X$ e3.液晶相移器系統(tǒng)使用基于液晶的相移器來實現(xiàn)非機械式光束引導。這個組件允許在沒有移動部件的情況下精確控制光束的方向。
/ O8 d7 T7 [7 U6 q7 m' t; [4 a9 _7 N概念驗證演示研究人員開發(fā)了受光固化立體成型技術啟發(fā)的基于芯片的3D打印機版本，以證明該概念的可行性。這個系統(tǒng)由一個可見光集成光學相控陣列組成，可以向裝有可見光固化樹脂的槽中發(fā)射和非機械式引導光束。
/ ^1 P# t" \9 f4 o+ g; }8 s6 r. B
8 _( G' ^7 P: F. B  \" v0 Y4 d圖2：展示了3D打印機集成光學相控陣列的架構(gòu)，包括液晶溝道、電極和天線等關鍵組件。
8 m# U$ n' L1 z, a% \
實驗設置和結(jié)果實驗設置涉及將制造和封裝好的3D打印機光電子芯片安裝在夾具上，上方放置一個支持液態(tài)樹脂槽的樣品臺。通過一根劈裂光纖，將來自芯片外二極管激光器的光路由到芯片上系統(tǒng)。
% {) A5 V6 j/ M, m+ c# o3 _1.光束形成研究人員首先表征了集成光學相控陣列發(fā)射的光束。光束的半功率全寬為0.4°×1.6°，與孔徑尺寸預期的光束大小非常接近。
# g4 B+ _  z, ^; D
圖3：顯示了可見光集成光學相控陣列發(fā)射的遠場輻射模式的測量結(jié)果，展示了主瓣和柵瓣。

6 N) W2 s; y7 p$ `0 A, l' W1 r/ c2.體素打印系統(tǒng)成功演示了在樹脂中打印單個體素（3D像素）的能力。研究人員通過測量體素大小隨固化時間的變化來表征固化速率。
/ ~: t- B1 `% v
& D; q0 m9 \, B) p圖4：左圖顯示了液態(tài)樹脂中3D打印的體素及分離后的照片。右圖展示了不同打印時間的體素測量尺寸，展示了體素形成隨時間的變化。
2 L! H9 U5 c9 P1 c% i. G6 i
3.非機械式光束引導這個系統(tǒng)的一個關鍵創(chuàng)新是能夠在沒有任何機械部件的情況下引導光束。通過在基于液晶的相移器上施加電壓，研究人員可以在±3.4 V范圍內(nèi)將光束引導最多7.2°。
  Q. E+ ^7 s/ N% P$ {. b
圖5：展示了當在基于液晶的相移器上施加不同峰值電壓的方波時，主瓣的電控光束引導效果。
0 \% b$ S/ d7 U5 ]* y$ w, c
" u$ Y2 Z6 k9 U$ s4.線條和圖案打印基于光束引導能力，研究人員演示了在二維平面上3D打印線條和任意圖案。

; ]: p0 F; J9 e5 {圖6：顯示了液態(tài)樹脂中3D打印的線條及分離后的照片。圖4c展示了使用基于芯片的打印機創(chuàng)建的3D打印MIT標志。
+ ~& r) D) {( @- M+ u( d  F& r
$ Z( W' F% J- k% z優(yōu)勢和未來的潛力基于芯片的3D打印方法相比傳統(tǒng)方法有幾個優(yōu)勢：1.緊湊尺寸：整個系統(tǒng)比傳統(tǒng)3D打印機小得多，可能實現(xiàn)手持設備。
2.無移動部件：使用非機械式光束引導消除了復雜機械系統(tǒng)的需求，減少了磨損和潛在故障點。
3.快速打印：系統(tǒng)展示了在幾秒鐘內(nèi)打印亞毫米級體素的能力。
4.更高分辨率的潛力：未來使用聚焦集成光學相控陣列的迭代可能實現(xiàn)微米級體素的打印，超過當前商業(yè)標準。
5.多功能性：系統(tǒng)可以適應各種可見光固化樹脂，為廣泛的材料和應用打開了可能性。
" t# v" d% j! q& |未來發(fā)展研究人員概述了推進這項技術的幾個步驟：1.設備實現(xiàn)基于波長的光束引導，以實現(xiàn)無機械部件的全3D控制。
7 }2 }# N( g' u8 e  C  E2.改造商業(yè)SLA打印機以集成基于芯片的系統(tǒng)，展示其作為現(xiàn)有光學系統(tǒng)替代品的潛力。
* D) u' @/ R/ I. ~3.開發(fā)聚焦集成光學相控陣列，實現(xiàn)高分辨率、完全非機械式的3D打印。
4.使用基于全息光學相控陣列像素的架構(gòu)創(chuàng)建真正的單次曝光體積3D打印系統(tǒng)。
0 i( s4 A. L) t2 q5.改進可見光固化樹脂，使其與全息3D打印兼容，可能使用雙光子吸收技術。
/ M. p6 ~- _. Q6 p2 }% k1 ?3 ]挑戰(zhàn)和考慮因素基于芯片的3D打印概念顯示出巨大的潛力，但仍有幾個挑戰(zhàn)需要解決：1.打印速度：目前的演示相對于商業(yè)打印機來說較慢。增加光功率和優(yōu)化樹脂可以提高打印速度。
2.打印尺寸：當前的光束引導范圍限制了打印對象的最大尺寸。減小天線間距可以增加光束引導范圍，實現(xiàn)更大尺寸的打印。
3.分辨率：雖然存在高分辨率的潛力，但在更大的打印范圍內(nèi)實現(xiàn)一致的微米級特征仍需進一步發(fā)展。
4.樹脂兼容性：開發(fā)更廣泛的具有各種材料特性的可見光固化樹脂，對擴展這項技術的應用重要。
5.多功能性：系統(tǒng)可以適應各種可見光固化樹脂，為廣泛的材料和應用打開了可能性。
結(jié)論硅基光電子芯片實現(xiàn)的3D打印機代表了增材制造技術的范式轉(zhuǎn)變。通過結(jié)合先進的光電子技術和新型光化學，這種方法有潛力創(chuàng)造高度緊湊、便攜和多功能的3D打印機。隨著技術的發(fā)展，我們可能很快就能看到可以放在手掌中的3D打印機。
" C, b6 L) S8 h& W" n6 C  `6 h參考文獻[1]S. Corsetti et al., "Silicon-photonics-enabled chip-based 3D printer," Light: Science & Applications, vol. 13, no. 1, p. 132, 2024, doi: 10.1038/s41377-024-01478-2

- END -

軟件申請我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請體驗免費版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
. ~, g! t$ d9 z. x點擊左下角"閱讀原文"馬上申請
! P6 S3 d& ^  b5 r) N0 Y* d+ S3 I
歡迎轉(zhuǎn)載

轉(zhuǎn)載請注明出處，請勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！
' W" E8 \% r" h! ]  n, y9 I



3 f( Z  {8 A6 i  u# L( y
! F  v8 L2 l6 o  u關注我們

# e2 ?) T6 Q1 D

+ t; [2 U" S" {4 ^# m! N, U , O2 b+ k8 ], g* x2 [6 X/ l- @

/ F* R) C& o9 k# T  y5 V& ]

                     
3 r( j/ U/ ~: p! i) s6 O9 L
' {  \- J) O- [1 H- t: _
9 \7 J/ o2 G: }' R9 _8 H
/ X2 j, [: Q* Y! D. Z+ Z' ?關于我們：
深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導體芯片設計自動化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設計和仿真軟件，提供成熟的設計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機電系統(tǒng)、超透鏡的設計與仿真。我們提供特色工藝的半導體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務，廣泛服務于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動特色工藝半導體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術與服務。
  Z9 L# ]& _, J& e/ _+ R" q2 {
# V6 ?$ r! l# n  x) q, R6 [' C. ohttp://www.latitudeda.com/
" `" r+ I7 J. @# Z$ U3 t0 L6 I（點擊上方名片關注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）