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硅基光電子芯片實現(xiàn)的3D打印技術(shù)

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發(fā)表于 2024-9-5 08:07:00 | 只看該作者 |只看大圖 回帖獎勵 |正序瀏覽 |閱讀模式
引言3D打印技術(shù)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(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。然而,目前的3D打印機依賴于龐大而復(fù)雜的機械系統(tǒng),限制了其便攜性、外形尺寸和材料復(fù)雜性。本文將探討突破性的方法,結(jié)合了硅基光電子技術(shù)和光化學,創(chuàng)造出首個基于芯片的3D打印機[1]。# J5 T$ k/ [! Y& H

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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(yīng)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。
+ i/ _( U7 }' u" w; V* M$ R+ s基于芯片的3D打印機概念應(yīng)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(shè)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。1 o/ p: I/ _# p

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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(fù)雜性的顯著降低。
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基于芯片的3D打印機的關(guān)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。
8 @0 V7 `- i7 U0 ~/ S6 X, r2.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(shè)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。% `8 ?* x4 N' L3 j, r
3.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。
9 H1 q; r! y+ p( w概念驗證演示研究人員開發(fā)了受光固化立體成型技術(shù)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。' [6 U% o6 D5 \- {% u) U
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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(guān)鍵組件。
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實驗設(shè)置和結(jié)果實驗設(shè)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)。/ w+ u$ Q. p2 e' H( @7 I2 ~
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(yù)期的光束大小非常接近。+ M; S1 A! Y/ d: o7 z  f4 f
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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。
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# A( r4 a$ Y; n0 r$ s2.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。# R- W) N) ?) e* Q- F( M; ^
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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。) n" [: l. s4 {" I
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3.非機械式光束引導這個系統(tǒng)的一個關(guān)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°。- k# v0 `2 @# t$ i; \1 T$ h
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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。# X2 q3 p# y5 _8 n/ B
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4.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。) z0 u- v* F: O9 |: B  {
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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。. N, }/ _' P# [7 W# I

' Y3 g- ^2 P4 R' J2 C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(shè)備。; v5 x2 G8 F$ M' q. ^7 \" L
2.無移動部件:使用非機械式光束引導消除了復(fù)雜機械系統(tǒng)的需求,減少了磨損和潛在故障點。
1 [# i8 q2 K/ }( |; e2 \6 X. b3.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。1 G# F1 n; P( f% p- V1 f
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。( [6 R" w2 ]8 H/ n
5.多功能性:系統(tǒng)可以適應(yīng)各種可見光固化樹脂,為廣泛的材料和應(yīng)用打開了可能性。0 I6 {" Y  H3 ]  L& o
未來發(fā)展研究人員概述了推進這項技術(shù)的幾個步驟:1.設(shè)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。- c2 k  v# I8 v2 e" F6 g$ e
2.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。8 T8 t& v) p" s4 L* u* `& U
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。
; E) t1 C" P2 n) @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)。
) l( K  m' }/ ]  H1 o6 [7 _2 ~5.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(shù)。! l4 Z( ?+ U% g
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 E, ]* n6 H8 x  s2.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。
' l$ ?7 v( J+ C, O0 ]9 g3 M3.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。
; m) t! i2 q& g9 s- S( ^# u# u4.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(shù)的應(yīng)用重要。9 E  ?- c7 q: z
5.多功能性:系統(tǒng)可以適應(yīng)各種可見光固化樹脂,為廣泛的材料和應(yīng)用打開了可能性。
$ \+ g8 D8 ^: f' v/ p- W3 f5 N8 h) _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(shù)的范式轉(zhuǎn)變。通過結(jié)合先進的光電子技術(shù)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(shù)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。
, M: m- ~4 N7 d. |  j- G$ L) Y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
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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(shè)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(shè)計和仿真軟件,提供成熟的設(shè)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(shè)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(wù),廣泛服務(wù)于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)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(shù)與服務(wù)。
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