Des chercheurs développent une micro-imprimante multifonctionnelle et peu coûteuse pour l’impression ultrarapide de matériaux piézoélectriques

Une équipe de recherche dirigée par l’Université des sciences et technologies de Hong Kong (HKUST) a développé une micro-imprimante capable d’imprimer des films piézoélectriques 100 fois plus rapidement pour la production de systèmes microélectromécaniques (MEMS) pour capteurs, dispositifs médicaux portables ou implantables, offrant la possibilité de réduire les coûts de production de masse.

La micro-imprimante, construite à un coût comparativement inférieur à celui des autres imprimantes du marché, utilise un champ électrostatique pour propulser des flux d’encre sur une plate-forme, permettant une manipulation efficace des motifs de films minces et une vitesse d’impression améliorée pour relever le défi de la production de masse et contrôle des structures et de la taille des éléments.

Les nanoparticules, les films et les motifs sont trois éléments piézoélectriques essentiels avec des applications répandues dans la détection, l’actionnement, la catalyse et la récupération d’énergie. La production de masse de ces éléments reste un défi à ce jour, car exercer un contrôle sur ces structures et tailles de caractéristiques sur divers substrats est un processus compliqué.

Au milieu de l’augmentation continue de la demande de MEMS, d’électronique portable/implantable, d’appareils portables miniaturisés et d’Internet des objets, la recherche de matériaux piézoélectriques, grâce à leur propriété intrinsèque de coupler l’énergie mécanique et électrique, est devenue une priorité et un intérêt pour de nombreuses personnes. .

Jusqu’à récemment, la nouvelle micro-imprimante développée par l’équipe de recherche du HKUST représentait une étape importante vers la microfabrication additive ultra-rapide et sur de grandes surfaces d’objets 3D avec pratiquement n’importe quelle composition et microstructure et fonctionnalité ajustées.

Dans leur expérience, l’équipe dirigée par le professeur Yang Zhengbao, professeur agrégé au département de génie mécanique et aérospatial de HKUST, a construit un mécanisme de micro-impression 3D utilisant un disque épineux connecté à une aiguille et à une alimentation électrique. Cette étude est un travail en collaboration avec la City University de Hong Kong. Leurs conclusions ont été publiées dans la revue Communication naturelle.

Une fois que l’équipe a créé un champ électrostatique suffisamment puissant pour servir de propulseur, des jets d’encre seraient alors projetés en cône sur une plate-forme, formant des micro-motifs, tout comme les jets de gouttelettes chargées sont éjectés des pointes des gouttes de pluie lors d’un orage. .

Grâce aux efforts de l’équipe, la vitesse de fabrication a été multipliée par 100, permettant une manipulation efficace de modèles de couches minces similaire à la lithographie des semi-conducteurs. Par exemple, un film PZT de 10 µm d’épaisseur sur une plaquette de Si de 4 pouces peut être fabriqué en seulement 10 minutes à l’aide de l’imprimante, avec un gaspillage de matériau minimal.

Cette technique révolutionnaire est applicable à la fabrication du composant piézoélectrique à l’intérieur des microphones, des sondes à ultrasons cliniques et des panneaux solaires à couches minces, dans le but de réduire le coût de production des produits associés.

“Notre micro-imprimante présente une capacité d’impression pour une large gamme de matériaux tels que la céramique diélectrique, les nanoparticules métalliques, les polymères isolants et les molécules biologiques”, a déclaré le professeur Yang.

« Il offre la vitesse la plus rapide parmi les techniques existantes pour les films piézoélectriques d’une épaisseur micrométrique, et les films PZT que nous avons produits démontrent d’excellentes propriétés piézoélectriques par rapport à ceux actuellement disponibles sur le marché. Ce nouveau modèle abordable d’impression de précision avec des caractéristiques mesurables à ~ 20 μm est va sûrement apporter des bénéfices à de nombreuses personnes dans le monde scientifique et conduire à de nombreuses percées que l’on croyait auparavant impossibles. »

Entre-temps, la micro-imprimante a atteint un stade où elle est prête pour une production à grande échelle, qui ne coûte que 6 000 HKD, l’une des options les moins coûteuses par rapport aux autres disponibles sur le marché.

L’équipe se concentre sur l’intégration de l’imprimante avec des systèmes de réception de substrat rouleau à rouleau pour permettre des applications commerciales potentielles. De plus, ils recherchent activement des collaborations avec des partenaires commerciaux pour renforcer davantage leur présence sur le marché.

“Les technologies de microfabrication actuelles ne permettent pas de fabriquer à grande vitesse et de manière polyvalente des éléments piézoélectriques diversifiés tout en permettant de contrôler leurs dimensions, leurs structures et leurs fonctionnalités”, a ajouté le professeur Yang. “De plus, le coût et la complexité des équipements de fabrication permettant de fabriquer des éléments micrométriques sont prohibitifs pour une production à grande échelle.”