圖為一款具有五個獨立PZT微執行器的代表性3D介觀結構。A）該系統的2D架構示意圖；B）通過受控雙軸壓縮屈曲組裝后的3D系統圖示；C）版圖擴展視圖；D）該3D架構的光學圖像；E）該3D架構的頂部和側面透視結構的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。其中，利用假色突出了電極（金色）和微執行器（藍色）；F）用顏色顯示應變的大小，表示有限元建模的結果。據麥姆斯咨詢介紹，MEMS技術在生物技術和高級工程領域的應用非常廣泛，由于它們在各類新興系統中的應用潛力，MEMS領域對材料科學和工程的研究興趣不斷增長。現有技術已經實現了細胞機械生物學、高精度質量傳感、微流控和能量收集等領域的應用。廣泛可期的應用還包括構建精確感應MEMS、模仿機械生物學原理的組織支架，以及支持寬帶寬上運行的能量收集應用等。目前，這類器件（微傳感器和MEMS）的制造借鑒了半導體產業的制造方法，例如2D光刻蝕，具有平面配置的機械和電子元件。

將2D MEMS器件擴展到3D結構，可以實現更廣泛的應用，已經成為非常活躍的研究領域。動態驅動，在BioMEMS（生物MEMS）、調制器和RF（射頻）開關的設計和開發中至關重要。薄膜壓電材料目前是制作執行器的基礎，以在微小的驅動電壓下，以緊湊/輕質的結構實現快速的切換。微尺度機械工程當前的研究焦點，是將這種壓電元件轉移到復雜的3D結構中。據麥姆斯咨詢報道，在最近的一項研究中，Xin Ning及其研究伙伴介紹了一種異構材料的誘導裝配和集成策略，以形成復雜的3D微尺度機械結構。這項研究結合了多個獨立的壓電薄膜執行器，用于實現振動激勵和精確控制。為了實現從2D到3D的轉變，他們將轉印作為一種材料集成方案，與結構屈曲相結合。其在平面或曲面上獲得的設計結果，包括從簡單的對稱版圖到復雜的分層配置。通過實驗和計算研究系統地揭示了選擇性激發目標振動模式的基本特征和性能，這些模式可以同時測量流體的粘度和密度。這為該技術在生物醫學工程領域的應用提供了巨大潛力。該研究成果已發表于Science Advances，可作為一種非常規的機械活動3D微結構的基礎，具有廣泛的先進應用。

科學家們采用了最先進的轉印方法，將超薄壓電薄膜和韌性金屬整合到聚合物層中，這些聚合物層經過光刻形成2D幾何形狀。受控機械屈曲將這些2D多功能材料結構轉變為具有明確定義的3D架構。首先使用有限元分析（FEA）對三維機械響應進行建模，以選擇結構拓撲和執行器位置，以進行具有位移和分布的受控動力學設計。在這項研究中，作者從形成2D前體結構開始，設計并組裝了這款3D機械活動微結構。該方法通過微加工和轉印工藝，集成了多種功能材料。該系統包括光固化環氧樹脂框架，具有作為機械執行器的PZT（鋯鈦酸鉛）圖案化薄膜，以及作為電極和電氣互聯的金（Au）。除了選定區域，系統采用聚酰亞胺（PI）層進行封裝。這些選定區域將3D結構與下面的彈性體結構結合，作為電探測的接觸部位。研究人員使用機械引導的壓縮屈曲過程，通過釋放下方彈性基底中的預應變，將2D前體轉變為最終的3D結構。光學和SEM圖像詳細說明了五個獨立PZT執行器的位置：一個位于結構中心，其它四個分布在支撐腿上。

通過結構屈曲組裝3D機械活動微結構

在該研究中進行的定量FEA，用于優化PZT和金屬層的位置，確保壓縮屈曲過程中的結構完整性。預測的3D轉變過程與實驗觀察結果一致。該研究中開發的用于制造活動微結構的方案，可實現各種獨特的3D微尺度架構。

復雜幾何版圖的改變，能夠形成獨特的3D微尺度架構。這種微架構包括復雜的幾何形狀，類似于帶有翅膀和四條腿的昆蟲。這些幾何形狀都是通過FEA計算出來的，并與實驗觀察非常匹配，證明了微加工工藝的精度。

上圖展示了具有集成PZT微執行器的多種微架構。A）由兩個PZT微執行器形成的橋結構；B）翅膀上帶有一對執行器的飛行結構；C）具有三個執行器的傾斜金字塔桁架結構；D）四腿桌面結構，每條腿上有一個執行器。

在該研究中設計的所有幾何形狀，都觀察研究了它們由PZT微執行器激勵的3D微結構的振動行為。這些PZT微執行器被策略性地放置在3D幾何形狀中所需要的區域，以控制3D結構的動態行為和共振模式。

策略放置的PZT微執行器激發的3D幾何形狀的振動模式

醫療和工業流體領域的潛在應用該研究中創建的3D設計策略，為微結構引入了兩種本質上不同且分離良好的共振模式。這些共振頻率能夠將粘度和流體密度的靈敏度分離為兩個單獨的可測量量。該研究中優化的3D微結構，能夠分別測量各種牛頓流體的粘度和密度。這與傳統的2D諧振器形成對比，傳統的2D諧振器以耦合的方式對流體的粘度和密度參數都很敏感，因此不能精確地區分這兩個參數。通常，為了精確測量高粘度流體的高頻振動和質量因子，需要使用多普勒振動計或精確校準的應變傳感器等復雜的實驗裝置，并且會帶來與之相伴的挑戰。而這款3D微結構提供了一種高精度的更簡單的方法。這款3D結構的整合測量能力，表明它們在研究醫療保健和工業領域復雜流體方面，具有廣泛的實用性。由于它們的適應性，這些3D結構可以作為內置傳感器集成到醫療器械的表面。例如，作者建議將這種3D微結構整合到心血管支架上，以精確測量支架環境中的血流動力學。

上圖展示了將3D結構集成到生物醫學器械，A）具有對應管1、2和3三個微結構的心血管支架；B）該3D微結構可以隨支架變形，穩定黏附適合于體內血液動力學測量

本研究展示了將功能強大的高性能壓電材料集成到復雜的3D結構中，實現了具有主動活動、高精度和可編程功能的特殊材料。研究中集成材料的普遍易得，可以促進3D MEMS及相關技術的發展，為多學科領域的先進傳感應用提供支持。