Nanoscribe公司的片上3D微型打印技术能够直接在PCB上创建光学和MEMS组件，以及电子和光学器件结构，从而实现支持光子集成电路（PIC）的开发。

对高速数据通信，无人驾驶飞行器和便携式医疗设备不断增长的需求，可以从Nanoscribe的新型直接激光写入增材制造技术中获益，而这些仅仅是这种新技术应用领域的一部分。该公司目前正在利用该技术生产光子和电子器件结构，以支持研究和工业中的广泛应用。纳米级的增材制造使得设计者和制造商能够避免用于创建电子/光子电路的一些传统工艺步骤。Nanoscribe的最高分辨率3D打印机可以直接在集成电路上打印和集成微观元件，例如用于光子电路应用的微透镜和用于MEMS执行器的可变形结构。

Nanoscribe GmbH（德国埃根斯泰因-列奥波德港）设计和制造用于纳米、微米和大尺寸应用的3D打印机，以及光刻胶和工艺解决方案。该公司最初是卡尔斯鲁厄理工学院（KIT，德国）的下属公司，现在已经服务于全球研究和工业市场。Nanoscribe因其技术获得了多个奖项和表彰，包括2014年Prism奖和2015年WTN奖。Nanoscribe也入选了2015年Deutscher Gründerpreis（德国创始人奖）竞赛的决赛。

Nanoscribe的突破性技术可以将具有复杂几何形状和特征尺寸（从几百纳米到几毫米）的最小物体，直接印刷在电子和光子制造中常见的很宽范围的材料之上。这些都可以在单次印刷步骤中实现，并且是以之前无法进行3D打印的规模来进行。

Nanoscribe的Photonic Professional GT系统采用双光子聚合法来印刷纳米级器件的特性。在该印刷工艺中，激光通过高数值孔径物镜沿着预先绘制的CAD设计，逐层在受控轨迹上曝光光敏树脂。打印的材料仅在激光聚焦点处固化，这允许实现甚至达到亚微米特征尺寸的各种3D结构类型。Nanoscribe系统的精密光学和先进的软件工具能够实现以极高的精度制造3D聚合物结构，从而使得增材制造的优势可用于微米加工和纳米加工，这里还包括完整的3D设计自由度和从CAD模型到最终部件的简单工作流程。该工艺支持快速设计迭代周期，从而在产品开发过程中节省时间和成本。此外，印刷表面的广泛选择现在也包括了预图案化的芯片，从而使得可以在高度集成的电路上添加三维微型功能部件。

Nanoscribe首次在光子芯片上印刷了一系列半球形微透镜（图1），以展示其独特的硬件和软件技术功能。微透镜是在光子芯片上预先图案化的光栅耦合器之上制造的（图2）。使用这种技术，微透镜阵列可以将光耦合到电路中。微光学器件是在一个印刷步骤中创建的，无需将完成的微光学器件机械地对准和安装到预先构造的微芯片中。

图1

图2

这种将元件直接制造到现有电路上的工艺，降低了设备的封装成本并节省了校准时间。此外，它避免了拾取和放置以及基于固化的固定程序。利用激光器的精度，3D微印刷还提供亚微米的精度和光学质量的表面，从而得以满足高性能微光学的要求。总而言之，这些优点使得该制造技术成为将微光学器件原位制造到PIC上的方法，对用于电信中的更高数据传输极具价值。

MEMS执行器上的3D打印微机械组件

3D微印刷还有利于新微机电系统（MEMS）致动器结构开发，包括用于医学成像和组织再生以及其他应用中。波士顿大学的Alice White教授利用Nanoscribe的最新微印刷技术直接在MEMS执行器上制作了可变形的蝴蝶结结构（图3）。由于它们的设计和3D几何形状，这些结构可以以特有的方式拉伸和弯曲，并以其他方式变形。变形可以通过施加低压的电流实现。

图3. 在Alice White教授的指导下，波士顿大学成功利用Nanoscribe的3D微印刷工艺，为正在进行的组织工程持续实验创建了可变形的光学和MEMS组件。

 “我们已经证明，将3D微印刷与MEMS致动器耦合，是生产适合特定需求的3D微机械系统的有效方式。Nanoscribe 3D打印机允许我们能够快速进行亚微米分辨率结构的原型设计，否则这些结构将无法通过单光子立体光刻或半导体代工厂常用的沉积和蚀刻工艺制造，“White教授说。

波士顿大学正在探索利用3D打印微结构进行组织工程实验，方法是动态驱动的可变形光学元件和微型“脚手架”。这项基础工作有希望找到更好的方法来恢复已经丢失或损坏的组织。

斯图加特大学的研究人员使用Nanoscribe Photonic Professional GT系统将具有不同焦距的微物镜镜头打印到了高分辨率CMOS芯片上。通过芯片上镜头产生的所有图像同时以电子方式读出，并处理成图像，其中心的分辨率有了显著提高。这种所谓的“凹形成像”对于生产采用传感器的摄像头非常有吸引力，这种传感器反映出了鹰眼的超宽视野，适合于如汽车或智能手机行业以及医疗领域等应用。

图4. CMOS芯片：将具有不同焦距的镜头堆叠打印在CMOS传感器上，进行所谓的“凹形成像”。（照片由斯图加特大学/PI 4提供）

该半球阵列（图5）演示了通过使用双光子聚合，可实现高的形状精度和光学平滑的表面。印刷的半球形微透镜具有优于1μm的形状精度和Ra优于10nm的表面粗糙度。固体负性光刻胶中写入了总尺寸为1平方厘米的阵列和高度为150μm的半球。通过硬件和软件组件的优化组合，可以在写入区域的整个面积上实现很高的精度，并且具有良好的一致性。

图5. 使用Photonic Professional GT直接制造具有陡坡和光滑表面的半球微透镜。

使用Nanoscribe系统，也可以制造衍射光学元件（DOE），该元件通常具有比折射光学器件小得多的特征尺寸。DOE可以设计用于折射光学系统难以实现的功能，例如在远场中产生几乎任意的光分布。通过Photonic Professional GT，功能性多层衍射光学元件可在10至20小时内直接图案化到玻璃基板上，从而能够实现快速原型设计和设计迭代。

图6. Nanoscribe系统也可以用于打印衍射光学元件（DOE）。

镍垫片

通过电铸从印刷聚合物结构制造镍垫片，可以解决快速和低成本生产微光学元件的挑战，允许标准复制技术如注入成型或热压用于随后的规模复制；纳米压印是另一种可行的复制途径。

图7. 通过3D打印聚合物母版（左）制做的镍垫片（右）。

总结

Nanoscribe的3D打印机Photonic Professional GT可以以增材和无需工具的方式，生成几乎任意的微观形状，同时具有光学表面的光滑。这有效地避免了机械工具所带来的限制，以及诸如减成加工，（灰度）光刻，光刻胶回流和湿法蚀刻等技术经常遇到的几何或工艺设计方面的 约束。

通过这种方式，人们可以实现高数值孔径微透镜的陡坡，具有高填充因子和可变曲率的阵列，以及更复杂的3D形状。通过使用这些形状的金属复制品，人们也有可能进行大规模的复制。