微型LEGO工艺涉及预制微/纳米材料的转印和热处理，以三维方式组装结构和器件，无需任何湿法或真空工艺。伊利诺伊香槟分校的机械工程系2019年在微型机械杂志（Micromachines）发表了一篇《Micro-LEGO for MEMS》回顾了Micro-LEGO微组装工艺以及其对MEMS行业的影响。微型LEGO的工艺组成部分，包括使用聚合物印章的转印、材料准备和连接，它被用于实现传统微制造难以达到的微机电系统（MEMS）应用，补充了现有的微制造和其他微组装方法。
根据摩尔定律，数字计算的集成电路（IC）和系统在过去几十年中通过微制造不断微型化，以实现改进的尺寸、重量和功耗（SWaP）。同时，几乎所有其他类型的设备和系统都通过采用从IC行业成功应用的批量制造技术，实现了微型化，从而在性能和成本方面获得了巨大机会。特别是，微机电系统（MEMS）代表了这种进化工程的努力，利用微制造使许多类型的传感器、执行器和系统得以缩小尺寸，同时通常提高了设备性能。例如，MEMS已经使机械开关、化学和物理传感器、显示镜和发电机微型化。
典型的MEMS微制造过程包括光刻以形成后续过程的掩膜层、物理和化学沉积以创建目标材料层，以及干法或湿法蚀刻以对沉积层进行图案化。这些基本过程通常会重复进行，直到最终设备结构完成。然而，这些微制造过程，特别是在单一基板上进行时，在材料和工艺兼容性、复杂几何形状和制造灵活性方面有各种限制。例如，在工艺序列早期形成的材料和结构应能在后续工艺条件（如腐蚀性蚀刻、高温和高真空环境）下生存或受到保护。此外，每次光刻通常涉及光刻胶旋涂，需要表面平坦形态，因此每次光刻通常需要某种平坦化或化学机械抛光。虽然也有其他光刻方法，包括用于极端形态表面的光刻胶电沉积，但它们通常需要复杂的工艺条件，如导电基板和带电溶液，与简单的旋涂相比。
由于微制造的这些限制特性，对于替代和补充方法有很大需求，微组装便是其中之一。由于微组装在材料方面相对中立，不同类型的材料和设备可以分别优化，然后按顺序或并行集成在一起，类似于宏观世界的装配线。常见的微组装技术大致分为三种不同的领域，包括（1）依赖能量最小化方法的自组装，（2）使用接触或非接触模式微操作器的机器人拾取和放置，以及（3）利用可逆粘附聚合物印章的转印方法。每个领域的方法在材料限制、产量、吞吐量和工艺灵活性方面都有其优缺点。
微型LEGO工艺主要基于转印工艺。转印工艺利用了弹性体印章和形状记忆聚合物的独特特性，以在不同的表面之间转移微纳米结构。与传统的MEMS制造方法相比，微型LEGO工艺的一个关键优势在于它可以在低温和常压下操作，这使得它适用于各种材料，包括那些在高温和高真空条件下不稳定的材料。
弹性体印章通常由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成，PDMS是一种广泛用于微纳制造的材料，具有优异的柔韧性和弹性。PDMS印章可以精确复制微纳结构，通过简单的接触和剥离过程将这些结构从一个表面转移到另一个表面。PDMS印章的制造过程相对简单，通常包括以下步骤：
- 制备一个具有目标微纳结构的模板（模具）。
- 在模板上浇注液态PDMS，并通过热固化形成弹性体印章。
- 将固化后的PDMS印章从模板上剥离，得到具有目标微纳结构的弹性体印章。
在微型LEGO工艺中，材料准备通常包括两个步骤：预处理和表面处理。预处理步骤旨在优化材料的表面特性，以便更好地适应后续的转印和连接过程。表面处理步骤则包括清洁、活化和功能化等过程，目的是提高材料表面的粘附性和相容性。
连接是微型LEGO工艺中的关键步骤，决定了最终组装结构的稳定性和功能性。常见的连接方法包括热压合、冷焊和化学键合。每种方法都有其独特的优缺点，选择合适的连接方法取决于具体的应用需求和材料特性。
微型LEGO在MEMS应用中的进展
微型传感器是MEMS技术的重要应用之一。通过微型LEGO工艺，可以将不同类型的传感器元件组装在一起，形成多功能传感器系统。例如，光学传感器和化学传感器可以集成在同一个芯片上，实现多种物理和化学参数的同时检测。
微型执行器在精密机械和生物医学工程中有广泛应用。利用微型LEGO工艺，可以将各种执行器元件组装在一起，形成复杂的微机械系统。例如，通过组装形状记忆合金和微电机，可以实现高精度的微型机械运动。
能量收集器是MEMS技术的另一个重要应用。通过微型LEGO工艺，可以组装不同类型的能量收集元件，形成高效的微型能量收集系统。例如，通过集成光伏电池和热电材料，可以同时利用太阳能和热能进行能量收集。
微型LEGO工艺是一种创新的微组装技术，具有在低温和常压下操作的优势，使其适用于多种材料和应用。通过转印工艺和弹性体印章，可以在不同表面之间高效转移微纳结构。微型LEGO工艺在MEMS应用中取得了一些进展，包括微型传感器、微型执行器和微型能量收集器。未来，随着工艺的不断改进和新材料的开发，微型LEGO工艺有望在更多领域获得应用和推广。
