基於面投影微立體光刻3D列印技術的共形壓電傳感器設計與製造

2020-09-11 摩方材料

隨著柔性電子領域的快速發展和物聯網技術的普及，能夠用來監測人類生理指標（如心跳、脈搏、運動周期、血壓等）和機械運行狀態（如主軸跳動、機器人運動狀態感知等）信號的可穿戴電子器件逐漸應用到社會生活中。

可穿戴電子器件的共形設計和製造使其在電子皮膚、柔性傳感和人工智慧中具有潛在的應用前景。當前，大多數電子器件是利用光刻、壓印技術和電子束在矽表面進行製備。然而由於缺乏彎曲表面的加工工藝，要製備與複雜曲線表面（例如人體關節）共形的電子器件尤為困難。

面投影微立體光刻3D列印技術（PμSL）可快速製造並成型任意形狀和可設計的結構，為三維共形柔性電子器件的製造提供了靈活性和簡便性。然而，考慮到柔性材料的成型工藝與功能特性，傳統的製造工藝限制了功能材料的設計範圍，降低了微結構的設計與成型尺度，制約了功能器件的成型和性能提升的範圍。

圖1 論文工作的摘要圖

近日，西安交通大學機械工程學院陳小明、李寶童、邵金友教授等研究人員，從功能壓電納米複合材料的改性與壓電器件的微結構拓撲優化等兩方面出發，利用面投影微立體光刻3D列印技術（nanoArch S140，10μm精度，深圳摩方），通過設計並調節壓電氮化硼納米管材料（BNNTs）和光敏聚合物樹脂的界面相容性，結合拓撲優化微結構方法，實現了具有高靈敏度、寬響應，且結構可覆形的柔性壓電傳感器製造。

該研究以「3D printed piezoelectric BNNTs nanocomposites with tunable interface and microarchitectures for self-powered conformal sensors」為題發表在國際高水平期刊《Nano Energy》上，為高性能可穿戴柔性壓電傳感器件的設計與製造提供了新思路。


工作要點一：功能納米複合材料（BNNTs）的表面改性與材料製備，超低負載量（0.2wt%）的納米複合材料表現出出色的壓電性能：

圖2 功能納米複合材料（BNNTs）的設計、改性與表徵：

a）BNNTs表面功能化工藝；（b）原始BNNTs/功能化BNNTs和樹脂基體界面力學行為示意圖；（c）極化與未極化BNNTs等壓電輸出信號

為了提高壓電納米填料在有機聚合物溶液中的相容性和分散性，以及納米複合材料的壓電性能，通過用硝酸處理來實現納米管表面的氧化和羥基形成，在超聲處理下，官能化分子（TMSPM）與BNNT-OH表面的官能團嫁接，生成化學官能化的納米管（F-BNNTs）。同時，納米管上的丙烯酸酯基團顯著提高了BNNTs在聚合物基體溶液中的分散性及壓電輸出；實驗表明：相對於原始BNNTs，基於F-BNNTs的複合壓電聚合物的壓電輸出提高了140% （見圖2）。


工作要點二：結構拓撲優化顯著提高了複合材料的壓電性能，微結構的納米複合膜在較寬的響應區域上展現出高靈敏度；

課題組研究人員的前期研究工作表明，微結構化能顯著提升壓電器件的輸出信號（Small 13 (23), 1604245；Nano Energy 60, 701等）。因此為了實現器件電信號輸出的最大化，本文採用結構拓撲優化的方法優化壓電膜的微觀結構，並利用高精度面投影微立體光刻3D列印的微尺度加工能力，實現拓撲微結構的製造。數值模擬結果表明，微結構的引入能顯著提高壓電輸出，並且具有優化微結構（struct B-P 和struct C-P）的壓電薄膜能進一步提高信號輸出（見圖3）。

圖3 平面和微圖案化壓電薄膜的設計和仿真結果

通過微結構3D列印拓撲結構及壓電信號測試，表明F-BNNTs /樹脂複合膜的最大輸出電壓記錄為4.7 V，與原始的平面F-BNNTs壓電膜相比，輸出提高了4.3倍，比未官能化的BNNTs基複合膜高出10倍。這種顯著增強主要歸因於聚合物和壓電填料之間有效應力傳遞，以及複合膜的拓撲微結構設計。

圖4 （a-f）不同微結構壓電薄膜；（g）薄膜壓電輸出；（h）壓電微結構薄膜的壓電輸出實驗與仿真對比


工作要點三：基於PμSL技術實現共形壓電器件製造與應用；

與傳統的微加工方法相比，面投影微立體光刻3D列印技術在設計和製造具有複雜幾何形狀的共形電子器件上具有更大的靈活性，如圖5所示，曲面形狀和微結構的製造證實了功能材料在複雜表面上的非平面製造能力。

圖4 （a）面曝光3D列印原理；（b）微結構化的共形薄膜示意圖


可列印壓電材料被用於構造機器人手的智能觸覺應變傳感器。為了確保壓電器件在彎曲或不平坦表面上的功能性，根據機械手的表面設計了合適的3D模型，然後將共形器件列印並安裝到機械手不同的指骨上，通過建立應變感應電壓與特定手部姿勢的映射關係，手指上的應變傳感器陣列可為機械手提供觸覺感測的能力。


圖5（a–d）機械手上的共形應變傳感器可轉換不同的姿勢，例如鬆弛（a），抓取（b），吊勾（c）和託平（d）；（e）從託舉球到抓緊球的姿勢以及相應的電壓響應（f）。

如圖5所示，手指上的應變傳感器陣列可以使用14個壓電應變傳感器直接轉換手的姿勢，當用手握住不同結構的物體時，應變傳感器會記錄彎曲手指的不同輸出信號。從預定義的傳感器中獲得的針對這種姿勢的力的大小及其空間分布。3D列印的共形柔性壓電傳感器件可用於捕獲接觸區域上的力分布並監視機械手的不同運動，使其更能像人手一樣具備相關功能，在人機互動中應用。


本研究提出了一種面投影微立體光刻3D列印功能化納米複合材料實現功能器件製造的方法，並通過材料改性與微結構設計兩方面協同提升信號輸出。研究結果表明：在光固化聚合物樹脂中摻雜低負載量（0.2 wt％）的功能化氮化硼納米管，並進行微結構拓撲優化，可實現高性能壓電器件的製造。該方法製備的傳感器在智慧機器人、仿生電子皮膚、曲面結構件健康檢測與人機接口等領域有廣泛的應用前景。

論文連結：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285520308776

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