多材料3D打印軟壓力傳感器

供稿人:孟子捷 賀健康

相較于傳統(tǒng)制造技術(shù)，增材制造技術(shù)的設(shè)計(jì)和制造的靈活性使可伸縮和柔性傳感器的制造變得簡(jiǎn)單，推動(dòng)了可伸縮和柔性傳感器的發(fā)展和廣泛應(yīng)用。阿克隆大學(xué)的Jae-Won Choia教授等研究人員提出一種復(fù)合材料三維打印系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有三個(gè)打印頭，可實(shí)現(xiàn)可伸縮的軟壓力傳感器的制造。該傳感器使用基于離子液體(IL)的壓敏層，夾在碳納米管(CNT)柔性電極中并封裝在可伸縮的頂部和底部絕緣層里。研究者對(duì)傳感器材料進(jìn)行改性以滿(mǎn)足3D打印（擠出直寫(xiě)）的需求，結(jié)果顯示具有三種材料的多層傳感器的結(jié)構(gòu)可以被成功的打印，并保持良好的傳感功能。

過(guò)去在傳感器中實(shí)現(xiàn)可拉伸性的一個(gè)常見(jiàn)策略是使用具有導(dǎo)電填料的可拉伸聚合物作為功能成分。基于碳納米管(CNT)的壓阻傳感器是研究比較廣泛的傳感器之一；然而，它們的可靠性和可控性是有限的。最近在壓力傳感器領(lǐng)域，離子液體(ILs)作為一種新型功能材料，為可伸縮傳感器的研究開(kāi)辟了一條新的道路。ILs是一種在室溫或室溫附近溫度下呈液態(tài)的由離子構(gòu)成的物質(zhì)，具有很高的離子導(dǎo)電性、不揮發(fā)性、不可燃性和電化學(xué)穩(wěn)定性。雖然ILs已被用于制造各種傳感器件，但因?yàn)槠渫ǔＨ狈χ圃旌驮O(shè)計(jì)的靈活性，其應(yīng)用非常有限。Jae-Won Choia等研究人員將ILs加入預(yù)聚體基體中，通過(guò)聚合制備固態(tài)壓敏膜，得到了機(jī)械應(yīng)變下變化的高電阻IL/聚合物網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)可作為壓力傳感器的傳感元件。在該研究中他們采用碳納米管/聚合物復(fù)合材料作為導(dǎo)電電極，設(shè)計(jì)了如圖一所示的可拉伸壓力傳感器。

圖一 4-taxel傳感器的設(shè)計(jì)：(a)傳感器的三維模型；(b)傳感器的側(cè)視圖；(c)各層的爆炸圖
當(dāng)需要更大區(qū)域的壓力分析和/或需要定位施加的壓力位置時(shí)，可以使用multi-taxel傳感器，通過(guò)配置陣列的電極可以被定制不同分辨率與靈敏度的傳感器。為了驗(yàn)證所提出想法，研究人員通過(guò)多材料打印系統(tǒng)打印了一個(gè)4-taxel傳感器，如圖二(a)所示。傳感器被連接到外部電路，以便能夠同時(shí)從所有四個(gè)分類(lèi)單元收集數(shù)據(jù)。將外力手動(dòng)施加到taxel上，由此產(chǎn)生的傳感器響應(yīng)輸出如圖二(c)所示。對(duì)右上角taxel進(jìn)行施力使之發(fā)生變形的時(shí)候出現(xiàn)了ΔVout的峰值。

圖二 4-taxel傳感器：(a) 3D打印制造的傳感器。(b)對(duì)其中一個(gè)taxel單元施加壓力; (c) 在multi-taxel上輸出的ΔVout
該研究開(kāi)發(fā)了一種能夠打印功能材料的多材料3D打印系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基于IL的軟壓力傳感器的3D打印。這種傳感器能夠在具有復(fù)雜幾何形狀的自由曲面上制作，其靈活性和可拉伸性使其具有抗彎曲、彎曲和沖擊的性能，促進(jìn)3D打印軟電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用，并在可穿戴設(shè)備、智能技術(shù)、人機(jī)界面和假肢領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：
Emon, M.O.F., et al., Multi-material 3D printing of a soft pressure sensor. Additive Manufacturing, 2019. 28: p. 629-638.

供稿人:孟子捷 賀健康 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室