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,，增材制造技術的設計和制造的靈活性使可伸縮和柔性傳感器的制造變得簡單,，推動了可伸縮和柔性傳感器的發(fā)展和廣泛應用,。阿克隆大學的Jae-Won Choia教授等研究人員提出一種復合材料三維打印系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有三個打印頭,，可實現(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,。研究者對傳感器材料進行改性以滿足3D打�,。〝D出直寫）的需求，結果顯示具有三種材料的多層傳感器的結構可以被成功的打印,，并保持良好的傳感功能,。

過去在傳感器中實現(xiàn)可拉伸性的一個常見策略是使用具有導電填料的可拉伸聚合物作為功能成分�,；�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)的由離子構成的物質,，具有很高的離子導電性、不揮發(fā)性,、不可燃性和電化學穩(wěn)定性,。雖然ILs已被用于制造各種傳感器件，但因為其通常缺乏制造和設計的靈活性,，其應用非常有限,。Jae-Won Choia等研究人員將ILs加入預聚體基體中，通過聚合制備固態(tài)壓敏膜,，得到了機械應變下變化的高電阻IL/聚合物網(wǎng)絡,。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/聚合物復合材料作為導電電極,，設計了如圖一所示的可拉伸壓力傳感器,。

圖一 4-taxel傳感器的設計：(a)傳感器的三維模型,；(b)傳感器的側視圖,；(c)各層的爆炸圖
當需要更大區(qū)域的壓力分析和/或需要定位施加的壓力位置時，可以使用multi-taxel傳感器,，通過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,。為了驗證所提出想法,，研究人員通過多材料打印系統(tǒng)打印了一個4-taxel傳感器，如圖二(a)所示,。傳感器被連接到外部電路,，以便能夠同時從所有四個分類單元收集數(shù)據(jù)。將外力手動施加到taxel上,，由此產(chǎn)生的傳感器響應輸出如圖二(c)所示,。對右上角taxel進行施力使之發(fā)生變形的時候出現(xiàn)了ΔVout的峰值。

圖二 4-taxel傳感器：(a) 3D打印制造的傳感器,。(b)對其中一個taxel單元施加壓力; (c) 在multi-taxel上輸出的ΔVout
該研究開發(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3D打印軟電子器件領域的應用,，并在可穿戴設備、智能技術,、人機界面和假肢領域具有廣泛的應用前景,。

參考文獻：
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：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室