基於(yu)面(mian)投(tou)影微(wei)立體光刻(ke)3D打印(yin)技術的(de)共形(xing)壓電傳(chuan)感(gan)器設計與制(zhi)造(zao)

隨著(zhe)柔(rou)性(xing)電子(zi)領域(yu)的(de)快(kuai)速(su)發(fa)展和物聯(lian)網(wang)技術的(de)普及，能夠用(yong)來監(jian)測(ce)人(ren)類(lei)生理(li)指標(biao)（如(ru)心(xin)跳、脈搏、運動周(zhou)期、血壓等(deng)）和機(ji)械運行(xing)狀(zhuang)態(tai)（如(ru)主(zhu)軸跳動、機器(qi)人(ren)運動狀態(tai)感(gan)知(zhi)等(deng)）信號的(de)可(ke)穿戴電子(zi)器件(jian)逐(zhu)漸應用(yong)到社會(hui)生(sheng)活中。

可穿(chuan)戴電子(zi)器件(jian)的(de)共形(xing)設計和(he)制(zhi)造(zao)使(shi)其在電子(zi)皮(pi)膚、柔(rou)性(xing)傳(chuan)感(gan)和人工智(zhi)能中具有潛在(zai)的(de)應(ying)用前景。當(dang)前(qian)，大(da)多數電子(zi)器件(jian)是利用光刻(ke)、壓印技術和(he)電子(zi)束在(zai)矽表(biao)面(mian)進(jin)行(xing)制(zhi)備。然而(er)由(you)於(yu)缺(que)乏(fa)彎曲(qu)表(biao)面(mian)的(de)加(jia)工工藝，要(yao)制(zhi)備與復雜(za)曲(qu)線(xian)表(biao)面(mian)（例(li)如(ru)人(ren)體關節）共形(xing)的(de)電子(zi)器件(jian)尤為(wei)困(kun)難。

面(mian)投(tou)影微(wei)立體光刻(ke)3D打印(yin)技術（PμSL）可(ke)快(kuai)速(su)制(zhi)造(zao)並(bing)成(cheng)型任意(yi)形(xing)狀和(he)可設(she)計的(de)結構，為(wei)三維共形(xing)柔(rou)性(xing)電子(zi)器件(jian)的(de)制(zhi)造(zao)提(ti)供了靈(ling)活性(xing)和(he)簡便性(xing)。然而(er)，考(kao)慮(lv)到柔(rou)性(xing)材料(liao)的(de)成(cheng)型工藝與功能特(te)性(xing)，傳(chuan)統的(de)制(zhi)造(zao)工(gong)藝限(xian)制(zhi)了功能材料(liao)的(de)設(she)計範(fan)圍(wei)，降(jiang)低(di)了(le)微(wei)結構的(de)設(she)計與成型尺度(du)，制(zhi)約(yue)了功(gong)能器件(jian)的(de)成(cheng)型和性(xing)能提升的(de)範(fan)圍。

圖1 論文(wen)工作(zuo)的(de)摘(zhai)要(yao)圖

近(jin)日，西安交(jiao)通大(da)學(xue)機(ji)械工程學(xue)院(yuan)陳小(xiao)明(ming)、李寶童、邵(shao)金(jin)友(you)教(jiao)授(shou)等(deng)研究人(ren)員，從功(gong)能壓電納米復合(he)材料(liao)的(de)改(gai)性與壓電器(qi)件(jian)的(de)微(wei)結構拓(tuo)撲(pu)優(you)化(hua)等(deng)兩(liang)方面(mian)出(chu)發(fa)，利用面(mian)投(tou)影微(wei)立體光刻(ke)3D打印(yin)技術（nanoArch S140，10μm精(jing)度(du)，深圳摩(mo)方），通過(guo)設計並(bing)調(tiao)節壓電氮(dan)化(hua)硼納米管(guan)材料(liao)（BNNTs）和光敏聚合(he)物樹脂的(de)界(jie)面(mian)相容性(xing)，結合(he)拓撲(pu)優(you)化(hua)微(wei)結構方法(fa)，實現(xian)了(le)具(ju)有高靈(ling)敏度(du)、寬響(xiang)應(ying)，且(qie)結構可(ke)覆(fu)形(xing)的(de)柔(rou)性(xing)壓電傳(chuan)感(gan)器制(zhi)造(zao)。

該研究以“3D printed piezoelectric BNNTs nanocomposites with tunable interface and microarchitectures for self-powered conformal sensors"為(wei)題發(fa)表(biao)在國(guo)際(ji)高水平期刊(kan)《Nano Energy》上(shang)，為(wei)高性能可穿(chuan)戴柔(rou)性(xing)壓電傳(chuan)感(gan)器件的(de)設(she)計與制(zhi)造(zao)提(ti)供了新思(si)路(lu)。

工作(zuo)要(yao)點壹：功(gong)能納米復合(he)材料(liao)（BNNTs）的(de)表(biao)面(mian)改(gai)性與材料(liao)制(zhi)備，超低(di)負載(zai)量(liang)（0.2wt%）的(de)納米復合(he)材料(liao)表(biao)現出(chu)出(chu)色(se)的(de)壓電性(xing)能：

圖2 功(gong)能納米復合(he)材料(liao)（BNNTs）的(de)設(she)計、改(gai)性(xing)與表(biao)征：

a）BNNTs表(biao)面(mian)功(gong)能化(hua)工(gong)藝；（b）原(yuan)始BNNTs/功能化(hua)BNNTs和(he)樹脂基體界(jie)面(mian)力(li)學(xue)行(xing)為(wei)示意圖；（c）極化(hua)與未(wei)極化(hua)BNNTs等(deng)壓電輸(shu)出(chu)信號

為(wei)了提高壓電納米填料(liao)在有機聚合(he)物溶(rong)液中的(de)相容性(xing)和(he)分(fen)散(san)性，以及(ji)納米復合(he)材料(liao)的(de)壓電性(xing)能，通過(guo)用硝酸處理(li)來實現(xian)納米管(guan)表(biao)面(mian)的(de)氧(yang)化(hua)和(he)羥(qiang)基形(xing)成，在(zai)超聲處(chu)理(li)下，官(guan)能化(hua)分(fen)子(zi)（TMSPM）與BNNT-OH表(biao)面(mian)的(de)官(guan)能團(tuan)嫁(jia)接，生(sheng)成(cheng)化(hua)學(xue)官(guan)能化(hua)的(de)納米管(guan)（F-BNNTs）。同(tong)時(shi)，納米管(guan)上的(de)丙(bing)烯(xi)酸酯(zhi)基團(tuan)顯(xian)著(zhe)提(ti)高(gao)了(le)BNNTs在聚合(he)物基體溶(rong)液中的(de)分(fen)散(san)性及(ji)壓電輸(shu)出(chu)；實驗表(biao)明(ming)：相對(dui)於(yu)原(yuan)始BNNTs，基於(yu)F-BNNTs的(de)復合(he)壓電聚合(he)物的(de)壓電輸(shu)出(chu)提(ti)高(gao)了(le)140% （見(jian)圖2）。

工(gong)作(zuo)要(yao)點二(er)：結構拓(tuo)撲(pu)優(you)化(hua)顯(xian)著(zhu)提高(gao)了復合(he)材料(liao)的(de)壓電性(xing)能，微(wei)結構的(de)納米復合(he)膜在(zai)較寬的(de)響(xiang)應區域上(shang)展現出(chu)高(gao)靈(ling)敏度(du)；

 課題(ti)組(zu)研究人(ren)員的(de)前(qian)期研究工(gong)作(zuo)表(biao)明(ming)，微(wei)結構化(hua)能顯著(zhu)提升壓電器(qi)件(jian)的(de)輸(shu)出(chu)信號（Small 13 (23), 1604245；Nano Energy 60, 701等(deng)）。因此為(wei)了實現(xian)器(qi)件(jian)電信號輸出(chu)的(de)最.大(da)化(hua)，本文(wen)采(cai)用結構拓(tuo)撲(pu)優(you)化(hua)的(de)方法(fa)優(you)化(hua)壓電膜的(de)微(wei)觀(guan)結構，並(bing)利用高精度(du)面(mian)投(tou)影微(wei)立體光刻(ke)3D打印(yin)的(de)微(wei)尺度(du)加工(gong)能力，實現(xian)拓(tuo)撲(pu)微(wei)結構的(de)制(zhi)造(zao)。數值模擬結果表(biao)明(ming)，微(wei)結構的(de)引(yin)入(ru)能顯著(zhu)提高壓電輸(shu)出(chu)，並(bing)且(qie)具(ju)有優化(hua)微(wei)結構（struct B-P 和(he)struct C-P）的(de)壓電薄(bo)膜能進(jin)壹(yi)步提(ti)高(gao)信號輸出(chu)（見(jian)圖3）。

圖(tu)3 平面(mian)和(he)微(wei)圖案化(hua)壓電薄(bo)膜的(de)設(she)計和(he)仿(fang)真結果

通過(guo)微(wei)結構3D打(da)印(yin)拓(tuo)撲(pu)結構及(ji)壓電信號測(ce)試，表(biao)明(ming)F-BNNTs /樹脂復合(he)膜的(de)最大(da)輸出(chu)電壓記錄為(wei)4.7 V，與原(yuan)始的(de)平面(mian)F-BNNTs壓電膜相比，輸出(chu)提(ti)高(gao)了(le)4.3倍，比未(wei)官能化(hua)的(de)BNNTs基復合(he)膜高(gao)出(chu)10倍。這種(zhong)顯(xian)著(zhu)增強主要(yao)歸因於(yu)聚合(he)物和(he)壓電填料(liao)之間(jian)有效應(ying)力傳(chuan)遞(di)，以及(ji)復合(he)膜的(de)拓(tuo)撲(pu)微(wei)結構設(she)計。

圖(tu)4 （a-f）不(bu)同(tong)微(wei)結構壓電薄(bo)膜；（g）薄(bo)膜壓電輸(shu)出(chu)；（h）壓電微(wei)結構薄(bo)膜的(de)壓電輸(shu)出(chu)實驗與仿(fang)真對(dui)比

工作(zuo)要(yao)點三：基於(yu)PμSL技(ji)術實現(xian)共形(xing)壓電器(qi)件(jian)制(zhi)造(zao)與應用(yong)；

與傳(chuan)統的(de)微(wei)加工方法(fa)相比，面(mian)投(tou)影微(wei)立體光刻(ke)3D打印(yin)技術在(zai)設(she)計和(he)制(zhi)造(zao)具(ju)有復雜(za)幾何形(xing)狀的(de)共形(xing)電子(zi)器件(jian)上具(ju)有更(geng)大(da)的(de)靈(ling)活性(xing)，如(ru)圖(tu)5所示，曲(qu)面(mian)形(xing)狀和(he)微(wei)結構的(de)制(zhi)造(zao)證(zheng)實了(le)功(gong)能材料(liao)在復雜(za)表(biao)面(mian)上(shang)的(de)非(fei)平面(mian)制(zhi)造(zao)能力。

圖(tu)4 （a）面(mian)曝(pu)光3D打印(yin)原(yuan)理(li)；（b）微(wei)結構化(hua)的(de)共形(xing)薄(bo)膜示(shi)意圖

可打(da)印(yin)壓電材料(liao)被用於(yu)構(gou)造(zao)機(ji)器人手的(de)智(zhi)能觸覺(jiao)應變(bian)傳(chuan)感(gan)器。為(wei)了確保(bao)壓電器(qi)件(jian)在(zai)彎曲(qu)或(huo)不平坦(tan)表(biao)面(mian)上(shang)的(de)功(gong)能性，根據機(ji)械手的(de)表(biao)面(mian)設(she)計了(le)合(he)適的(de)3D模型，然後將共形(xing)器件(jian)打印(yin)並(bing)安(an)裝(zhuang)到機械手不同(tong)的(de)指(zhi)骨上，通過(guo)建立應變(bian)感(gan)應電壓與特(te)定(ding)手部姿(zi)勢(shi)的(de)映射(she)關系，手指上的(de)應(ying)變(bian)傳(chuan)感(gan)器陣(zhen)列可(ke)為(wei)機械手提供觸覺(jiao)感(gan)測(ce)的(de)能力。

圖(tu)5（a–d）機械手上的(de)共形(xing)應變(bian)傳(chuan)感(gan)器可轉換(huan)不(bu)同(tong)的(de)姿(zi)勢(shi)，例如(ru)松(song)弛（a），抓(zhua)取（b），吊勾(gou)（c）和托(tuo)平（d）；（e）從托(tuo)舉(ju)球到抓(zhua)緊(jin)球的(de)姿(zi)勢(shi)以及(ji)相應的(de)電壓響應（f）。

如(ru)圖(tu)5所示，手指上的(de)應(ying)變(bian)傳(chuan)感(gan)器陣(zhen)列可(ke)以使(shi)用(yong)14個壓電應(ying)變(bian)傳(chuan)感(gan)器直接轉(zhuan)換(huan)手的(de)姿(zi)勢(shi)，當(dang)用(yong)手握住不同(tong)結構的(de)物(wu)體時(shi)，應變(bian)傳(chuan)感(gan)器會記錄(lu)彎曲(qu)手指的(de)不(bu)同(tong)輸出(chu)信號。從預(yu)定(ding)義(yi)的(de)傳(chuan)感(gan)器中獲(huo)得的(de)針(zhen)對(dui)這種(zhong)姿(zi)勢(shi)的(de)力(li)的(de)大(da)小(xiao)及(ji)其空間(jian)分(fen)布(bu)。3D打(da)印(yin)的(de)共形(xing)柔(rou)性(xing)壓電傳(chuan)感(gan)器件可用(yong)於(yu)捕(bu)獲(huo)接觸(chu)區域上的(de)力(li)分(fen)布(bu)並(bing)監(jian)視機(ji)械手的(de)不(bu)同(tong)運動，使其(qi)更(geng)能像人手壹樣具備(bei)相關功能，在人(ren)機交(jiao)互(hu)中應用(yong)。

本研究提(ti)出(chu)了(le)壹(yi)種(zhong)面(mian)投(tou)影微(wei)立體光刻(ke)3D打印(yin)功能化(hua)納米復合(he)材料(liao)實現(xian)功(gong)能器件(jian)制(zhi)造(zao)的(de)方法(fa)，並(bing)通過(guo)材料(liao)改性(xing)與微(wei)結構設(she)計兩(liang)方面(mian)協(xie)同(tong)提升信號輸出(chu)。研究結果表(biao)明(ming)：在光固化(hua)聚合(he)物樹脂中摻(chan)雜低(di)負載(zai)量(liang)（0.2 wt％）的(de)功(gong)能化(hua)氮(dan)化(hua)硼納米管(guan)，並(bing)進(jin)行(xing)微(wei)結構拓(tuo)撲(pu)優(you)化(hua)，可(ke)實現(xian)高(gao)性(xing)能壓電器(qi)件(jian)的(de)制(zhi)造(zao)。該方法(fa)制(zhi)備的(de)傳(chuan)感(gan)器在智(zhi)能機器(qi)人、仿(fang)生電子(zi)皮(pi)膚、曲(qu)面(mian)結構件(jian)健(jian)康(kang)檢測(ce)與人機(ji)接口(kou)等(deng)領域(yu)有廣泛的(de)應(ying)用前景。