基(ji)於面投(tou)影(ying)微(wei)立(li)體光(guang)刻(ke)3D打(da)印技(ji)術的共形(xing)壓(ya)電(dian)傳感器設(she)計(ji)和(he)制(zhi)造

隨(sui)著(zhe)柔(rou)性(xing)電子領域的快速發(fa)展(zhan)和(he)物(wu)聯(lian)網(wang)技(ji)術的普(pu)及，能(neng)夠(gou)用來(lai)監測(ce)人類生(sheng)理指標（如心跳(tiao)、脈搏(bo)、運(yun)動(dong)周期、血(xue)壓(ya)等(deng)）和(he)機(ji)械運(yun)行(xing)狀(zhuang)態（如主軸跳(tiao)動(dong)、機(ji)器人運(yun)動(dong)狀(zhuang)態感知(zhi)等(deng)）信號的可穿戴(dai)電子器(qi)件(jian)逐漸(jian)應(ying)用到社會生(sheng)活中(zhong)。

可穿戴(dai)電子器(qi)件(jian)的共形(xing)設計和(he)制(zhi)造使其在(zai)電子皮(pi)膚、柔(rou)性(xing)傳感和(he)人工智(zhi)能(neng)中(zhong)具有潛在的應(ying)用前(qian)景(jing)。當前，大(da)多數(shu)電(dian)子器(qi)件(jian)是利(li)用光(guang)刻(ke)、壓(ya)印(yin)技(ji)術和(he)電(dian)子束在(zai)矽(gui)表面進(jin)行(xing)制(zhi)備(bei)。然(ran)而(er)由(you)於缺(que)乏彎(wan)曲表面的加(jia)工(gong)工(gong)藝(yi)，要(yao)制(zhi)備(bei)與(yu)復(fu)雜曲(qu)線表面（例(li)如(ru)人體關節(jie)）共形(xing)的電子器(qi)件(jian)尤為困難(nan)。

面投(tou)影微(wei)立(li)體光(guang)刻(ke)3D打(da)印技(ji)術（PμSL）可快速制(zhi)造並(bing)成型(xing)任(ren)意形(xing)狀(zhuang)和(he)可(ke)設(she)計的結(jie)構，為三維(wei)共形(xing)柔(rou)性(xing)電子器(qi)件(jian)的制(zhi)造提(ti)供了靈活性(xing)和(he)簡(jian)便(bian)性(xing)。然而(er)，考慮到柔(rou)性(xing)材(cai)料的成型(xing)工(gong)藝與功(gong)能(neng)特(te)性(xing)，傳統(tong)的制(zhi)造工(gong)藝限(xian)制(zhi)了功(gong)能(neng)材(cai)料的設計範圍，降(jiang)低(di)了微(wei)結(jie)構的設計與(yu)成型(xing)尺(chi)度，制(zhi)約(yue)了功(gong)能(neng)器(qi)件(jian)的成型(xing)和(he)性(xing)能(neng)提(ti)升(sheng)的範圍。

圖(tu)1 論文(wen)工(gong)作(zuo)的摘要(yao)圖(tu)

近(jin)日(ri)，西(xi)安(an)交通(tong)大(da)學機(ji)械工(gong)程學院(yuan)陳(chen)小明、李(li)寶童、邵金(jin)友(you)教(jiao)授(shou)等(deng)研究(jiu)人員，從(cong)功(gong)能(neng)壓(ya)電(dian)納(na)米復(fu)合(he)材(cai)料的改性(xing)與壓(ya)電(dian)器(qi)件(jian)的微(wei)結(jie)構拓撲(pu)優化(hua)等(deng)兩(liang)方(fang)面(mian)出發(fa)，利(li)用面(mian)投(tou)影(ying)微(wei)立(li)體光(guang)刻(ke)3D打(da)印技(ji)術（nanoArch S140，10μm精度，深(shen)圳(zhen)摩方(fang)），通(tong)過(guo)設(she)計(ji)並(bing)調節壓(ya)電(dian)氮(dan)化(hua)硼(peng)納米(mi)管材(cai)料（BNNTs）和(he)光(guang)敏聚合(he)物樹脂(zhi)的界面(mian)相(xiang)容(rong)性(xing)，結(jie)合(he)拓撲(pu)優化(hua)微(wei)結(jie)構方法，實現(xian)了具有高靈(ling)敏度、寬響(xiang)應(ying)，且(qie)結(jie)構可覆形(xing)的柔(rou)性(xing)壓(ya)電(dian)傳感器制(zhi)造。

該(gai)研究(jiu)以(yi)“3D printed piezoelectric BNNTs nanocomposites with tunable interface and microarchitectures for self-powered conformal sensors"為題發(fa)表在國際(ji)高水(shui)平期刊(kan)《Nano Energy》上，為高性(xing)能(neng)可(ke)穿戴(dai)柔(rou)性(xing)壓(ya)電(dian)傳感器件(jian)的設計與(yu)制(zhi)造提(ti)供了新思路。

工作要(yao)點(dian)壹(yi)：功(gong)能(neng)納(na)米(mi)復(fu)合(he)材(cai)料（BNNTs）的表面改性(xing)與材(cai)料制(zhi)備(bei)，超(chao)低(di)負(fu)載量(liang)（0.2wt%）的納米復(fu)合(he)材(cai)料表現出出色(se)的壓(ya)電(dian)性(xing)能(neng)：

圖(tu)2 功(gong)能(neng)納(na)米(mi)復(fu)合(he)材(cai)料（BNNTs）的設計、改性(xing)與表征(zheng)：

a）BNNTs表面功(gong)能(neng)化(hua)工(gong)藝(yi)；（b）原始BNNTs/功(gong)能(neng)化(hua)BNNTs和(he)樹(shu)脂(zhi)基(ji)體界面(mian)力學行(xing)為示(shi)意圖(tu)；（c）極化(hua)與(yu)未極化(hua)BNNTs等(deng)壓(ya)電(dian)輸(shu)出信號

為了提(ti)高壓(ya)電(dian)納(na)米填(tian)料在(zai)有機聚合(he)物溶液(ye)中(zhong)的相(xiang)容(rong)性(xing)和(he)分(fen)散性(xing)，以(yi)及納(na)米(mi)復(fu)合(he)材(cai)料的壓(ya)電(dian)性(xing)能(neng)，通(tong)過(guo)用硝酸處(chu)理來(lai)實現(xian)納(na)米(mi)管表面的氧化和(he)羥(qiang)基(ji)形(xing)成，在超(chao)聲(sheng)處理(li)下(xia)，官能(neng)化(hua)分(fen)子（TMSPM）與(yu)BNNT-OH表面的官能(neng)團嫁接(jie)，生(sheng)成化學官能(neng)化(hua)的納米管（F-BNNTs）。同(tong)時，納(na)米管上(shang)的丙烯酸(suan)酯(zhi)基(ji)團顯(xian)著(zhe)提(ti)高了BNNTs在聚合(he)物基(ji)體溶液中(zhong)的分散性(xing)及壓(ya)電(dian)輸(shu)出；實(shi)驗表明：相(xiang)對(dui)於原始(shi)BNNTs，基(ji)於F-BNNTs的復(fu)合(he)壓(ya)電(dian)聚合(he)物的壓(ya)電(dian)輸(shu)出提(ti)高了140% （見(jian)圖(tu)2）。

工(gong)作(zuo)要(yao)點(dian)二(er)：結(jie)構拓撲(pu)優化(hua)顯(xian)著(zhu)提(ti)高了復(fu)合(he)材(cai)料的壓(ya)電(dian)性(xing)能(neng)，微(wei)結(jie)構的納米復(fu)合(he)膜在較(jiao)寬(kuan)的響(xiang)應(ying)區域上展(zhan)現出高靈(ling)敏度；

  課(ke)題組(zu)研究(jiu)人員的前期研(yan)究(jiu)工(gong)作表明，微(wei)結(jie)構化能(neng)顯(xian)著(zhu)提(ti)升(sheng)壓(ya)電(dian)器(qi)件(jian)的輸(shu)出信號（Small 13 (23), 1604245；Nano Energy 60, 701等(deng)）。因此(ci)為了實現器(qi)件(jian)電(dian)信號輸(shu)出的最(zui).大化(hua)，本文采用結(jie)構拓撲(pu)優化(hua)的方法優化(hua)壓(ya)電(dian)膜(mo)的微(wei)觀結(jie)構，並利(li)用高精(jing)度面投(tou)影(ying)微(wei)立(li)體光(guang)刻(ke)3D打(da)印的微(wei)尺(chi)度加(jia)工(gong)能(neng)力，實現拓撲(pu)微(wei)結(jie)構的制(zhi)造。數(shu)值(zhi)模(mo)擬(ni)結(jie)果(guo)表明，微(wei)結(jie)構的引(yin)入能(neng)顯(xian)著(zhu)提(ti)高壓(ya)電(dian)輸(shu)出，並(bing)且(qie)具有優化(hua)微(wei)結(jie)構（struct B-P 和(he)struct C-P）的壓(ya)電(dian)薄(bo)膜能(neng)進(jin)壹(yi)步(bu)提(ti)高信號輸(shu)出（見(jian)圖(tu)3）。

圖(tu)3 平(ping)面(mian)和(he)微(wei)圖(tu)案(an)化(hua)壓(ya)電(dian)薄(bo)膜的設計和(he)仿真結(jie)果(guo)

通(tong)過(guo)微(wei)結(jie)構3D打(da)印拓撲(pu)結(jie)構及壓(ya)電(dian)信號測試，表明F-BNNTs /樹(shu)脂(zhi)復(fu)合(he)膜的最(zui)大輸(shu)出電(dian)壓(ya)記錄(lu)為4.7 V，與原始的平面F-BNNTs壓(ya)電(dian)膜(mo)相(xiang)比(bi)，輸(shu)出提(ti)高了4.3倍(bei)，比(bi)未(wei)官能(neng)化(hua)的BNNTs基(ji)復(fu)合(he)膜高出10倍(bei)。這(zhe)種(zhong)顯(xian)著(zhu)增(zeng)強(qiang)主要(yao)歸(gui)因(yin)於(yu)聚合(he)物和(he)壓(ya)電(dian)填(tian)料之(zhi)間有(you)效應(ying)力傳遞(di)，以(yi)及復(fu)合(he)膜的拓撲(pu)微(wei)結(jie)構設計。

圖(tu)4 （a-f）不(bu)同(tong)微(wei)結(jie)構壓(ya)電(dian)薄(bo)膜；（g）薄膜(mo)壓(ya)電(dian)輸(shu)出；（h）壓(ya)電(dian)微(wei)結(jie)構薄膜的壓(ya)電(dian)輸(shu)出實(shi)驗與仿真對(dui)比

工作(zuo)要(yao)點(dian)三(san)：基(ji)於PμSL技(ji)術實現(xian)共形(xing)壓(ya)電(dian)器(qi)件(jian)制(zhi)造與(yu)應(ying)用；

與(yu)傳統(tong)的微(wei)加(jia)工(gong)方(fang)法(fa)相(xiang)比(bi)，面(mian)投(tou)影微(wei)立(li)體光(guang)刻(ke)3D打(da)印技(ji)術在設(she)計(ji)和(he)制(zhi)造具有復(fu)雜幾(ji)何(he)形(xing)狀(zhuang)的共形(xing)電子器(qi)件(jian)上(shang)具有更(geng)大的靈活性(xing)，如圖(tu)5所(suo)示(shi)，曲面(mian)形(xing)狀(zhuang)和(he)微(wei)結(jie)構的制(zhi)造證(zheng)實了功(gong)能(neng)材(cai)料在(zai)復(fu)雜表面上(shang)的非平面(mian)制(zhi)造能(neng)力。

圖(tu)4 （a）面(mian)曝(pu)光(guang)3D打(da)印原(yuan)理；（b）微(wei)結(jie)構化的共形(xing)薄膜示(shi)意圖(tu)

可(ke)打(da)印壓(ya)電(dian)材(cai)料被用於(yu)構造機(ji)器人手(shou)的智(zhi)能(neng)觸覺(jiao)應(ying)變(bian)傳感器。為了確保壓(ya)電(dian)器(qi)件(jian)在(zai)彎(wan)曲或(huo)不(bu)平坦(tan)表面上(shang)的功(gong)能(neng)性(xing)，根據(ju)機(ji)械手(shou)的表面設(she)計(ji)了合(he)適的3D模(mo)型(xing)，然(ran)後將共形(xing)器件(jian)打(da)印並(bing)安(an)裝(zhuang)到機(ji)械手(shou)不(bu)同(tong)的指骨上(shang)，通(tong)過(guo)建立應(ying)變(bian)感應(ying)電(dian)壓(ya)與(yu)特(te)定手(shou)部(bu)姿(zi)勢的映射關系，手(shou)指(zhi)上(shang)的應(ying)變(bian)傳感器陣(zhen)列(lie)可(ke)為機械手(shou)提(ti)供觸覺(jiao)感測的能(neng)力。

圖(tu)5（a–d）機(ji)械手(shou)上(shang)的共形(xing)應(ying)變(bian)傳感器可(ke)轉(zhuan)換不(bu)同(tong)的姿勢，例如(ru)松(song)弛（a），抓(zhua)取(qu)（b），吊(diao)勾(gou)（c）和(he)托(tuo)平（d）；（e）從(cong)托(tuo)舉球(qiu)到抓(zhua)緊(jin)球(qiu)的姿勢以(yi)及相(xiang)應(ying)的電壓(ya)響(xiang)應(ying)（f）。

如(ru)圖(tu)5所(suo)示(shi)，手(shou)指(zhi)上(shang)的應(ying)變(bian)傳感器陣(zhen)列(lie)可(ke)以(yi)使用14個(ge)壓(ya)電(dian)應(ying)變(bian)傳感器直(zhi)接(jie)轉換(huan)手(shou)的姿勢，當用手(shou)握(wo)住(zhu)不(bu)同(tong)結(jie)構的物體時，應(ying)變(bian)傳感器會記錄(lu)彎(wan)曲手(shou)指(zhi)的不(bu)同(tong)輸(shu)出信號。從預(yu)定(ding)義的傳感器中(zhong)獲(huo)得的針(zhen)對(dui)這(zhe)種(zhong)姿(zi)勢的力的大小及其空(kong)間分(fen)布。3D打(da)印的共形(xing)柔(rou)性(xing)壓(ya)電(dian)傳感器件(jian)可(ke)用於(yu)捕獲(huo)接(jie)觸區域上的力分布並監視機(ji)械手(shou)的不(bu)同(tong)運(yun)動(dong)，使其更(geng)能(neng)像(xiang)人手(shou)壹(yi)樣(yang)具備相(xiang)關功(gong)能(neng)，在(zai)人機交互(hu)中(zhong)應(ying)用。

本研究(jiu)提(ti)出了壹種面(mian)投(tou)影(ying)微(wei)立(li)體光(guang)刻(ke)3D打(da)印功(gong)能(neng)化(hua)納(na)米(mi)復(fu)合(he)材(cai)料實(shi)現功(gong)能(neng)器(qi)件(jian)制(zhi)造的方法，並(bing)通(tong)過(guo)材(cai)料改性(xing)與微(wei)結(jie)構設計兩(liang)方(fang)面(mian)協同(tong)提(ti)升(sheng)信號輸(shu)出。研(yan)究(jiu)結(jie)果(guo)表明：在(zai)光(guang)固化聚合(he)物樹脂(zhi)中(zhong)摻雜(za)低(di)負(fu)載量(liang)（0.2 wt％）的功(gong)能(neng)化(hua)氮(dan)化(hua)硼(peng)納米(mi)管，並(bing)進行(xing)微(wei)結(jie)構拓撲(pu)優化(hua)，可實現(xian)高性(xing)能(neng)壓(ya)電(dian)器(qi)件(jian)的制(zhi)造。該(gai)方法(fa)制(zhi)備(bei)的傳感器在(zai)智(zhi)能(neng)機(ji)器(qi)人、仿生(sheng)電子皮(pi)膚、曲面(mian)結(jie)構件(jian)健康檢測(ce)與人機接(jie)口(kou)等(deng)領域有廣泛(fan)的應(ying)用前(qian)景(jing)。

論文(wen)鏈(lian)接(jie)：
https://www.sciencedirect。。ｃｏｍ/science/article/abs/pii/S2211285520308776