基於(yu)面(mian)投影微立體光刻3D打(da)印技(ji)術共(gong)形壓電(dian)傳感(gan)器(qi)設(she)計與制(zhi)造(zao)

隨(sui)著柔性電子領域的快(kuai)速(su)發(fa)展和物(wu)聯網技(ji)術(shu)的普及(ji)，能(neng)夠(gou)用來(lai)監(jian)測人類(lei)生(sheng)理指(zhi)標（如心(xin)跳(tiao)、脈搏(bo)、運(yun)動(dong)周期(qi)、血(xue)壓等(deng)）和機(ji)械運(yun)行(xing)狀態（如主軸跳(tiao)動、機(ji)器人運(yun)動(dong)狀態感(gan)知(zhi)等(deng)）信號的(de)可(ke)穿戴(dai)電子器件逐(zhu)漸(jian)應(ying)用到(dao)社(she)會生(sheng)活(huo)中(zhong)。

可(ke)穿戴(dai)電子器件的(de)共(gong)形設(she)計和制造使其在電(dian)子皮膚、柔(rou)性傳感(gan)和人工智(zhi)能中(zhong)具(ju)有(you)潛(qian)在(zai)的(de)應(ying)用前景(jing)。當前，大(da)多(duo)數(shu)電(dian)子器件是(shi)利(li)用光(guang)刻、壓印(yin)技術(shu)和電子束在矽(gui)表(biao)面進(jin)行制(zhi)備(bei)。然(ran)而(er)由(you)於缺乏(fa)彎曲表(biao)面的加工工藝，要(yao)制(zhi)備(bei)與(yu)復(fu)雜(za)曲線表(biao)面（例如人體關(guan)節(jie)）共(gong)形的(de)電子器件尤(you)為(wei)困難。

面投(tou)影微立體光刻3D打(da)印技(ji)術（PμSL）可(ke)快(kuai)速(su)制(zhi)造(zao)並(bing)成(cheng)型(xing)任(ren)意(yi)形狀和可(ke)設(she)計的結(jie)構(gou)，為(wei)三維共(gong)形柔(rou)性電子器件的(de)制造(zao)提(ti)供了(le)靈活(huo)性和簡便性。然(ran)而(er)，考(kao)慮到(dao)柔(rou)性材料(liao)的成(cheng)型(xing)工藝與功能(neng)特(te)性，傳統(tong)的(de)制造工藝限制(zhi)了(le)功能(neng)材(cai)料(liao)的設(she)計範圍(wei)，降(jiang)低了微結(jie)構(gou)的設(she)計與成(cheng)型(xing)尺(chi)度(du)，制(zhi)約了(le)功能(neng)器(qi)件的(de)成(cheng)型(xing)和性能提(ti)升(sheng)的範(fan)圍。

圖(tu)1 論(lun)文(wen)工作(zuo)的(de)摘要(yao)圖(tu)

近(jin)日，西安交通大(da)學機(ji)械工程(cheng)學院陳小(xiao)明、李(li)寶(bao)童(tong)、邵(shao)金(jin)友(you)教授等(deng)研(yan)究(jiu)人員，從(cong)功能(neng)壓電(dian)納米(mi)復(fu)合材(cai)料(liao)的改(gai)性與壓電(dian)器件的(de)微結(jie)構(gou)拓(tuo)撲優化等(deng)兩(liang)方(fang)面出(chu)發(fa)，利(li)用面(mian)投影微(wei)立體光刻3D打(da)印技(ji)術（nanoArch S140，10μm精(jing)度(du)，深(shen)圳(zhen)摩方(fang)），通過設(she)計並(bing)調節(jie)壓電(dian)氮化硼納米(mi)管材料(liao)（BNNTs）和光敏(min)聚合物(wu)樹脂的界(jie)面(mian)相容性，結合拓(tuo)撲優化微結(jie)構(gou)方法，實現了具(ju)有(you)高(gao)靈敏(min)度、寬(kuan)響應(ying)，且結(jie)構(gou)可(ke)覆(fu)形的(de)柔(rou)性壓電(dian)傳感(gan)器(qi)制(zhi)造(zao)。

該(gai)研(yan)究(jiu)以“3D printed piezoelectric BNNTs nanocomposites with tunable interface and microarchitectures for self-powered conformal sensors"為(wei)題發(fa)表(biao)在國際高(gao)水平期(qi)刊(kan)《Nano Energy》上，為(wei)高(gao)性能可(ke)穿戴(dai)柔性壓電(dian)傳感(gan)器(qi)件的(de)設(she)計與制(zhi)造(zao)提(ti)供了(le)新(xin)思(si)路。

工作(zuo)要(yao)點(dian)壹：功能(neng)納(na)米復(fu)合材(cai)料(liao)（BNNTs）的表(biao)面改性與材(cai)料(liao)制備(bei)，超(chao)低負載量(liang)（0.2wt%）的(de)納米復(fu)合材(cai)料(liao)表(biao)現出(chu)出(chu)色的壓電(dian)性能：

圖(tu)2 功能(neng)納(na)米復(fu)合材(cai)料(liao)（BNNTs）的設(she)計、改性與表(biao)征(zheng)：

a）BNNTs表(biao)面功能(neng)化(hua)工藝；（b）原(yuan)始BNNTs/功能(neng)化(hua)BNNTs和樹脂基體界面力(li)學行為(wei)示意圖(tu)；（c）極(ji)化(hua)與(yu)未極(ji)化(hua)BNNTs等(deng)壓電(dian)輸(shu)出(chu)信號

為(wei)了提(ti)高(gao)壓電(dian)納米(mi)填(tian)料(liao)在有(you)機(ji)聚合物(wu)溶液中(zhong)的(de)相容性和分(fen)散(san)性，以及(ji)納(na)米(mi)復(fu)合材(cai)料(liao)的壓電(dian)性能，通過用硝酸(suan)處(chu)理來實現納米(mi)管表(biao)面的氧化和羥基形成(cheng)，在超(chao)聲處(chu)理下，官(guan)能化(hua)分(fen)子（TMSPM）與BNNT-OH表(biao)面的官(guan)能(neng)團嫁(jia)接(jie)，生(sheng)成(cheng)化學官能化的(de)納(na)米(mi)管（F-BNNTs）。同時，納米(mi)管上的(de)丙烯酸(suan)酯(zhi)基(ji)團顯(xian)著(zhe)提(ti)高(gao)了(le)BNNTs在(zai)聚(ju)合物(wu)基(ji)體溶液中(zhong)的(de)分(fen)散(san)性及(ji)壓電(dian)輸(shu)出(chu)；實(shi)驗(yan)表(biao)明：相對(dui)於原(yuan)始BNNTs，基(ji)於(yu)F-BNNTs的(de)復(fu)合壓電(dian)聚合物(wu)的(de)壓電(dian)輸(shu)出(chu)提(ti)高(gao)了(le)140% （見圖(tu)2）。

工作(zuo)要(yao)點(dian)二(er)：結(jie)構(gou)拓(tuo)撲優化顯(xian)著(zhu)提(ti)高(gao)了(le)復(fu)合材(cai)料(liao)的壓電(dian)性能，微(wei)結(jie)構(gou)的納米復(fu)合膜在較寬(kuan)的(de)響應(ying)區域上展(zhan)現出(chu)高(gao)靈敏(min)度；

  課題組(zu)研(yan)究人員的(de)前期(qi)研究(jiu)工作(zuo)表(biao)明，微結(jie)構(gou)化能顯(xian)著(zhu)提(ti)升(sheng)壓電(dian)器件的(de)輸(shu)出(chu)信號（Small 13 (23), 1604245；Nano Energy 60, 701等(deng)）。因(yin)此(ci)為(wei)了實現器(qi)件電(dian)信號輸(shu)出(chu)的(de)最(zui).大(da).化(hua)，本(ben)文(wen)采用結(jie)構(gou)拓(tuo)撲優化的方(fang)法優化壓電(dian)膜的微觀結構(gou)，並(bing)利(li)用高(gao)精(jing)度(du)面(mian)投影微立體光刻3D打(da)印的(de)微尺(chi)度(du)加工能力，實現(xian)拓(tuo)撲微結構(gou)的制造。數(shu)值(zhi)模擬(ni)結(jie)果表(biao)明，微結(jie)構(gou)的引入(ru)能顯(xian)著(zhu)提(ti)高(gao)壓電(dian)輸(shu)出(chu)，並(bing)且具(ju)有(you)優化微結(jie)構(gou)（struct B-P 和struct C-P）的壓電(dian)薄膜能進(jin)壹步提(ti)高(gao)信號輸(shu)出(chu)（見圖(tu)3）。

圖(tu)3 平面(mian)和微圖(tu)案(an)化(hua)壓電(dian)薄膜的設(she)計和仿真結果

通過微(wei)結(jie)構(gou)3D打(da)印拓(tuo)撲結構(gou)及(ji)壓電(dian)信號測試(shi)，表(biao)明F-BNNTs /樹脂復(fu)合膜的最大(da)輸(shu)出(chu)電(dian)壓記錄(lu)為(wei)4.7 V，與原(yuan)始的(de)平面(mian)F-BNNTs壓電(dian)膜相比(bi)，輸(shu)出(chu)提(ti)高(gao)了(le)4.3倍(bei)，比(bi)未官(guan)能化的BNNTs基復(fu)合膜高(gao)出(chu)10倍(bei)。這(zhe)種顯(xian)著(zhu)增強(qiang)主要(yao)歸(gui)因(yin)於(yu)聚合物(wu)和壓電(dian)填料(liao)之間(jian)有(you)效應(ying)力傳遞(di)，以及(ji)復(fu)合膜的拓(tuo)撲微結構(gou)設(she)計。

圖(tu)4 （a-f）不同微(wei)結(jie)構(gou)壓電(dian)薄膜；（g）薄膜壓電(dian)輸(shu)出(chu)；（h）壓電(dian)微結(jie)構(gou)薄膜的壓電(dian)輸(shu)出(chu)實(shi)驗(yan)與(yu)仿真對(dui)比(bi)

工作(zuo)要(yao)點(dian)三(san)：基(ji)於(yu)PμSL技術實現(xian)共(gong)形壓電(dian)器件制(zhi)造與(yu)應(ying)用；

與(yu)傳統的(de)微(wei)加工方法相比(bi)，面投(tou)影微立體光刻3D打(da)印技(ji)術在(zai)設(she)計和制造具有(you)復(fu)雜(za)幾何形狀的共(gong)形電(dian)子器件上具(ju)有(you)更(geng)大(da)的(de)靈活(huo)性，如圖(tu)5所(suo)示(shi)，曲面形(xing)狀和微結構(gou)的制造證(zheng)實(shi)了功能(neng)材(cai)料(liao)在復(fu)雜(za)表(biao)面上的(de)非平面(mian)制(zhi)造(zao)能力。

圖(tu)4 （a）面(mian)曝(pu)光(guang)3D打(da)印原(yuan)理；（b）微結構(gou)化的共(gong)形薄膜示意圖(tu)

可(ke)打(da)印壓電(dian)材料(liao)被用於(yu)構(gou)造機(ji)器人手的(de)智(zhi)能觸(chu)覺應(ying)變(bian)傳感(gan)器(qi)。為(wei)了確(que)保壓電(dian)器件在(zai)彎曲或不平坦(tan)表(biao)面上的(de)功能(neng)性，根(gen)據機(ji)械手(shou)的(de)表(biao)面設(she)計了合適(shi)的3D模型(xing)，然(ran)後將(jiang)共(gong)形器(qi)件打(da)印並(bing)安裝(zhuang)到(dao)機(ji)械手(shou)不同的(de)指(zhi)骨上，通過建(jian)立應(ying)變(bian)感(gan)應(ying)電壓與(yu)特定手(shou)部(bu)姿(zi)勢的(de)映(ying)射(she)關(guan)系，手指(zhi)上的(de)應(ying)變(bian)傳感(gan)器(qi)陣(zhen)列(lie)可(ke)為(wei)機(ji)械手(shou)提(ti)供觸(chu)覺感(gan)測的(de)能(neng)力。

圖(tu)5（a–d）機(ji)械手(shou)上的(de)共(gong)形應(ying)變(bian)傳感(gan)器(qi)可(ke)轉(zhuan)換(huan)不同的(de)姿(zi)勢，例(li)如松(song)弛(chi)（a），抓(zhua)取(qu)（b），吊勾(gou)（c）和托平（d）；（e）從(cong)托舉(ju)球(qiu)到(dao)抓(zhua)緊球的(de)姿(zi)勢以及(ji)相(xiang)應(ying)的電壓響應(ying)（f）。

如圖(tu)5所(suo)示(shi)，手(shou)指(zhi)上的(de)應(ying)變(bian)傳感(gan)器(qi)陣(zhen)列(lie)可(ke)以使用14個(ge)壓電(dian)應(ying)變(bian)傳感(gan)器(qi)直(zhi)接(jie)轉(zhuan)換(huan)手的(de)姿(zi)勢，當(dang)用手(shou)握住不同結(jie)構(gou)的物(wu)體時，應(ying)變(bian)傳感(gan)器(qi)會(hui)記錄(lu)彎曲手指(zhi)的不同輸(shu)出(chu)信號。從(cong)預定義(yi)的(de)傳感(gan)器(qi)中(zhong)獲(huo)得的(de)針對(dui)這種姿(zi)勢的(de)力(li)的(de)大(da)小(xiao)及(ji)其空間(jian)分(fen)布(bu)。3D打(da)印的(de)共(gong)形柔(rou)性壓電(dian)傳感(gan)器(qi)件可(ke)用於(yu)捕獲(huo)接(jie)觸(chu)區域上的(de)力分(fen)布(bu)並(bing)監(jian)視(shi)機(ji)械手(shou)的(de)不同運(yun)動(dong)，使其更能(neng)像人手壹樣(yang)具備(bei)相(xiang)關(guan)功能(neng)，在(zai)人機(ji)交互中(zhong)應(ying)用。

本(ben)研究提(ti)出(chu)了(le)壹種面(mian)投影(ying)微(wei)立體光刻3D打(da)印功能(neng)化(hua)納米(mi)復(fu)合材(cai)料(liao)實現(xian)功能(neng)器(qi)件制(zhi)造的(de)方(fang)法，並(bing)通過材(cai)料(liao)改性與微(wei)結(jie)構(gou)設(she)計兩(liang)方(fang)面協同提(ti)升(sheng)信號輸(shu)出(chu)。研(yan)究(jiu)結(jie)果表(biao)明：在光(guang)固化聚(ju)合物(wu)樹脂中(zhong)摻雜低負載量(liang)（0.2 wt％）的(de)功能(neng)化(hua)氮化硼納米(mi)管，並(bing)進(jin)行微(wei)結(jie)構(gou)拓(tuo)撲優化，可(ke)實(shi)現高(gao)性能壓電(dian)器件的(de)制造(zao)。該(gai)方(fang)法制備(bei)的(de)傳感(gan)器(qi)在(zai)智(zhi)能機(ji)器人、仿生電(dian)子皮膚、曲面結(jie)構(gou)件健(jian)康檢測與(yu)人機(ji)接(jie)口(kou)等(deng)領域有(you)廣(guang)泛(fan)的(de)應(ying)用前景(jing)。