多材料3D打印软压力传感器

供稿人:孟子捷 贺健康

相较于传统制造技术，增材制造技术的设计和制造的灵活性使可伸缩和柔性传感器的制造变得简单，推动了可伸缩和柔性传感器的发展和广泛应用。阿克隆大学的Jae-Won Choia教授等研究人员提出一种复合材料三维打印系统。该系统具有三个打印头，可实现可伸缩的软压力传感器的制造。该传感器使用基于离子液体(IL)的压敏层，夹在碳纳米管(CNT)柔性电极中并封装在可伸缩的顶部和底部绝缘层里。研究者对传感器材料进行改性以满足3D打印（挤出直写）的需求，结果显示具有三种材料的多层传感器的结构可以被成功的打印，并保持良好的传感功能。

过去在传感器中实现可拉伸性的一个常见策略是使用具有导电填料的可拉伸聚合物作为功能成分。基于碳纳米管(CNT)的压阻传感器是研究比较广泛的传感器之一；然而，它们的可靠性和可控性是有限的。最近在压力传感器领域，离子液体(ILs)作为一种新型功能材料，为可伸缩传感器的研究开辟了一条新的道路。ILs是一种在室温或室温附近温度下呈液态的由离子构成的物质，具有很高的离子导电性、不挥发性、不可燃性和电化学稳定性。虽然ILs已被用于制造各种传感器件，但因为其通常缺乏制造和设计的灵活性，其应用非常有限。Jae-Won Choia等研究人员将ILs加入预聚体基体中，通过聚合制备固态压敏膜，得到了机械应变下变化的高电阻IL/聚合物网络。该系统可作为压力传感器的传感元件。在该研究中他们采用碳纳米管/聚合物复合材料作为导电电极，设计了如图一所示的可拉伸压力传感器。

图一 4-taxel传感器的设计：(a)传感器的三维模型；(b)传感器的侧视图；(c)各层的爆炸图
当需要更大区域的压力分析和/或需要定位施加的压力位置时，可以使用multi-taxel传感器，通过配置阵列的电极可以被定制不同分辨率与灵敏度的传感器。为了验证所提出想法，研究人员通过多材料打印系统打印了一个4-taxel传感器，如图二(a)所示。传感器被连接到外部电路，以便能够同时从所有四个分类单元收集数据。将外力手动施加到taxel上，由此产生的传感器响应输出如图二(c)所示。对右上角taxel进行施力使之发生变形的时候出现了ΔVout的峰值。

图二 4-taxel传感器：(a) 3D打印制造的传感器。(b)对其中一个taxel单元施加压力; (c) 在multi-taxel上输出的ΔVout
该研究开发了一种能够打印功能材料的多材料3D打印系统。利用该系统，实现了基于IL的软压力传感器的3D打印。这种传感器能够在具有复杂几何形状的自由曲面上制作，其灵活性和可拉伸性使其具有抗弯曲、弯曲和冲击的性能，促进3D打印软电子器件领域的应用，并在可穿戴设备、智能技术、人机界面和假肢领域具有广泛的应用前景。

参考文献：
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 贺健康 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室