麻省理工学院的研究人员开发了一种简单、低成本的方法，可以制作具有高性能“压电”特性的3D打印超薄薄膜，可用于柔性电子元件或高灵敏度生物传感器中的元件。

压电材料响应物理应变产生电压，并通过物理变形响应电压。它们通常用于传感器，将一种形式的能量转换成另一种形式的能量。例如，机器人执行器使用压电材料来响应电信号移动关节和部件。各种传感器使用这些材料将压力、温度、力和其他物理刺激的变化转换成可测量的电信号。

多年来，研究人员一直在努力开发压电超薄薄膜，可用作能量收集器、触摸屏的敏感压力传感器以及柔性电子设备中的其他组件。这些薄膜还可以用作微型生物传感器，具有足够的灵敏度来检测分子的存在，分子是某些疾病和疾病的生物标志物。

为这些应用选择的材料通常是具有晶体结构的陶瓷，由于其极薄的厚度，其在高频下共振。(更高的频率基本上转化为更快的速度和更高的灵敏度。然而，使用传统的制造技术，制造陶瓷超薄薄膜是一个复杂且昂贵的过程。

在最近发表在《应用材料与界面杂志》上的一篇论文中，麻省理工学院的研究人员描述了一种在室温下逐层构建物体的过程中，通过使用添加制造技术，三维打印厚度约为100纳米的陶瓷换能器的方法。这些薄膜可以印刷在柔性基板上而不损失性能，并且可以在大约5 GHz共振，这对于高性能生物传感器来说足够高。

电子工程和计算机科学系微系统技术实验室(MTL)研究员路易斯芬南多韦莱兹-加西亚说：“制造换能元件是技术革命的核心。“到目前为止，人们一直认为3D打印传感材料的性能很差。然而，我们开发了一种室温下压电传感器的添加制造方法。这种材料以千兆赫的频率振荡，比以前通过3D打印制造的任何东西都高几个数量级。”

电喷雾纳米粒子

由氮化铝或氧化锌制成的陶瓷压电膜可以通过物理气相沉积和化学气相沉积来制造。然而，这些过程必须在高温高真空的无菌洁净室中完成。这可能是一个耗时且昂贵的过程

有低成本的3D打印压电薄膜可供选择。但是那些是由聚合物制成的，必须是“极化的”——这意味着它们在印刷后必须具有压电特性。此外，这些材料的厚度通常高达几十微米，因此无法制成能够高频驱动的超薄薄膜。

该研究人员的系统采用了一种被称为近场电流体动力沉积(NFEHD)的添加制造技术，该技术利用高电场通过喷嘴喷射液体射流来打印超薄薄膜。到目前为止，这项技术还没有用于印刷具有压电特性的薄膜。

研究人员用于3D打印的液体原料——原料中含有氧化锌纳米颗粒，与一些惰性溶剂混合，当印刷在基底上并干燥时，会形成压电材料。原料通过三维打印机中的空心针输送。打印时，研究人员向针尖施加特定的偏置电压并控制流速，这样弯月面(液体顶部的曲线)就形成了一个圆锥体，细小的射流从该圆锥体中喷出。小费。

喷射器自然倾向于分裂成液滴。但是当研究人员将针尖靠近基底大约一毫米时，射流不会破裂。这个过程在基底上印刷出纤细的线条。然后它们重叠在一起，在华氏76度左右干燥，倒挂。

以这种方式精确地印刷薄膜产生了具有压电特性的晶体结构的超薄薄膜，其以大约5千兆赫的频率共振。Velquez-Garc a说：“没有任何过程，它就不会工作。”

利用显微镜技术，该团队可以证明这些薄膜具有更强的压电响应——这意味着它发出的可测量信号比传统批量制造方法制造的薄膜更强。这些方法并不能真正控制薄膜的压电轴方向，压电轴方向决定了材料的响应。“这有点令人惊讶，”贝拉奎斯-加西亚说。“在那些散装材料中，它们可能在结构上效率低下，并影响性能。但当你能操纵纳米尺度的材料时，你会得到更强的压电响应。”

低成本传感器

因为压电超薄薄膜是三维印刷的，并且在非常高的频率下谐振，所以它们可以用于制造低成本和高灵敏度的传感器。作为纳米技术和纳米技术合作项目的一部分，研究人员目前正在与蒙特利科技有限公司的同事合作制造压电生物传感器，用于检测某些疾病和疾病的生物标志物。

这些生物传感器中集成了谐振电路，使压电超薄薄膜在特定频率下振荡，压电材料可以被功能化，将一些分子生物标志物吸引到其表面。当分子附着在表面时，会使压电材料轻微改变电路的振荡频率。这种微小的频移可以通过测量并与沉积在其表面的一定量的分子相关联。

研究人员还在开发一种传感器来测量燃料电池中电极的衰减。这将类似于生物传感器的功能，但频率的变化将与电极中某些合金的降解有关。Velaqez-Garc a说：“我们正在制造能够诊断燃料电池健康状况的传感器，看看它们是否需要更换。“如果您实时评估这些系统的健康状况，您可以在严重事故发生之前决定何时更换它们。”

版权说明： 本文版权归原作者所有，转载文章仅为传播更多信息之目的，如作者信息标记有误，请第一时间联系我们修改或删除，多谢。

标签：