- 頭條低成本、高性能的壓電超薄膜可通過3D打印技術來實現2020-08-07 作者：劉星 | 來源：《電氣技術》雜志社 | 點擊率：導語麻省理工學院的研究人員開發了一種簡單、低成本的方法來制作具有高性能壓電特性的3D打印超薄薄膜，可用于柔性電子元件或高靈敏度生物傳感器中。
2019年伊始，國家電網公司對建設泛在電力物聯網作出了全面部署安排，泛在電力物聯網自此進入了落地實施階段。它將電力用戶及其設備、電網企業及其設備、發電企業及其設備、供應商及其設備，以及人和物連接起來，在任何時間、任何地點都可以進行信息交互和共享。
要實現信息的交互和共享，感知層建設是重點。而量大面廣的電力信息采集類設備是感知層建設的關鍵，如電表、互感器、集中器、傳感器等設備。其中，傳感器還可以收集溫度、濕度、風速等環境狀態信息。這些傳感類設備通過壓電材料將壓力、溫度、力和其它物理刺激的變化轉換為可測量的電信號，因此感知、接收信息的敏感性將至關重要。
壓電材料的功能離不開一種特殊的物理現象，即壓電效應。其原理是對壓電材料施加壓力，使其產生電位差（正壓電效應）；反之對壓電材料施加電壓，使其產生機械應力（逆壓電效應）。
換而言之，有了壓電材料，我們可以利用機械形變產生電場，也可以利用電場產生機械形變，壓電效應為機械能與電能之間的相互轉化提供了一種途徑。因而，壓電材料被廣泛應用于傳感元件中，如機器人致動器使用壓電材料來響應電信號移動關節和部件。
一般來說，典型的壓電材料有骨頭、蛋白質、DNA、陶瓷、塑料、織物等。多年來，研究人員一直在努力開發可用作能量采集器的壓電超薄膜，用于觸摸屏的敏感壓力傳感器以及柔性電子設備中的其它組件。這些材料通常是一種具有晶體結構的陶瓷。隨著制造技術的進步，在凈室以及復雜程序下生產的膜塊，經機械加工后與電子器件相連接。但是復雜、高成本的工藝環節以及材料固有的脆性，限制了這些材料的潛能。
到目前為止，人們一直認為3D打印的傳感材料性能很差。低成本的3D打印壓電薄膜是用聚合物制造的，必須“極化”。這意味著它們在印刷后必須具有壓電性能。而且，這些材料通常最終厚達幾十微米，因此無法制成能夠進行高頻振動的超薄膜。
近期，麻省理工學院的研究人員開發了一種簡單、低成本的方法來制作具有高性能壓電特性的3D打印超薄薄膜，可用于柔性電子元件或高靈敏度生物傳感器中，相關研究成果發表于《應用材料與接口》雜志。
在室溫下，利用增材制造技術，研究人員創新了一種約100納米的三維印刷陶瓷換能器技術。用于三維印刷的液體原料含有與一些惰性溶劑混合的氧化鋅納米顆粒，當印刷在基底上并干燥時，這些氧化鋅納米顆粒就可形成壓電材料?原料通過3D打印機中的空心針供給，當打印時，研究人員將特定的偏置電壓施加到針的尖端并控制流速，使得半月板（液體頂部看到的曲線）形成錐形，可從其尖端噴出精細射流。
據了解，研究人員采用了一種稱為近場電流體動力學沉積（NFEHD）的添加制造技術，該技術利用高電場通過噴嘴噴射液體射流來印刷超薄膜。噴射器天然傾向于破碎成液滴，但當研究人員將針尖靠近基板大約1毫米時，射流不會破裂，從而在基板上印刷細長的窄行，然后與線路重疊，并在華氏76度的溫度下進行干燥，并上下顛倒，從而生成具有壓電特性的晶體結構的超薄膜，可以在約5000MHz的頻率下諧振，且在柔性基板上印刷而不會損失性能。
通過顯微鏡技術，研究人員證明了這些壓電超薄膜具有更強的壓電響應性，這意味著其發出的可測量信號比傳統批量制造的薄膜更強。
目前，研究人員正與蒙特雷技術公司合作，作為納米科學和納米技術合作項目的一部分，制造壓電生物傳感器，以檢測某些疾病和病癥的生物標志物。此外，研究人員還在研發一種傳感器來測量燃料電池中電極的衰減。這與生物傳感器的作用類似，但頻率的變化將與電極中某種合金的降解相關。
