3d智能传感器(3D打印传感器)

 

【背景介绍】

1引言

目前，许多智能检测设备已经配备了丰富的传感器，将其实际应用扩展到了各个领域，包括工业生产，海洋勘探，环境保护，医学诊断，生物工程，宇宙探索，智能家居。3D打印的基于聚合物的柔性应变传感器在材料制备和设备设计方面的发展尚未深入讨论。为此，如图1所示，目前的工作提供了3D打印应变传感器的最新进展，该进展分为以下三个部分。

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图1.3D打印的柔性应变传感器的示意图。下文重点介绍了基于数字光处理，熔融沉积建模和直接墨水书写的传感器的信号处理，墨水设计和设备打印。

【科研摘要】

柔性电子技术的革命性和开创性进步为发展可穿戴设备和电子皮肤的领先趋势之一提供了无限的潜力。作为收集外部机械信号的重要中间体，受到广泛关注的柔性应变传感器被视为柔性集成电子系统中必不可少的组件。与传统的制备方法（包括复杂的光刻和转移印刷）相比，由于3D打印技术的处理成本低，制造精度高且生产效率令人满意，因此可用于制造各种柔性应变传感器。最近，南京工业大学朱纪欣与西北工业大学Ruizi Li和黄维院士合作在《Advanced Materials》上发表题为3D Printed Flexible Strain Sensors: From Printing to Devices and Signals综述。该文介绍了通过3D打印制造的最新柔性应变传感器，重点介绍了基于光固化和材料挤出的不同打印方法，包括数字光处理（DLP），熔融沉积建模（FDM）和直接墨水书写（DIW）。还讨论了3D打印应变传感器的传感机制。

【图文解析】

3 3D打印应变传感器的进展

3D打印的基本过程基于数字层堆叠，然后进行物理或化学沉积材料。

3.1基于DLP的3D打印应变传感器

通过DLP已使用感光性树脂（包括丙烯酸，聚酯和PUA所包含的复合前体）通过DLP印刷了一些电容应变传感器，而丙烯酸基复合材料表现出脆弱的机械强度和缓慢的扩散溶胀速率。有鉴于此，Yin及其同事根据PAAm的极佳吸水率和扩散溶胀率以及PEGDA的韧性，通过DLP印刷引入了一种通过DLP印刷使丙烯酰胺单体与PEGDA共聚的简便方法，如图3a所示。依赖电容的变化和灵敏度分别在图3b，c中进行了说明。在40 s的运行间隔内，结构化传感器-2的电容变化相对于结构化传感器1和平面传感器的电容变化相对明显。结构化传感器-2的响应时间高达0.2 s的加载压力和0.5 s的卸载时间，同时，所有印刷传感器在5 s的相同压力下均具有不变的电容，从而证明了设备的运行稳定性。具体来说，这些传感器表现出线性响应。由于印刷了微结构，结构化传感器-2的电容变化率高于结构化传感器-1和平面传感器，表明灵敏度相对较高。微观结构中印制的空气沟槽提高了灵敏度，如图3d所示。通过在0.93 GF的衬里响应和不同应变或循环下的拉伸释放稳定性，研究了宽沟槽结构sensor-2传感器的应变传感性能，如图3e所示。经过1000和4000次循环后可以观察到5％和8.9％的信号吃水，但仍满足感测稳定性的需求。

图3DLP印刷应变传感器的传感性能。

如图4a所示，首先将WPUA油墨固化，以获得应变传感器的覆盖层。在固化一定数量的切片后，将墨水盒替换为PAAm-PEGDA前驱体。相似的极性以及WPUA和PAAm-PEGDA的丙烯酸基团都引发了两种油墨之间的自由基聚合，因此电极层和电介质是化学连接的，而不是VHB胶带的物理结合。图4b中所示的一步式印刷传感器由多层水凝胶和弹性体制成，同时可用于检测电子皮肤领域中的应力，并且可以在6000个周期内消除电容变化的信号漂移 在拉力或压缩状态下，经过1万次循环后，传感器显示稳定的信号输出（信号漂移小于5％），表明应用可能具有较长的使用寿命。

图4a，b）基于PAAm–PEGDA的传感器的DLP打印示意图

3.2基于FDM的3D打印应变传感器

为了充分利用当前的3D打印技术，降低3D打印传感器的处理成本和扩大原材料选择范围至关重要，这与光固化DLP工艺相比为挤出印刷的应用铺平了道路。基于材料挤出的应变传感器印刷技术已被开发为FDM。Yao及其同事用环氧树脂涂覆了不同数量（3000、6000、12 000）的连续碳纤维。将获得的复合材料以2N的拉力以可变的填充密度放置在印刷的PLA基板表面上，通过沉积PLA封装纤维来制造印刷的应变传感器，如图5a所示。

图5a）连续碳纤维嵌入式应变传感器的印刷。b）基于双喷嘴的FDM技术的示意图。

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3.3基于直接墨水书写的3D打印应变传感器

作为一种常用的材料挤出印刷方法，DIW印刷技术可以作为解决上述FDM局限性的替代方法。

3.3.1用于印刷应变传感器的金属基可印刷油墨

由于粘度可控性和室温固化便利性，基于PDMS的化合物已显示出能够通过3D打印进行加工的优势。已经通过DIW印刷将纳米银材料与柔性聚合物基板（如PDMS）结合起来，用于应变传感器的构造。从图6a中，Lee和他的同事首先沿着相同的方向打印了PDMS线，然后将打印的图案加热了很短的时间，然后才打印了沿垂直方向的新线。80°C的软烘烤可以部分固化PDMS，防止低粘度PDMS液体以圆柱状沉积后塌陷，确保基质结构的完整性和聚合物基材的机械强度。如图6b所示，印刷的PDMS网眼的疏水表面被γ-氨丙基三乙氧基硅烷改性，从而可以在基材表面上进行多巴胺的原位聚合和自粘功能化。

图6a）印刷的PDMS网格的示意图。

3.3.2用于打印应变传感器的碳基可印刷油墨

含金属的材料具有出色的导电性和导热性。Wu和同事报告了水驱动的自修复壳聚糖和MWCNT复合材料用于应变传感。如图7a，b所示，导电MWCNT和壳聚糖基质分散在柠檬酸，乳酸和乙酸水溶液的混合物中，并且MWCNT的30％负载已达到导电渗透阈值。可以将复合材料印刷为多层支架，蜘蛛形和海星形物体，同时将可自愈的卷曲微纤维沉积在PDMS上，仍然需要加热以去除溶剂，如图7c-e所示。所制备的应变传感器在0–10％应变下的GF计算为4，这是标准康斯坦坦应变仪的两倍，记录的信号在10％应变下的表现证明了印刷传感器的耐用性。图7f给出了复合材料的自我修复机制。

图7a）壳聚糖和MWCNT复合材料的制备。

类似于PDMS的疏水性，已选择了几种天然聚合物作为护套材料，以保证传感器的防水性和机械强度。作为概念的证明（如图8a所示），Zhang和他的同事们在甲酸-CaCl2溶液的帮助下制备了SF护套油墨，与费力的CaCl2-乙醇溶解和渗析过程相比，它保留了大部分的β折叠。H2O或LiBr–H2O系统。将MWCNT分散在SDS和PVA的水溶液中以获得粘性芯墨。将图8b所示的印刷网格线图案应用于收获生物机械能，并且输出电压在15000个循环内显示出稳定的趋势，这是基于图8c所示的接触带电和静电感应的耦合效应。

图8a）导电纺织品的同轴印刷。b）带有网格线图案的印花纺织品的示意图。c）印花纺织品基于耦合效应的传感机制。

3.3.3 MXenes和基于导电聚合物的可印刷油墨，用于印刷应变传感器

尽管碳基导电填料比金属具有更低的密度和更大的比表面积，但仍需要增加填料含量以增强传感器的导电性，这会加剧复合材料的韧性，从而影响传感器的检测范围和稳定性。Cao及其同事通过将改性纤维素纳米纤维与Ti3C2Tx MXenes混合来制备油墨。如图9a所示，由于纤维素的不溶性，可以通过在乙醇中沉积来固化印刷的长丝，并且纳米纤维通过与MXene的氢键键合固定，在MXene负载量为10％时，拉伸强度为112.1 MPa。

图9a）MXene增强纤维素丝的印刷示意图。b）制备PEDOT：PSS溶液，印刷具有TEM形态的油墨和产品。

参考文献：doi.org/10.1002/adma.202004782

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