麻省理工的研究人员已经制造出3d打印的超薄陶瓷薄膜，可以将能量从一种形式转换成另一种形式，用于柔性电子和生物传感器。上图就是他们把压电薄膜打印好后，拼出的“MIT”一个图案。
低成本的“压电”薄膜在应变时产生电压，可用于柔性电子元件等。
Rob Matheson | MIT News OfficeAugust 28,
http://news.mit.edu//3-d-printed-piezoelectric-films-0828
麻省理工学院的研究人员开发了一种简单、低成本的方法，可以打印出高性能压电特性的3-D超薄薄膜，可用于柔性电子元件或高灵敏度生物传感器中。
压电材料对物理应变产生电压，它们通过物理变形对电压作出反应。它们通常用于将一种形式的能量转换成另一种形式的传感器。例如，机器人执行器使用压电材料来响应电信号来移动关节和部件。各种传感器利用材料将压力、温度、力和其他物理刺激的变化转化为可测量的电信号。
多年来，研究人员一直在努力开发压电超薄薄膜，这些薄膜可用作能量采集器、触摸屏敏感压力传感器以及柔性电子元件。这种薄膜还可以用作微小的生物传感器，这种传感器对检测某些疾病和疾病的生物标记分子的存在非常敏感。
这些应用的材料通常是一种晶体结构的陶瓷，由于其极薄的特点可以在高频率下共振。（较高的频率基本上转化为更快的速度和更高的灵敏度。）但是，采用传统的制作工艺，制作陶瓷超薄薄膜是一个复杂而昂贵的工艺。
在最近发表在《应用材料与接口》(Applied Materials and Interfaces)期刊上的一篇论文中，麻省理工的研究人员描述了一种方法，即在室温下一层层地制造物体的过程中，采用一种添加剂制造技术来3d打印大约100纳米厚度的陶瓷传感器的方法。这种薄膜可以印刷在柔性衬底上，性能没有损失，并且可以在5千兆赫左右产生共振，这对于高性能的生物传感器来说已经足够高了。
电子工程与计算机科学系微系统技术实验室（MTL）研究员Luis Fernando Veláz-Garcí说：“制造转换元件是技术革命的核心。直到现在，人们认为 3-D印刷换能材料的性能很差。但是，我们已经开发了一种室温下压电传感器的加法制造方法，其材料的振荡频率为吉赫级，比以往通过3-D打印制造的任何材料都要高一个数量级。”
本文的第一作者，墨西哥蒙特雷技术和高等教育学院，电子工程与计算机科学系微系统技术实验室（MTL）的研究员Brenda Garcí-Farrera也加入了Veláz-Garcí的研究。
电子喷雾纳米粒
陶瓷压电薄膜由氮化铝或氧化锌制成，通过物理气相沉积和化学气相沉积制备。但是，这些过程必须在无菌洁净的房间中，在高温和高真空条件下完成。这可能是一个耗时和昂贵的过程。
有低成本的3D印刷压电薄膜可用，但是这些都是用聚合物制造的，必须要“极化”。——这意味着它们在印好后，必须被赋予压电特性。此外，这些材料的最终厚度通常达到数十微米，因此无法制成能够进行高频驱动的超薄薄膜。
研究人员的系统采用了一种称为近场电流体动力沉积（NFEHD）的附加制造技术，该技术利用高电场将液体射流从喷嘴喷射出来，以打印超薄薄膜。到目前为止，该技术还没有被用于打印具有压电特性的薄膜。
研究人员使用的用于3-D打印的液体原材料——含有氧化锌纳米粒子和一些惰性溶剂，当打印到基板上并干燥时，这些纳米氧化锌颗粒就形成了压电材料。原料通过3-D打印机中的空心针进行进料。当它打印时，研究人员在针头尖端施加一个特定的偏压，并控制流量，导致弯月面——在液体顶部看到的曲线——形成锥形，从针尖喷射出细喷流。
这种射流会自然地形成小水滴。但是当研究人员将针头的尖端靠近基板时——大约一毫米——射流也不会破裂。这个过程可以在基板上打印长而窄的线条。然后将这些线条重叠，在华氏76度的温度下晾干。
以这种方式印刷薄膜会产生具有压电特性的超薄薄膜，共振频率约为5兆赫。“如果这个过程中缺少了任何东西，它就不起作用了。”Veláz-Garcí说。
利用显微镜技术，研究小组能够证明这些薄膜比传统的批量制造方法具有更强的压电响应——也就是它发出的可测量信号。这些方法并不能真正控制薄膜的压电轴方向，这决定了材料的响应。Veláz-Garcí说：“这有点让人吃惊，在这些散装材料中，它们可能存在结构效率低下，影响性能。但是，当你能操纵纳米尺度的材料，你会得到一个更强的压电响应。”
低成本传感器
由于压电超薄薄膜是在很高的频率下进行3-D打印和共振的，它们可以用来制作低成本、高灵敏度的传感器。研究人员目前正与蒙特雷技术公司的同事合作，将其作为纳米科学和纳米技术合作计划的一部分，以制造压电生物传感器，以检测特定疾病和条件下的生物标记物。
将谐振电路集成在这些生物传感器中，使压电超薄膜以特定的频率振荡，压电材料可以功能化，将某些分子生物标记物吸引到其表面。当分子粘在表面时，压电材料会使电路的频率振荡发生轻微变化。这种微小的频移可以被测量，并与堆积在其表面的一定数量的分子相关。
研究人员还开发了一种用于测量燃料电池电极的衰变的传感器。这与生物传感器的功能类似，但频率的变化将与某种合金在电极中的降解有关。Veláz-Garcí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，如果你能实时评估这些系统的健康状况，你可以决定什么时候更换它们，以免发生严重的事情。”
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