通过直接熔融沉积建模技术制备的具有微结构表面的柔性压力传感器

《Sensors and Actuators A: Physical》：Flexible pressure sensors with microstructured surfaces fabricated via direct fused deposition modeling

熔融沉积成型（FDM）结合飞秒激光微沟槽喷嘴技术，在打印过程中直接形成表面微结构，显著提升弹性基体压力传感器的灵敏度（2.1%/kPa vs. 0.13%/kPa），同时保持机械柔韧性和动态稳定性。该单步工艺避免了传统后处理复杂性和环境问题，适用于可定制表面功能的柔性传感器制造，在智能穿戴、人机交互和生物监测领域具有应用潜力。

　　

韩云龙|吴大达|孙金宁|王青|郭永杰|叶鹏|肖倩豪|荆浩|张志远|王宣瑶|王亚勇|吕梦凡|张雷

大连理工大学机械工程学院，中国大连116024

摘要

通过熔融沉积建模（FDM）制造的柔性压力传感器为可穿戴电子设备和人机界面提供了有前景的优势。然而，传统的FDM打印分辨率有限，阻碍了高灵敏度传感器所需微尺度特征的形成。在这项工作中，我们提出了一种直接制造策略，将飞秒激光刻蚀的微槽集成到3D打印喷嘴的内壁上，从而在挤出过程中原位形成周期性表面微结构。这些微结构弹性基底与改性的PEDOT:PSS导电涂层结合，形成了具有显著增强灵敏度和机械柔顺性的压阻传感器。与无微结构的传感器相比，微结构传感器的压力响应性提高了一个数量级（2.1%/kPa vs. 0.13%/kPa），同时在动态加载下具有出色的重复性和稳定性。加载的应用会在传感器内部引起微结构重组，生成新的接触点，在层间界面形成并联电路，从而显著提高其灵敏度。在用户交互场景中的演示，如鼠标点击模式区分和关节运动监测，验证了该设备的可靠性和多功能性。这项工作为制造具有可定制表面功能的下一代柔性传感器建立了一种可扩展且材料效率高的方法，为智能可穿戴设备和软体机器人技术的应用铺平了道路。

引言

随着技术的快速发展，具有优异机械性能和高柔韧性的柔性传感器在医疗监测[1]、[2]、[3]、可穿戴电子设备[4]、[5]、[6]以及人机界面[7]、[8]等领域受到了广泛关注。这些传感器越来越多地被用于生理信号检测[9]、[10]、[11]、智能纺织品[12]、[13]以及集成到电子皮肤系统[14]、[15]、[16]、[17]中。在新兴的制造技术中，熔融沉积建模（FDM）作为一种最广泛使用的三维（3D）打印方法，由于其低成本、高生产效率、设计灵活性以及能够制造复杂3D结构[18]、[19]、[20]、[21]，为柔性传感器的开发提供了新的机会。近年来，人们越来越关注利用3D打印技术制造柔性压力/触觉传感器。例如，一种基于FDM的方法被用来创建同心图案模板，用于复制微结构聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底，然后进行导电涂层处理以实现压力传感[22]。此外，FDM打印的牺牲模具/模板被广泛用于制造多孔（晶格）弹性海绵，其中关键结构参数可以调整以优化压阻性能和循环耐久性[23]。除了可穿戴交互传感之外，3D打印模具还用于制造CNT涂层的PDMS海绵传感器，用于实际的压力/膨胀监测场景，突显了基于挤出的模制的可制造性[24]。然而，FDM在制造高性能柔性传感器时面临一些挑战，如相对较低的打印分辨率，这限制了微尺度结构的精确构建，从而影响了传感器的灵敏度。

最近的研究集中在探索新型材料、优化打印参数和发展混合制造策略上。例如，将碳纳米管[26]、[27]、石墨烯[28]、[29]和MXenes[30]、[31]等纳米材料掺入聚合物基体中，已被证明可以显著提高3D打印复合材料的电导率、机械强度和传感能力。尽管低灵敏度限制了FDM打印传感器的应用，但在各种性能增强策略中，工程化表面微结构已成为一种特别有前景的方法[32]、[33]、[34]。通过在传感器表面引入凸起、凹槽、孔洞或分层纹理等图案，可以在变形过程中更有效地局部化应力和应变，从而放大信号响应，而不影响材料的机械完整性或兼容性[35]、[36]。

因此，为了解决直接3D打印传感器灵敏度低的问题，研究人员越来越多地转向后处理技术，以在传感层中引入微结构。这些微尺度特征，如多孔网络[38]、[39]、微裂纹[40]、[41]或分层表面纹理[42]、[43]，可以通过增加表面积、促进应力集中以及在机械变形下实现导电网络的更动态变化来显著提高传感器的响应性。魏等人提出了一种通过3D打印制备热塑性聚氨酯/炭黑导电弹性复合泡沫的方法[44]。该材料具有高压缩性、弹性和导电性，可用作应变和气体传感器，并具有可回收和可再处理的特性。后处理过程包括使用氢氟酸（HF）溶液蚀刻纳米粘土以形成多孔结构。HF具有高度腐蚀性，存在安全隐患和潜在的环境污染。此外，蚀刻过程增加了制备工作流程的复杂性和时间成本。Abshirini等人利用直接墨水书写技术制备了具有双尺度孔隙率的导电聚合物纳米复合材料[45]。这些复合材料具有高达83%的高孔隙率，以及高柔韧性和压阻传感性能，适用于人体运动检测。然而，FDM制造的柔性传感器面临一些挑战，如复杂的墨水配方、难以调节的流变特性以及依赖于精确温度控制的耗时后处理。特别是，后处理程序通常很复杂，例如需要使用有害化学溶剂，增加了碳足迹，降低了机械性能，并引入了操作复杂性。

在这种情况下，本研究旨在通过将表面微结构设计直接集成到打印过程中，利用FDM技术制造高性能柔性传感器。与依赖后处理步骤引入微结构特征的传统方法不同，本研究侧重于通过单步直接打印策略实现微结构增强的传感器性能。通过优化打印参数和结构设计，在沉积过程中原位形成表面微结构，从而有效调节机械刺激下的应力分布和导电网络响应性。这种方法不仅简化了制造流程，还确保了更好的一致性、可扩展性和与增材制造平台的兼容性。打印出的传感器在保持基材固有机械柔韧性和完整性的同时，表现出改进的灵敏度和信号稳定性。通过对结构-性能-关系进行系统表征，本研究为下一代柔性传感器的可扩展生产提供了有价值的见解和必要的设计原则及加工技术。所提出的方法有望推动3D打印传感设备在可穿戴电子设备、人机界面和生物医学监测应用中的实际部署。

材料

作为打印材料使用了直径为1.75毫米的热塑性弹性体（TPE）丝材（ Guanghua Weiye有限公司，中国）。挤出过程使用MK8黄铜喷嘴进行，喷嘴尖端直径为400微米（Runice 3D Technology有限公司，中国）。二甲基亚砜（DMSO）、聚乙二醇（PEG）和Triton X-100从Aladdin购买。聚（3,4-乙烯二氧噻吩）-聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT:PSS）从Meryer购买。所有化学品均按原样使用。

微结构丝材的制备

为了在丝材表面精确构建特定的微结构，使用了带有微槽的喷嘴作为刚性成型模具。通过其精心设计的表面拓扑结构，喷嘴在挤出过程中对聚合物熔体或溶液的流动施加方向引导和空间限制。这一过程使得喷嘴的微槽几何形状能够准确复制到丝材表面，最终得到与设计目标形态高度匹配的结果。

结论

虽然传统的提高压力传感器性能的策略通常依赖于后处理或材料改性，但这些方法引入了复杂性、环境问题，并限制了制造的可扩展性。相比之下，本研究提出了一种新颖的一步策略，通过在FDM过程中使用飞秒激光刻蚀的微槽喷嘴，直接将表面微结构嵌入到打印丝材中。

这种直接打印方法从根本上重新定义了...

CRediT作者贡献声明

吕梦凡：研究。韩云龙：写作 – 审稿与编辑，写作 – 原稿撰写，可视化，验证，软件，方法学，研究，数据分析，概念化。张雷：写作 – 审稿与编辑，写作 – 原稿撰写，可视化，验证，监督，资源管理，项目协调，资金获取，概念化。吴大达：可视化，验证，软件，方法学，研究，数据分析。王宣瑶：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。

致谢

作者衷心感谢中国国家自然科学基金（项目编号52205184）和大连理工大学（DUT）的启动资金支持（项目编号82232022、82232043和DUT22LAB404）。

利益冲突声明

作者声明没有竞争性利益。

韩云龙是中国大连理工大学机械工程学院的博士候选人。他的研究专注于聚合物成型和微/纳米制造在传感器和执行器应用方面的研究。他的工作将精密聚合物加工与MEMS兼容的制造相结合，以实现灵活和微型化的传感结构，包括微结构表面、微流控和聚合物-硅器件。他对可扩展制造技术感兴趣。