传感器增材制造:综述

来源：长三角G60激光联盟

美国阿克伦大学的科研人员综述了传感器增材制造的研究。相关论文以“Additive Manufacturing of Sensors: A Comprehensive Review”为题发表在《International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology》上。

传感器对于检测环境变化和监控各种系统至关重要，因此传感器的开发和制造对现代工程具有重要意义。传统制造是制造传感器最常用的方法，而增材制造（俗称3D打印）作为一种高效的替代方法，已逐渐受到人们的青睐。虽然增材制造传感器适用于许多工程领域，但用增材制造方法制造整个传感器（包括外壳结构和传感元件）仍然具有挑战性。本文全面分析了增材制造工艺、材料以及全部或部分采用增材制造工艺生产的传感器的应用。重点介绍了限制完全3D打印传感器发展的材料开发和工艺方面的关键问题。此外，还探讨了增材制造传感器在绿色技术中发挥的作用。本综述有望让研究人员全面了解用于生产各种应用传感器的工艺和材料。

图1全3D打印软压力传感器

图2开发电感式传感器所采用的整个混合制造工艺示意图

图3采用自下而上方法进行大桶光聚合的装置示意图

图4材料挤压工艺示意图

图5多材料直接墨水书写系统

图6触觉传感器增材制造工艺概览，突出玻璃基板上的分层组成（a、b、c）和顺序步骤（d）

图7通过增材制造技术制造的可穿戴传感器的尺寸、灵活性和示意图

图8硅传感器与微流控装置的集成。(a)内置多孔硅（Psi）传感器的3D打印微流控装置；(b)装置横截面各层示意图

图9展示形状和设计适应性的水凝胶-弹性体增材制造装置示意图

图10基于40%PEGDA水凝胶的液体传感器(a)传感器电路图；(b)4 µL 吸水后的电灵敏度测试；(c)两次测试中水扩散后第2支路的电阻变化；(d)电灵敏度测试期间所有支路的电阻变化

图11 pH值敏感水凝胶的增材制造

图12 3D打印COVID-19测试芯片的制造过程（3DcC）

图13基于智能手机的用户界面进行信号检测

图14图示生物电贴片的组件（a）和使用贴在前臂上的生物电贴片测量汗液中Ca2 +、Na + 和 K + 水平（b）。

本综述提供了有关全3D打印传感器和混合3D打印传感器的信息，讨论了制造传感器的挑战及其在绿色技术中的作用。重点介绍了几种用于制造传感器的增材制造技术。商用增材制造系统通常无法制造所需的传感或传感器外壳材料。因此，研究人员成功地进行了适当的定制，以使用增材制造技术制造传感器。然而，商用增材制造系统被广泛用于混合制造传感器。有多种材料被用于制造传感器（传感材料和外壳），包括水凝胶、光聚合物、聚合物、金属和陶瓷。材料优化在传感器开发中起着至关重要的作用。最后，还讨论了传感器在机械、生物医学和化学方面的应用。过去几年，有关混合3D打印传感器的研究论文数量大幅增加。然而，这是一个找出为什么在大多数情况下无法完全3D打印传感器的机会。解决正确的问题将为全3D打印传感器打开大门。功能材料（可变形材料）的增材制造为传感器领域带来了许多研究机会。


论文链接：
Hossain, M.J., Tabatabaei, B.T., Kiki, M. et al. Additive Manufacturing of Sensors: A Comprehensive Review. Int. J. of Precis. Eng. and Manuf.-Green Tech. (2024). https://doi.org/10.1007/s40684-024-00629-5