高靈敏度傳感器的生產(chǎn)是一個復(fù)雜過程，需要許多步驟，并且需要特殊潔凈室?guī)缀鯚o塵的環(huán)境。來自基爾大學(xué)（CAU）的材料科學(xué)和摩爾多瓦技術(shù)大學(xué)的生物醫(yī)學(xué)工程的研究小組，通過3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)高效的傳感器制造。該團(tuán)隊最近在著名的專業(yè)期刊Nano Energy 中發(fā)表了相關(guān)研究論文，論文指出這一技術(shù)的4個亮點(diǎn)：

“墨水直寫”3D打印傳感器，可以克服傳統(tǒng)技術(shù)所必須的潔凈室環(huán)境；

混合金屬氧化物傳感器可以通過增材制造常見的金屬微粒輕松制造；

開放的多孔半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)靈敏的VOC檢測；

高基極電阻使得傳感器功耗低，高能效。

這種具有納米級特殊結(jié)構(gòu)的3D打印傳感器可應(yīng)用于多種氣體檢測，例如用于檢測糖尿病患者呼吸中的丙酮?dú)怏w。

顯微鏡下的傳感器表面，從金屬上“生長出”細(xì)小的電線和尖峰。來源：Phys org.

  更大的表面積，更靈敏的傳感器

在高分辨率電子顯微鏡下可以顯示出新型傳感器的特殊表面。像丙酮這樣的氣體分子特別容易纏結(jié)在直徑約20納米的納米線叢中。納米線增加了傳感器表面的尺寸，因此產(chǎn)生了很高的靈敏度。而這種具有特殊納米線結(jié)構(gòu)的傳感器，是通過研究團(tuán)隊研發(fā)的特殊墨水和基于墨水直寫工藝的3D打印技術(shù)制造的，在進(jìn)行增材制造時，打印機(jī)將墨水中的微粒材料精確地施加到各種表面上。

來源：ScienceDirect.

研究中介紹的自動3D打印過程可以在正常的環(huán)境空氣中進(jìn)行，并且在幾分鐘之內(nèi)可以同時創(chuàng)建多個傳感器，而過去在無塵室中要花費(fèi)幾個小時才能完成。起始材料也可以有針對性地變化，改變尺寸和結(jié)構(gòu)，并能夠檢測某種氣體。作為傳感器起始材料的金屬顆粒必須具有一定的尺寸，以形成特殊的金屬絲和納米線。在設(shè)計傳感器時，表面和體積之間正確的高比例至關(guān)重要，怎樣設(shè)計對傳感器的靈敏度有利，是一個挑戰(zhàn)。雖然，噴霧或真空蒸發(fā)系統(tǒng)等現(xiàn)有技術(shù)可以將較小的顆粒輕松地施加到表面上，但其中的微粒仍然比較大。因此，研究團(tuán)隊考慮通過3D打印技術(shù)制造更小的微粒。

這項(xiàng)研究指出，這種3D打印氣體傳感器需要消耗的電能非常少，這將使小型便攜式測量設(shè)備成為可能，甚至可以通過智能手機(jī)直接讀取檢測結(jié)果。原因是當(dāng)有機(jī)分子與成品傳感器中的眾多導(dǎo)線相遇時，它們彼此之間會發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng)，它們會改變傳感器的電阻并釋放出清晰可測的信號。但是原則上，只有極少量的電流通過細(xì)線。

研究小組的負(fù)責(zé)人表示，這是一項(xiàng)基礎(chǔ)研究，但是可以通過該技術(shù)開發(fā)多種氣體檢測的傳感器。

研究人員希望將這種3D打印傳感器，用于糖尿病患者的移動便攜式呼氣檢測設(shè)備中。因?yàn)檫@種3D打印傳感器可以測量患者呼吸中的丙酮含量，丙酮是患者缺乏胰島素時產(chǎn)生的新陳代謝產(chǎn)物，通過呼吸釋放出來。高度靈敏的傳感器可以確定丙酮值低于1 ppm（每百萬個空氣分子中的顆粒數(shù)），而I型或II型糖尿病患者的呼吸中丙酮含量超過2 ppm。這種方法有望替代目前手指點(diǎn)刺檢測血糖水平的方式。

論文題目為：Facile fabrication of semiconducting oxide nanostructures by direct ink writing of readily available metal microparticles and their application as low power acetone gas sensors，發(fā)表于Nano Energy. Volume 70, April 2020, 104420.

來源：3D科學(xué)谷