呂惠

據(jù)報(bào)道，目前美國(guó)麻省理工學(xué)院最新研制3D打印精準(zhǔn)等離子體傳感器，該設(shè)備成本較低，且易于制造，這些數(shù)字化設(shè)備可以幫助科學(xué)家預(yù)測(cè)天氣或者研究氣候變化。該等離子體傳感器也被稱為“延遲電位分析儀（RPAs）”，被人造衛(wèi)星等軌道航天器用于確定大氣化學(xué)成分和離子能量分布。

3D打印、激光切割流程制造的半導(dǎo)體等離子體傳感器，由于該過程需要無塵環(huán)境，導(dǎo)致半導(dǎo)體等離子體傳感器成本昂貴，且需要幾個(gè)星期的復(fù)雜制造過程。相比之下，麻省理工學(xué)院最新研制的等離子體傳感器僅需幾天時(shí)間制造，成本幾十美元。

由于成本較低、生產(chǎn)速度快，這種新型傳感器是立方體衛(wèi)星的理想選擇，立方體衛(wèi)星成本低廉、功率第且重量輕，經(jīng)常用于地球上層大氣的通信和環(huán)境監(jiān)測(cè)。

該研究團(tuán)隊(duì)使用比硅和薄膜涂層等傳統(tǒng)傳感器材料更有彈性的玻璃陶瓷材料研制了新型等離子體傳感器，通過在塑料3D打印過程中使用玻璃陶瓷，能夠制造出形狀復(fù)雜的傳感器，它們能夠承受航天器在近地軌道可能遇到的巨大溫度波動(dòng)。

研究報(bào)告資深作者、麻省理工學(xué)院微系統(tǒng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（MTL）首席科學(xué)家路易斯·費(fèi)爾南多·委拉斯奎茲·加西亞說：“增材制造會(huì)在未來太空硬件領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響，一些人認(rèn)為，當(dāng)3D打印一些物體時(shí)，必須認(rèn)可其性能較低，但我們現(xiàn)已證明，情況并非總是這樣。”目前這項(xiàng)最新研究報(bào)告發(fā)表在近期出版的《增材制造雜志》上。

多功能傳感器

等離子體傳感器首次用于太空任務(wù)是1959年，它能探測(cè)到漂浮在等離子體中的離子或者帶電粒子的能量，等離子體是存在于地球上層大氣中的過熱分子混合物中。在立方體衛(wèi)星這樣的軌道航天器上，等離子體傳感器可測(cè)量能量變化，并進(jìn)行化學(xué)分析，從而有助于科學(xué)家預(yù)測(cè)天氣或者監(jiān)測(cè)氣候變化。

該傳感器包含一系列布滿小孔的帶電網(wǎng)格，當(dāng)?shù)入x子體通過小孔時(shí)，電子和其他粒子將被剝離，直到僅剩下離子，當(dāng)這些離子產(chǎn)生電流，傳感器將對(duì)其進(jìn)行測(cè)量和分析。

等離子體傳感器應(yīng)用成功的關(guān)鍵是對(duì)齊網(wǎng)格的孔狀結(jié)構(gòu)，它必須具有電絕緣性，同時(shí)能夠承受溫度的劇烈波動(dòng)，研究人員使用一種支持3D打印的玻璃陶瓷材料———Vitrolite，它滿足以上特性。據(jù)悉，Vitrolite材料最早出現(xiàn)于20世紀(jì)初，常應(yīng)用于彩色瓷磚設(shè)計(jì)中，成為裝飾藝術(shù)建筑中最常見的材料。持續(xù)耐用的Vitrolite材料可承受高達(dá)800℃的高溫而不分解，而集成電路結(jié)構(gòu)的等離子體傳感器中的高分子材料會(huì)在400℃時(shí)開始熔化。加西亞說：“當(dāng)工作人員在無塵室中制造這種傳感器時(shí)，他們不會(huì)有相同的自由度來定義材料和結(jié)構(gòu)，以及知道它們是如何相互作用，但這可能促成增材制造的最新發(fā)展?！?/p>

陶瓷材料3D打印過程通常涉及到激光轟擊陶瓷粉末，使其融合成為各種形狀結(jié)構(gòu)，然而，由于激光釋放的高熱量，該制造過程往往會(huì)使材料變得粗糙，并產(chǎn)生瑕疵點(diǎn)。

然而，麻省理工學(xué)院的科學(xué)家在該制造進(jìn)程中使用了還原性高分子聚合反應(yīng)，這是幾十年前引入的一種使用聚合物或者樹脂進(jìn)行增材制造的工藝，在還原聚合技術(shù)中，通過反復(fù)將材料浸入盛有Vitrolite液體材料的還原缸，浸入一次會(huì)形成一層三維結(jié)構(gòu)，每一層結(jié)構(gòu)形成后，再用紫外線將材料固化，每層結(jié)構(gòu)僅100μm厚度，相當(dāng)于人類頭發(fā)直徑，最終反復(fù)浸入Vitrolite液體材料，將形成光滑、無孔、復(fù)雜的陶瓷結(jié)構(gòu)。

在數(shù)字化制造工藝中，設(shè)計(jì)文檔中描述的制造對(duì)象可能非常復(fù)雜，這種高精度設(shè)計(jì)需要研究人員使用獨(dú)特結(jié)構(gòu)的激光切割網(wǎng)格，當(dāng)打印完成后安裝在等離子體傳感器外殼中，小孔狀結(jié)構(gòu)能完美地排列，使更多的離子通過其中，從而獲得更高精度的測(cè)量數(shù)據(jù)。

由于該傳感器生產(chǎn)成本低，且制作速度快，研究團(tuán)隊(duì)制作了4個(gè)獨(dú)特的設(shè)計(jì)原型。其中一個(gè)設(shè)計(jì)原型在捕捉和測(cè)量大范圍等離子體方面特別有效，尤其適用于衛(wèi)星軌道勘測(cè)等離子體，另一個(gè)設(shè)計(jì)原型非常適用于測(cè)量密度極高、溫度極低的等離子體，這通常僅能用于超精密半導(dǎo)體器件的測(cè)量。

這種高精度設(shè)計(jì)可使3D打印傳感器應(yīng)用于聚變能研究或者超音速飛行，加西亞補(bǔ)充稱：“這種快速3D打印工藝甚至可以帶來衛(wèi)星和航天器設(shè)計(jì)領(lǐng)域的更多創(chuàng)新。如果你希望不斷創(chuàng)新，就必須面對(duì)失敗并承擔(dān)相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)，增材制造是制造太空設(shè)備的另一種方式，我們可以制造太空裝置，即使該過程失敗了，也沒什么關(guān)系，因?yàn)槲覀內(nèi)阅芸焖偾伊畠r(jià)地制作一個(gè)新的版本，并在設(shè)計(jì)上進(jìn)行迭代更新。對(duì)于研究人員而言，這是一個(gè)非常理想的沙箱效應(yīng)。”

據(jù)悉，盡管加西亞對(duì)最新設(shè)計(jì)的等離子體傳感器感到很滿意，但他希望未來不斷提高制造工藝，在玻璃陶瓷缸式聚合過程中，減少層厚度或者像素大小，進(jìn)而創(chuàng)造出精準(zhǔn)度更高的復(fù)雜裝置。此外，完全疊加制造工藝可使它們與空間制造不斷兼容，他還希望探索使用人工智能不斷優(yōu)化傳感器設(shè)計(jì)，從而適應(yīng)特定的應(yīng)用場(chǎng)景，例如：在確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的同時(shí)大幅地減少傳感器重量。