低成本、高性能的压电超薄膜可通过3D打印技术来实现
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2019年伊始，国家电网公司对建设泛在电力物联网作出了全面部署安排，泛在电力物联网自此进入了落地实施阶段。它将电力用户及其设备、电网企业及其设备、发电企业及其设备、供应商及其设备，以及人和物连接起来，在任何时间、任何地点都可以进行信息交互和共享。
要实现信息的交互和共享，感知层建设是重点。而量大面广的电力信息采集类设备是感知层建设的关键，如电表、互感器、集中器、传感器等设备。其中，传感器还可以收集温度、湿度、风速等环境状态信息。这些传感类设备通过压电材料将压力、温度、力和其它物理刺激的变化转换为可测量的电信号，因此感知、接收信息的敏感性将至关重要。
压电材料的功能离不开一种特殊的物理现象，即压电效应。其原理是对压电材料施加压力，使其产生电位差（正压电效应）；反之对压电材料施加电压，使其产生机械应力（逆压电效应）。
换而言之，有了压电材料，我们可以利用机械形变产生电场，也可以利用电场产生机械形变，压电效应为机械能与电能之间的相互转化提供了一种途径。因而，压电材料被广泛应用于传感元件中，如机器人致动器使用压电材料来响应电信号移动关节和部件。
一般来说，典型的压电材料有骨头、蛋白质、DNA、陶瓷、塑料、织物等。多年来，研究人员一直在努力开发可用作能量采集器的压电超薄膜，用于触摸屏的敏感压力传感器以及柔性电子设备中的其它组件。这些材料通常是一种具有晶体结构的陶瓷。随着制造技术的进步，在净室以及复杂程序下生产的膜块，经机械加工后与电子器件相连接。但是复杂、高成本的工艺环节以及材料固有的脆性，限制了这些材料的潜能。
到目前为止，人们一直认为3D打印的传感材料性能很差。低成本的3D打印压电薄膜是用聚合物制造的，必须“极化”。这意味着它们在印刷后必须具有压电性能。而且，这些材料通常最终厚达几十微米，因此无法制成能够进行高频振动的超薄膜。
近期，麻省理工学院的研究人员开发了一种简单、低成本的方法来制作具有高性能压电特性的3D打印超薄薄膜，可用于柔性电子元件或高灵敏度生物传感器中，相关研究成果发表于《应用材料与接口》杂志。
在室温下，利用增材制造技术，研究人员创新了一种约100纳米的三维印刷陶瓷换能器技术。用于三维印刷的液体原料含有与一些惰性溶剂混合的氧化锌纳米颗粒，当印刷在基底上并干燥时，这些氧化锌纳米颗粒就可形成压电材料｡原料通过3D打印机中的空心针供给，当打印时，研究人员将特定的偏置电压施加到针的尖端并控制流速，使得半月板（液体顶部看到的曲线）形成锥形，可从其尖端喷出精细射流。
据了解，研究人员采用了一种称为近场电流体动力学沉积（NFEHD）的添加制造技术，该技术利用高电场通过喷嘴喷射液体射流来印刷超薄膜。喷射器天然倾向于破碎成液滴，但当研究人员将针尖靠近基板大约1毫米时，射流不会破裂，从而在基板上印刷细长的窄行，然后与线路重叠，并在华氏76度的温度下进行干燥，并上下颠倒，从而生成具有压电特性的晶体结构的超薄膜，可以在约5000MHz的频率下谐振，且在柔性基板上印刷而不会损失性能。
通过显微镜技术，研究人员证明了这些压电超薄膜具有更强的压电响应性，这意味着其发出的可测量信号比传统批量制造的薄膜更强。
目前，研究人员正与蒙特雷技术公司合作，作为纳米科学和纳米技术合作项目的一部分，制造压电生物传感器，以检测某些疾病和病症的生物标志物。此外，研究人员还在研发一种传感器来测量燃料电池中电极的衰减。这与生物传感器的作用类似，但频率的变化将与电极中某种合金的降解相关。