Science Advance: 压电薄膜自驱动三维结构实现液体流变检测

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美国西北大学Rogers教授、黄永刚教授和清华大学张一慧副教授课题组将压缩屈曲组装和转印技术相结合，在小尺度上实现了可驱动三维结构。

2018年9月15日，相关工作以”Mechanically active materials in three-dimensional mesostructures”为题在线发表在Science Advances上。该方法首先在二维平面状态下，通过转印将多片压电薄膜和金属电极布置在预设形状的聚合物层内，然后通过受控压缩屈曲形成三维结构。本文工作中通过金属电极向压电薄膜施加电压，可以实现三维结构的动态驱动。各压电薄膜可以独立驱动，通过设计其位置及施加电压的方式，能够基于同一个结构产生多种三维振动模态。结合有限元仿真进行优化，能够根据需要设计出特定的振动模态。

为了验证这种能力，该工作设计了一种能够同时测量流体粘性、密度的三维结构。相比之下，基于二维几何形状的可驱动结构由于难以充分激励出三维振动模态，限制了其在上述应用中的性能。除此之外，通过该技术实现的三维结构还有望于生物传感器、生物力学、能量收集等领域发挥作用。该文章第一作者为伊利诺伊大学的宁鑫博士(现任教于美国宾州州立大学)、于欣格博士(现任教于香港城市大学)、美国西北大学的王禾翎博士，通讯作者为美国西北大学Rogers教授和清华大学张一慧副教授。

介观尺度三维可驱动结构的设计和制备

制备过程首先通过微加工和转印技术在二维平面状态下实现聚合物层和压电薄膜、金属电极的集成。二维结构包含环氧树脂骨架层、金属电极导线层、压电薄膜层，压电薄膜层和金属电极导线层上下各有一层聚合物封装层。通过光刻等成型技术可以使各层形成特定的形状。将二维平面结构转印到预拉伸的弹性基底上并通过若干粘接点位与基底粘接，释放基底的拉伸应变后二维结构在压缩作用下屈曲形成三维结构。

通过这种技术可在同一个三维结构上集成多个压电薄膜，它们通过各自的金属导线和电极与外部信号发生装置连接，各压电薄膜可以各自独立受到激励。

由于压电薄膜采用的是压电陶瓷材料Pb(Zr_0.52Ti_0.48)O₃，其极限破坏应变较低，受到约0.6%应变就会发生断裂破坏，用于连接的金属导线也有类似问题，因而确保压缩屈曲形成的结构的可靠性是一个重要的问题。利用有限元仿真可以较好地预测三维结构的几何形状和应变状态，因而对结构进行可靠性设计。针对本文中形态各异的三维结构，有限元仿真得到的构型都能与实验中扫描电镜照片符合良好。同时，有限元表明三维结构中各层材料的最大主应变都小于其破坏应变。

空气中振动模态的激励

通过粘接点处的电极向压电薄膜输入正弦电压信号，能够选择性地激励出多种振动模态。例如，对于一个四腿的桌子结构，向位于其左右两条腿上的压电薄膜施加相位相差180度的电压信号，激励出的是左右振动模态；而向位于其前后两条腿上的压电薄膜施加类似的电压信号，则激励出前后振动模态。振动模态和共振频率可以通过有限元仿真预测。同时，在实验中通过一套光学系统，也能够测定各振动模态的共振频率。有限元预测的共振频率与实验结果较为接近，二者的相对偏差在5%以内。

基于三维结构共振频率测量流体粘性和密度

该项技术所能实现的三维结构丰富多样，压电薄膜在结构中的位置也可以选择，这种能力为设计三维结构和振动模态提供了充足的优化空间以满足某种特定需求。作为示例，作者们设计了一种三维结构，其具有对牛顿流体粘性、密度的敏感性可部分解耦的两个共振模态。其中旋转振动模态对流体粘性较为敏感而活塞振动模态对粘性不敏感，同时两种模态都对流体密度有足够的敏感性，因此通过测量这两个模态在流体中的共振频率，结合理论分析求解反问题，可以测定出流体粘性和密度。

为了进一步简化反问题的求解，本文利用量纲分析结合有限元，发展了一个尺度公式以建立流体粘性、密度和三维结构在流体中共振频率之间的关系。利用该公式求解一个二元一次方程组即可得到流体粘性和密度。此外，尺度公式还给出了共振频率随三维结构几何、材料参数的变化规律。以水和甘油不同比例的混合物为例，利用本文方法测定出的流体粘性、密度与用粘度计等常规方法测定的结果接近。该方法也适用于血清、血浆、细胞培养液、磷酸缓冲盐溶液等生物或与生物化学研究相关的流体粘性和密度测量。这些流体性质仍符合牛顿流体模型

本文中的三维结构在非牛顿复杂流体中也能良好地工作，测定出振动幅度随频率等的变化规律。此外，由于这种三维结构具有良好的柔性，可以集成于医用导管等医疗器件上。作为展望，结合新的理论模型和实验研究，三维结构有望于测定血液粘性等具有医用价值的领域发挥作用。

受资助情况

本文中工作得到了国家自然科学基金、国家基础科学研究计划、清华大学信息科学与技术国家重点实验室、美国国家基金会、美国国立卫生研究院、美国能源部项目基金的支持。

招聘

该工作共同第一作者 于欣格 博士于2018年8月加入香港城市大学生物医学工程系，任助理教授（http://www6.cityu.edu.hk/stfprofile/xingeyu.htm），并从事柔性电子、生物集成电子的研究。现招收博士研究生，博士生申请人专业不限，具有电子及电路科研背景优先考虑。有意向者请将个人简历发送至  [e-mail]。

该工作共同第一作者 宁鑫 博士于2018年8月加入宾州州立大学航空系，成立先进结构实验室 （https://sites.psu.edu/ning/），现招收优秀博士后（柔性电子、生物电子方向）和博士生（固体结构力学、复合材料方向）。博士后申请人需有microfabrication相关科研经验，博士生申请人专业不限但须有扎实力学实验或者计算基础。有兴趣者请发个人简历至[e-mail]。

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