科學家3D打印適用人造衛(wèi)星的高精度等離子體傳感器

　　據(jù)報道，目前，美國麻省理工學院最新研制3D打印精準等離子體傳感器，該設(shè)備成本較低，且易于制造，這些數(shù)字化設(shè)備可以幫助科學家預測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成分和離子能量分布。

　　3D打印、激光切割流程制造的半導體等離子體傳感器，由于該過程需要無塵環(huán)境，導致半導體等離子體傳感器成本昂貴，且需要幾個星期的復雜制造過程。相比之下，麻省理工學院最新研制的等離子體傳感器僅需幾天時間制造，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、低功率且重量輕，經(jīng)常用于地球上層大氣的通信和環(huán)境監(jiān)測。

　　該研究團隊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。

　　研究報告資深作者、麻省理工學院微系統(tǒng)技術(shù)實驗室(MTL)首席科學家路易斯·費爾南多·委拉斯奎茲-加西亞(Luis Fernando Velasquez-Garcia)說：“增材制造會在未來太空硬件領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響，一些人認為，當3D打印一些物體時，必須認可其性能較低，但我們現(xiàn)已證明，情況并非總是這樣。”目前這項最新研究報告發(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是1959年，它能探測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。在立方體衛(wèi)星這樣的軌道航天器上，等離子體傳感器可以測量能量變化，并進行化學分析，從而有助于科學家預測天氣或者監(jiān)測氣候變化。

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

　　等離子體傳感器應用成功的關(guān)鍵是對齊網(wǎng)格的孔狀結(jié)構(gòu)，它必須具有電絕緣性，同時能夠承受溫度的劇烈波動，研究人員使用一種可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世紀初，常應用于彩色瓷磚設(shè)計中，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800攝氏度的高溫而不分解，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在400攝氏度時開始熔化。加西亞說：“當工作人員在無塵室中制造這種傳感器時，他們不會有相同的自由度來定義材料和結(jié)構(gòu)，以及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。”

　　重新認識等離子體傳感器的3D打印過程

　　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，該制造過程往往會使材料變得粗糙，并產(chǎn)生瑕疵點。

　　然而，麻省理工學院的科學家在該制造進程中使用了還原性高分子聚合反應，這是幾十年前引入的一種使用聚合物或者樹脂進行增材制造的工藝，在還原聚合技術(shù)中，通過反復將材料浸入盛有Vitrolite液體材料的還原缸，浸入一次會形成一層三維結(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100微米厚度(相當于人類頭發(fā)直徑)，最終反復浸入Vitrolite液體材料，將形成光滑、無孔、復雜的陶瓷結(jié)構(gòu)。

　　在數(shù)字化制造工藝中，設(shè)計文檔中描述的制造對象可能非常復雜，這種高精度設(shè)計需要研究人員使用獨特結(jié)構(gòu)的激光切割網(wǎng)格，當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，研究團隊制作了4個獨特的設(shè)計原型。其中一個設(shè)計原型在捕捉和測量大范圍等離子體方面特別有效，尤其適用于衛(wèi)星軌道勘測等離子體，另一個設(shè)計原型非常適用于測量密度極高、溫度極低的等離子體，這通常僅能用于超精密半導體器件測量。

　　這種高精度設(shè)計可使3D打印傳感器應用于聚變能研究或者超音速飛行，加西亞補充稱，這種快速3D打印工藝甚至可以帶來衛(wèi)星和航天器設(shè)計領(lǐng)域的更多創(chuàng)新。

　　加西亞說：“如果你希望不斷創(chuàng)新，就必須面對失敗并承擔相應的風險，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，因為我們?nèi)阅芸焖偾伊畠r地制作一個新的版本，并在設(shè)計上進行迭代更新。對于研究人員而言，這是一非常理想的沙箱效應。”

　　據(jù)悉，盡管加西亞對最新設(shè)計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，進而創(chuàng)造出精準度更高的復雜裝置。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，從而適應特定的應用場景，例如：在確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的同時大幅減少傳感器重量。