3D打印適用人造衛星的高精度等離子體傳感器

呂惠

據報道，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，該設備成本較低，且易于制造，這些數字化設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、生產速度快，這種新型傳感器是立方體衛星的理想選擇，立方體衛星成本低廉、功率第且重量輕，經常用于地球上層大氣的通信和環境監測。

該研究團隊使用比硅和薄膜涂層等傳統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技術實驗室（MTL）首席科學家路易斯·費爾南多·委拉斯奎茲·加西亞說：“增材制造會在未來太空硬件領域產生重大影響，一些人認為，當3D打印一些物體時，必須認可其性能較低，但我們現已證明，情況并非總是這樣。”目前這項最新研究報告發表在近期出版的《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中。在立方體衛星這樣的軌道航天器上，等離子體傳感器可測量能量變化，并進行化學分析，從而有助于科學家預測天氣或者監測氣候變化。

該傳感器包含一系列布滿小孔的帶電網格，當等離子體通過小孔時，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鍵是對齊網格的孔狀結構，它必須具有電絕緣性，同時能夠承受溫度的劇烈波動，研究人員使用一種支持3D打印的玻璃陶瓷材料———Vitrolite，它滿足以上特性。據悉，Vitrolite材料最早出現于20世紀初，常應用于彩色瓷磚設計中，成為裝飾藝術建筑中最常見的材料。持續耐用的Vitrolite材料可承受高達800℃的高溫而不分解，而集成電路結構的等離子體傳感器中的高分子材料會在400℃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構，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展。”

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構，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構，每一層結構形成后，再用紫外線將材料固化，每層結構僅100μm厚度，相當于人類頭發直徑，最終反復浸入Vitrolite液體材料，將形成光滑、無孔、復雜的陶瓷結構。

在數字化制造工藝中，設計文檔中描述的制造對象可能非常復雜，這種高精度設計需要研究人員使用獨特結構的激光切割網格，當打印完成后安裝在等離子體傳感器外殼中，小孔狀結構能完美地排列，使更多的離子通過其中，從而獲得更高精度的測量數據。

由于該傳感器生產成本低，且制作速度快，研究團隊制作了4個獨特的設計原型。其中一個設計原型在捕捉和測量大范圍等離子體方面特別有效，尤其適用于衛星軌道勘測等離子體，另一個設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的測量。

這種高精度設計可使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星和航天器設計領域的更多創新。如果你希望不斷創新，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，也沒什么關系，因為我們仍能快速且廉價地制作一個新的版本，并在設計上進行迭代更新。對于研究人員而言，這是一個非常理想的沙箱效應。”

據悉，盡管加西亞對最新設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化傳感器設計，從而適應特定的應用場景，例如：在確保結構穩定的同時大幅地減少傳感器重量。