下一代電噴印刷技術(shù)在柔性傳感器領(lǐng)域的機遇與挑戰(zhàn)

柔性傳感器因其在彎折、扭曲、拉伸等大變形條件下具有穩(wěn)定的傳感性能，在軟體機器人、可穿戴電子和生物醫(yī)療等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。柔性傳感器的主要制造方法包括光刻技術(shù)和印刷技術(shù)等。印刷技術(shù)制造作為增材制造，具有綠色、低成本和可大面積制造的優(yōu)勢。其中，電流體動力噴墨打?。妵娪。┘夹g(shù)因其具有多種功能材料的兼容性，有望替代傳統(tǒng)光刻技術(shù)，實現(xiàn)柔性傳感器的高分辨率和跨規(guī)模制造，為柔性電子產(chǎn)品的低成本、綠色制造和微小型化開辟新的道路。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，為了探討研究電噴印刷柔性傳感器的技術(shù)與發(fā)展趨勢，來自天津大學(xué)理學(xué)院、天津市分子光電科學(xué)重點實驗室的研究人員在《化學(xué)進展》期刊發(fā)表了題為“電噴印刷柔性傳感器”的綜述文章，重點介紹了電噴印刷柔性傳感器的工藝、材料和應(yīng)用的最新研究進展，并討論了下一代電噴印刷技術(shù)在柔性傳感器領(lǐng)域的機遇與挑戰(zhàn)。

電流體動力噴墨打印

電流體動力噴墨打印是一種利用高壓產(chǎn)生電場，進而將功能墨水按照預(yù)先設(shè)計的圖案印刷到基底，從而實現(xiàn)高分辨率圖案化的印刷技術(shù)。在材料和工藝方面，設(shè)計適于電噴印刷的功能墨水配方，調(diào)控墨水與柔性基底的表面能匹配，探索最佳打印參數(shù)實現(xiàn)泰勒錐噴射，是實現(xiàn)柔性傳感器的微型化、高精度、高分辨率印刷的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，金屬材料、聚合物材料、金屬氧化物材料和碳導(dǎo)電材料等多種功能材料被應(yīng)用于制備高性能可印刷功能墨水，應(yīng)用于制備高分辨率的壓力、氣體和電化學(xué)等柔性傳感器。

金屬材料用于電噴印刷功能材料制備的相關(guān)研究成果：（a）在柔性基底上電噴印刷銀墨水的微電極陣列；（b）和（c）印刷的高分辨率圖案；（d）曲面玻璃上電噴印刷金墨水的光學(xué)照片；（e）和（f）在12 V DC電壓下加熱器的紅外圖像

聚合物材料用于電噴印刷功能材料制備的相關(guān)研究成果：（a）PEDOT:PSS/ GR/ SWCNT墨水制備工藝流程圖；（b）聚苯胺墨水電噴印刷在電極上

碳導(dǎo)電材料用于電噴印刷功能材料制備的相關(guān)研究成果：（a）氧化石墨烯作為墨水的電噴印示意圖；（b）印刷微尺度石墨烯不同圖案的光學(xué)顯微照片

金屬氧化物材料用于電噴印刷功能材料制備的相關(guān)研究成果：（a）電噴印刷通過靜電紡絲和破碎工藝制備的金屬氧化物納米纖維；（b）在傳感電極和加熱器上電噴印刷制備納米纖維氣體傳感器陣列

電噴印刷柔性傳感器的應(yīng)用

柔性壓力傳感器因其具有柔性、耐用性、高度生物相容性等特點緊密黏附在人體皮膚上，從而實現(xiàn)對如心率、呼吸頻率等生理健康指標(biāo)的實時監(jiān)測。有研究人員通過電噴印刷的方法制備出微型金屬導(dǎo)體，以此創(chuàng)建了具有金屬導(dǎo)電性、出色柔韌性和可拉伸性的導(dǎo)電路徑，展示了在應(yīng)用時可重復(fù)使用的巨大優(yōu)勢，相關(guān)研究成果可用于定向制造柔性和可拉伸設(shè)備。

電噴印刷壓力傳感器相關(guān)研究成果：（a）柔性壓力傳感器制備過程示意圖；（b）手指彎曲不同角度的圖像和頸部肌肉的微運動的監(jiān)測

為了提高氣體傳感器的靈敏度、選擇性、穩(wěn)定性等性能，許多研究人員將研究重心放在功能墨水的功能材料選擇上。有研究人員利用電噴印的方法，通過優(yōu)化印刷參數(shù)，制備了最小直徑小于50 μm的電紡納米纖維的微尺度圖案，隨后集成了氣體傳感器陣列，可用于檢測有毒氣體，如NO2、CO和H2S。通過電噴印刷的納米纖維微米尺度圖案可以應(yīng)用于懸浮的MEMS平臺，而不會造成任何結(jié)構(gòu)損壞。這些工作滿足了環(huán)境監(jiān)測和醫(yī)療保健診斷等領(lǐng)域?qū)θ嵝詡鞲衅鞯奈⑿突枨蟆?/p>

電噴印刷氣體傳感器相關(guān)研究成果：（a）在不同電壓下方波和三角波形狀中的電噴印刷線條圖案的光學(xué)顯微鏡圖像；（b）傳感器在MEMS平臺的應(yīng)用；（c）電噴印刷納米纖維材料的掃描電子顯微鏡圖

利用電噴印制造技術(shù)制備高靈敏度、微型化電化學(xué)傳感器，已成為可穿戴式傳感器的研究熱點。有研究人員通過按需滴墨（DoD）的電噴印模式，使用高度濃縮的石墨烯墨水制備了微尺度石墨烯圖案，為制備高性能電化學(xué)傳感器裝置提供了新思路。這些工作有望解決健康醫(yī)療等領(lǐng)域急需能夠監(jiān)測和檢測各種生物和化學(xué)化合物的低成本、高靈敏度、微型化電化學(xué)傳感器的問題。

電化學(xué)傳感器相關(guān)研究成果：（a）（b）按需噴墨模式脈沖電壓示意圖；（c）按需噴墨印刷點陣列；（d）噴墨印刷連續(xù)線；（e）印刷石墨烯線電阻率和線寬隨印刷次數(shù)的變化；（f）一次印刷石墨烯微結(jié)構(gòu)的拉曼圖像

盡管電噴印技術(shù)在高分辨率柔性傳感器印刷制造領(lǐng)域具有柔性襯底兼容性、高分辨率、微小型圖案的印刷、符合綠色發(fā)展等優(yōu)勢，然而，電噴印刷高性能柔性傳感器仍然面臨諸多挑戰(zhàn)與機遇。

因此，通過設(shè)計制備高性能的墨水材料和柔性基底材料，調(diào)控墨水和基底的表界面性能，優(yōu)化印刷過程中的印刷參數(shù)，利用電噴印刷的多噴頭打印和多場協(xié)同技術(shù)，實現(xiàn)柔性電子器件的高效率、高分辨率、大面積制造將是下一代電噴印技術(shù)面臨的巨大機遇和挑戰(zhàn)。隨著相關(guān)瓶頸的突破，電噴印刷技術(shù)將在軟體機器人、可穿戴電子、生物醫(yī)療等領(lǐng)域進一步拓展更多應(yīng)用。

審核編輯：郭婷