柔性传感器因其在弯折、扭曲、拉伸等大变形条件下具有稳定的传感性能，在软体机器人、可穿戴电子和生物医疗等领域被广泛应用。柔性传感器的主要制造方法包括光刻技术和印刷技术等。印刷技术制造作为增材制造，具有绿色、低成本和可大面积制造的优势。其中，电流体动力喷墨打印（电喷印）技术因其具有多种功能材料的兼容性，有望替代传统光刻技术，实现柔性传感器的高分辨率和跨规模制造，为柔性电子产品的低成本、绿色制造和微小型化开辟新的道路。
据麦姆斯咨询报道，为了探讨研究电喷印刷柔性传感器的技术与发展趋势，来自天津大学理学院、天津市分子光电科学重点实验室的研究人员在《化学进展》期刊发表了题为“电喷印刷柔性传感器”的综述文章，重点介绍了电喷印刷柔性传感器的工艺、材料和应用的最新研究进展，并讨论了下一代电喷印刷技术在柔性传感器领域的机遇与挑战。
电喷印刷柔性传感器
电流体动力喷墨打印
电流体动力喷墨打印是一种利用高压产生电场，进而将功能墨水按照预先设计的图案印刷到基底，从而实现高分辨率图案化的印刷技术。在材料和工艺方面，设计适于电喷印刷的功能墨水配方，调控墨水与柔性基底的表面能匹配，探索最佳打印参数实现泰勒锥喷射，是实现柔性传感器的微型化、高精度、高分辨率印刷的关键环节。目前，金属材料、聚合物材料、金属氧化物材料和碳导电材料等多种功能材料被应用于制备高性能可印刷功能墨水，应用于制备高分辨率的压力、气体和电化学等柔性传感器。
金属材料用于电喷印刷功能材料制备的相关研究成果：（a）在柔性基底上电喷印刷银墨水的微电极阵列；（b）和（c）印刷的高分辨率图案；（d）曲面玻璃上电喷印刷金墨水的光学照片；（e）和（f）在12 V DC电压下加热器的红外图像
聚合物材料用于电喷印刷功能材料制备的相关研究成果：（a）PEDOT:PSS/ GR/ SWCNT墨水制备工艺流程图；（b）聚苯胺墨水电喷印刷在电极上
碳导电材料用于电喷印刷功能材料制备的相关研究成果：（a）氧化石墨烯作为墨水的电喷印示意图；（b）印刷微尺度石墨烯不同图案的光学显微照片
金属氧化物材料用于电喷印刷功能材料制备的相关研究成果：（a）电喷印刷通过静电纺丝和破碎工艺制备的金属氧化物纳米纤维；（b）在传感电极和加热器上电喷印刷制备纳米纤维气体传感器阵列
电喷印刷柔性传感器的应用
柔性压力传感器因其具有柔性、耐用性、高度生物相容性等特点紧密黏附在人体皮肤上，从而实现对如心率、呼吸频率等生理健康指标的实时监测。有研究人员通过电喷印刷的方法制备出微型金属导体，以此创建了具有金属导电性、出色柔韧性和可拉伸性的导电路径，展示了在应用时可重复使用的巨大优势，相关研究成果可用于定向制造柔性和可拉伸设备。
电喷印刷压力传感器相关研究成果：（a）柔性压力传感器制备过程示意图；（b）手指弯曲不同角度的图像和颈部肌肉的微运动的监测
为了提高气体传感器的灵敏度、选择性、稳定性等性能，许多研究人员将研究重心放在功能墨水的功能材料选择上。有研究人员利用电喷印的方法，通过优化印刷参数，制备了最小直径小于50 μm的电纺纳米纤维的微尺度图案，随后集成了气体传感器阵列，可用于检测有毒气体，如NO2、CO和H2S。通过电喷印刷的纳米纤维微米尺度图案可以应用于悬浮的MEMS平台，而不会造成任何结构损坏。这些工作满足了环境监测和医疗保健诊断等领域对柔性传感器的微型化需求。
电喷印刷气体传感器相关研究成果：（a）在不同电压下方波和三角波形状中的电喷印刷线条图案的光学显微镜图像；（b）传感器在MEMS平台的应用；（c）电喷印刷纳米纤维材料的扫描电子显微镜图
利用电喷印制造技术制备高灵敏度、微型化电化学传感器，已成为可穿戴式传感器的研究热点。有研究人员通过按需滴墨（DoD）的电喷印模式，使用高度浓缩的石墨烯墨水制备了微尺度石墨烯图案，为制备高性能电化学传感器装置提供了新思路。这些工作有望解决健康医疗等领域急需能够监测和检测各种生物和化学化合物的低成本、高灵敏度、微型化电化学传感器的问题。
电化学传感器相关研究成果：（a）（b）按需喷墨模式脉冲电压示意图；（c）按需喷墨印刷点阵列；（d）喷墨印刷连续线；（e）印刷石墨烯线电阻率和线宽随印刷次数的变化；（f）一次印刷石墨烯微结构的拉曼图像
尽管电喷印技术在高分辨率柔性传感器印刷制造领域具有柔性衬底兼容性、高分辨率、微小型图案的印刷、符合绿色发展等优势，然而，电喷印刷高性能柔性传感器仍然面临诸多挑战与机遇。
因此，通过设计制备高性能的墨水材料和柔性基底材料，调控墨水和基底的表界面性能，优化印刷过程中的印刷参数，利用电喷印刷的多喷头打印和多场协同技术，实现柔性电子器件的高效率、高分辨率、大面积制造将是下一代电喷印技术面临的巨大机遇和挑战。随着相关瓶颈的突破，电喷印刷技术将在软体机器人、可穿戴电子、生物医疗等领域进一步拓展更多应用。
论文链接：https://doi.org/10.7536/PC211217
延伸阅读：
《印刷和柔性传感器技术及市场-2021版》
《3D打印和增材制造技术及市场-2022版》
