氣溶膠微噴射打印柔性應變傳感器及性能研究

王子文，張遠明，宋時雨，朱濤，侯宗香

（1.臨沂大學 a.自動化與電氣工程學院 b.機械與車輛工程學院，山東 臨沂 276000；2.蘇丹依德里斯教育大學 計算機技術學院，丹戎馬琳 35900）

隨著數字醫療與制造業的發展，靈活柔韌的柔性傳感器可與人體表面完全貼合，實現對人體心率、血氧及運動狀態等健康信號的在線監測[1-4]。柔性應變傳感器可貼附皮膚表面，有效跟蹤皮膚形變且捕捉關鍵信息[5-6]。柔性應變傳感器主要由柔性基底與敏感材料組成[7-8]。柔性基底的特點是可拉伸或彎折，常見的柔性基底材料有聚酰亞胺（PI）[9]、熱塑性聚酯（PET）[10]與聚二甲基硅氧烷（PDMS）等，其中PDMS以其特有的拉伸性能更適合應用在對傳感器拉伸率要求較高的可穿戴設備中[11]。敏感材料的功能是將各種機械信號（應變變化）轉換為電信號（電阻變化），常見的敏感材料包括碳材料（如碳納米管和石墨烯等）[12]、金屬納米線[13]、金屬納米顆粒[14]等。為制造應變傳感器，可以將敏感材料層組裝在柔性基底上或將其嵌入柔性基底內，常見的制備工藝包括印刷、滴鑄、旋涂、轉移等[15]。

氣溶膠微噴射打印技術是一種具有普遍意義的、可在任意材質表面制造電子電路的非接觸式增材制造方法[16-19]。氣溶膠微噴射打印技術的原理是通過采用超聲/氣動霧化方式將柔性電子墨水轉變為氣溶膠，使用載氣將氣溶膠輸運至沉積頭，經鞘氣與噴嘴聚焦后噴射至基底上[20-21]。相較于傳統電子制造技術，氣溶膠微噴射打印技術加工流程簡單，具有高精度、高分辨率的特點，對基底材料和打印墨水材料要求低，能夠實現平面、曲面、空間上的打印[22-23]。得益于科研人員的持續努力，氣溶膠微噴射打印技術的可控性、穩定性和精密程度得到了顯著提升。James等[24]探究了氣溶膠微噴射打印工藝下印刷線的過度噴涂問題，提出了一種2D 圖像處理方法來定量評估過度噴涂的嚴重程度，實驗結果表明，過噴量與印刷線寬成比例，通過增大噴射速度與聚焦比能有效減少過噴現象。Skar?yński 等[25]采用氣溶膠微噴射打印技術印刷了銀納米顆粒高導電電子電路，通過在納米銀墨水中添加表面活性劑和分散劑，提高了超聲波霧化效率，獲得了結構均勻的印刷線，并縮小了印刷圖案的寬度。電學測量結果顯示，與未處理的油墨相比，電阻率值降低了95%。Fujimoto 等[26]利用氣溶膠微噴射打印技術在柔性基底上打印了基于電容的應變傳感器，與市售的高抗伸長率應變計（HE-RSG）相比，印刷電容應變計在高伸長應變測量方面表現出卓越的性能，且當電極排列垂直于應變方向時，觀察到其以5.2 的應變系數運行。Fapanni 等[27]利用氣溶膠微噴射打印技術制備了3D 電化學傳感器和微結構，在不改變基板占用率的情況下將活性表面積增大了130%，并將傳感器靈敏度提高了2.3 倍。但少有利用氣溶膠噴射工藝及銀納米顆粒材料制備柔性電阻傳感器的報道。

本文利用氣溶膠微噴射打印工藝制備了一種應變傳感器，該傳感器采用銀納米顆粒材料作為敏感層，PDMS 作為基底，具備高靈敏度和柔性的特點。利用高精度萬用表采集傳感器的電信號并輸出到上位機進行表征測試，并將傳感器應用于人體手指運動變化的信號檢測中，證明了其具有檢測人體運動的能力。

1 實驗

1.1 氣溶膠微噴射打印工藝參數

實驗中用到的氣溶膠微噴射打印平臺為自主研制，如圖1 所示，該平臺主要由氣溶膠霧化裝置、運動控制系統、流量控制裝置構成，具有柔性電子墨水高效霧化、氣體流量和機械運動精準控制等特點。

圖1 自主研制的氣溶膠微噴射打印平臺Fig.1 Self-developed aerosol micro-jet printing platform

氣溶膠跟隨載氣流動到達沉積頭處會進行2 次聚焦，沉積頭結構如圖2 所示。第1 次聚焦（位置在圖2 中Ⅰ處）是由于沉積頭中引入的鞘氣使氣溶膠射流限制、收縮。第2 次聚焦（位置在圖中2 中Ⅱ處）則是在沉積頭底部的噴嘴上，在此處氣溶膠射流會再次收縮，其原理如圖2 所示。氣溶膠射流在2 次聚焦后可在噴嘴與基底之間2～5 mm 的距離內保證沉積物的高分辨率特性，且可打印出最細達10 μm、最高達10 mm 線寬的有效金屬線，且在噴嘴處的氣溶膠射流與噴嘴內壁之間有一個鞘氣夾層，噴嘴不易被凝固的氣溶膠堵塞。

圖2 氣溶膠微噴射沉積頭結構Fig.2 Structure diagram of aerosol micro-jet deposition head

1.1.1 等離子清洗基底對墨水沉積效果的影響

為研究PDMS 基底對墨水附著力不高的問題，本實驗使用等離子清洗機（深圳納恩科技有限公司，NE-PE02）以功率50 W 預處理一塊PDMS 基底60 s，氣溶膠微噴射打印平臺裝備了納米銀墨水（山東中科智能設備有限公司，ZK-DryCure-Ag），在預處理與未處理的PDMS 基底上打印應變傳感器圖案，設置噴嘴與基板之間的噴射高度為3 mm，噴嘴內徑為0.5 mm，打印速度為10 mm/s，霧化方式為超聲霧化，載氣流量為100 mL/min，鞘氣流量為100 mL/min，用三目透反射正置金相顯微鏡（蘇州景通儀器有限公司，CMY-290）分別觀察墨水在2 個基底上的沉積效果。

1.1.2 工藝參數對打印線寬的影響

氣溶膠微噴射打印線寬受多種工藝參數的影響，如鞘氣流量、載氣流量、噴嘴內徑、噴射高度、打印速度等。在前期研究過程中發現，通過改變鞘氣流量、噴嘴內徑可對打印線寬產生顯著影響，為達到對應變傳感器打印線寬的精確控制，故設置工藝參數實驗來驗證鞘氣流量與噴嘴內徑對打印線寬的影響。本實驗使用納米銀墨水，設置噴嘴與基板之間的噴射高度為3 mm，打印速度為10 mm/s，基板材料為PDMS，霧化方式為超聲霧化，氣溶膠載氣流量為100 mL/min，改變鞘氣流量（50、75、100、125、150 mL/min）與噴嘴內徑（0.1、0.3、0.5 mm），在等離子清洗處理過的PDMS 基底表面打印15 條線段，用三目透反射正置金相顯微鏡測量線段線寬，研究影響打印線寬的工藝參數。

1.2 氣溶膠微噴射打印柔性應變傳感器

首先，將厚度為500 μm 的PDMS 基底放入等離子清洗機中進行表面親水性處理，以提高基底表面的附著力。其次，使用納米銀墨水，設置噴嘴與基板之間的噴射高度為3 mm，噴嘴內徑為0.3 mm，打印速度為5 mm/s，載氣流量為100 mL/min，鞘氣流量為100 mL/min，霧化方式為超聲霧化，在預處理后的PDMS 基底上打印電阻式柔性應變傳感器敏感材料；打印完成后，在敏感材料兩端分別涂抹導電銀漿，并在銀漿中粘貼銅線。最后，烘干固化敏感材料與導電銀漿；完整的制作流程如圖3a 所示。所制作的電阻式柔性應變傳感器如圖3b 所示。本文選用高精度萬用表（Keithley，DMM6510）及其配套上位機軟件對傳感器進行測試與表征，檢測傳感器受力時產生的電信號。

圖3 氣溶膠微噴射打印柔性應變傳感器流程（a）與由氣溶膠微噴射打印制備的柔性應變傳感器（b）Fig.3 Flow chart of aerosol micro-jet printing flexible strain sensor(a) and flexible strain sensor fabricated by aerosol micro-jet printing (b)

1.2.1 柔性應變傳感器穩定性測試

用1.2 節中打印傳感器的步驟，分別打印1、3、5 層3 種電阻式柔性應變傳感器，在不對應變傳感器施加應變的前提下，使用檢測系統測量并記錄100 s內應變傳感器的電阻變化以反映傳感器的穩定性。

1.2.2 傳感器靈敏度標定

利用氣溶膠微噴射打印1 層的傳感器由于沉積厚度較薄，在重復拉伸后銀線裂紋過大，導致傳感器失去導電性。當打印5 層時，傳感器沉積次數過多，導致表面過噴現象嚴重。當打印3 層時，傳感器無明顯過噴現象且電性能穩定，適合用于繼續探究傳感器性能。取1.2.1 節中打印3 層的電阻式柔性應變傳感器，利用拉伸滑軌使傳感器產生水平方向上的應變，如圖4 所示，使用檢測系統測量并記錄不同應變情況下的電阻變化，利用所得數據計算傳感器的靈敏度系數。

圖4 傳感器收縮狀態（a）與傳感器拉伸狀態（b）Fig.4 Contraction state (a) and stretch state (b) of sensor

1.3 手指應變監測實驗

由氣溶膠微噴射打印工藝制備的PDMS 柔性應變傳感器能夠在保證高靈敏度的前提下，更好地貼合人體皮膚，適合用于探究其在人體運動檢測方面的實際效果。由于受到基底材料與柔性電子墨水材料的影響，當傳感器通過膠帶固定在手指關節表面的彎曲角度（θ）大于40°時，電路處于不導通狀態，為確保傳感器能正常工作，使用檢測系統測試手指彎曲角度分別為10°、20°和30°情況下恢復原位時的電阻變化，通過2 次周期性測試驗證柔性應變傳感器的穩定性。

2 結果與分析

2.1 等離子清洗實驗

在使用PDMS 基底打印應變傳感器時，發現霧化后的納米銀墨水在PDMS 表面會凝結成液滴狀，如圖5a 所示。這是因為PDMS 基底表面對納米銀墨水的附著力不夠，納米銀墨水凝結成液滴狀會導致制備的應變傳感器不導電。為解決以上問題，在氣溶膠微噴射打印PDMS 應變傳感器前，對PDMS 基底做等離子清洗處理以增大其對納米銀墨水的表面附著力，進而有效解決墨水凝結問題，如圖5b 所示。這是因為等離子清洗能夠激活基底表面，并產生氧化、氟化等功能團，增加基底表面的活性和親水性，進而有效增大PDMS 基底的附著力。

圖5 氣溶膠微噴射打印柔性PDMS 應變傳感器的銀線表征圖Fig.5 Silver wire characterization of aerosol micro-jet printing flexible PDMS strain sensor: a) PDMS substrate without plasma cleaning treatment; b) PDMS substrate with plasma cleaning treatment

2.2 工藝參數實驗

為實現對打印應變傳感器的線寬控制，設置了工藝參數實驗。當噴嘴內徑為0.5 mm 時，線寬會明顯隨著鞘氣流量的增大而減小，如圖6 所示。觀察銀線形貌后可發現，在鞘氣流量低于100 mL/min 時，銀線寬度誤差會增大，這主要是因為鞘氣流量不高而導致射流聚焦性變差。實驗研究了鞘氣流量（50、75、100、125、150 mL/min）與噴嘴內徑（0.1、0.3、0.5 mm）對銀線寬度的影響，實驗結果如圖7 所示。分析數據發現，打印銀線寬度隨鞘氣流量的增大而減小，這主要是因為增大鞘氣流量使氣溶膠射流更好的限制、收縮，從而減小了打印線寬。

圖6 不同鞘氣流量下的噴印銀線形貌Fig.6 Morphology of jet printing silver lines at different sheath gas flow rates

圖7 鞘氣流量與噴嘴內徑對銀線寬度的影響Fig.7 Effect of sheath gas flow rate and nozzle diameter on silver wire width

2.3 柔性應變傳感器性能標定

測試1.2.1 節中3 組傳感器的初始電阻，結果如圖8 所示?？梢钥吹剑瑐鞲衅麟娮桦S打印層數的增大而成倍減小，這是由于增加打印層數會直接導致銀線橫截面積變大，電阻隨之減小。除此之外，還可觀察到3 個傳感器在無應力狀態下的電阻均較為穩定，證明通過氣溶膠微噴射打印工藝制備的傳感器的導電性良好且穩定可靠。

圖8 不同打印層數應變傳感器100 s 內的電阻值Fig.8 Resistance value of the strain sensor with different printing layers within 100 s

傳感器在水平方向上拉伸、收縮應變時的電阻變化如圖9 所示。結果表明，在0%～3.5%的應變范圍內，傳感器具有較好的線性度，且能夠通過電阻變化反映應變狀態。然而，當應變超過3.5%后，傳感器表面微裂紋過大，導致其無法準確反映被測參數。在傳感器收縮過程中，由于微裂紋恢復的時間延遲，電阻比拉伸時的電阻大，存在一定的遲滯性，其變化規律與拉伸時的基本相同。取傳感器的應變工作范圍為0%～3.5%，依據圖9 中傳感器電阻與應變的關系，計算得到打印3 層的傳感器的靈敏度為163.84，表明其性能良好。電阻式應變傳感器的靈敏度（K）的計算如式（1）所示。

圖9 拉伸與收縮應變傳感器時的電阻變化率Fig.9 Resistance change rate when stretching and shrinking the strain sensor

式中：ΔR為極限應變內傳感器的電阻變化；R為傳感器基礎電阻；ε為傳感器的極限應變。

2.4 柔性應變傳感器檢測手指彎曲程度

利用膠帶將傳感器固定在手指關節皮膚表面，使用檢測系統測試手指彎曲角度θ分別為5°、15°、30°情況下恢復原位時的電阻，并進行了2 次周期性測試，測試結果如圖10 所示。分析數據可得，在重復應變條件下，傳感器顯示出一致的電阻變化規律，這表明其穩定性是可靠的。因為傳感器較小且與手指貼合，形變集中且從PDMS 基底向其他位置擴散，所以產生了穩定的脈沖信號。測試結果表明，傳感器能夠有效檢測手指的彎曲信號，實現運動監測功能，對虛擬現實、醫療健康等領域具有重要意義。該測試可為傳感器性能評估和后續應用開發提供參考。

圖10 手指彎曲5°、15°和30°時的2 次測試結果Fig.10 Two test results when the finger is bent at 5°, 15° and 30°

3 結論

基于氣溶膠微噴射打印工藝，分析了等離子清洗對PDMS 基底上打印銀線沉積效果的影響，通過改變噴嘴內徑與鞘氣流量得出了打印參數對銀線寬度的影響，設計了氣溶膠微噴射打印制備應變傳感器的制作流程，利用三目透反射正置金相顯微鏡對打印銀線進行了表征，通過高精度萬用表檢測傳感器受力時產生的電信號對傳感器性能進行了評估，基于以上研究得出結論如下：

1）利用未處理的PDMS 基底直接打印會因為基底表面附著力低而導致液滴凝聚，等離子清洗處理可有效解決PDMS 基底表面液滴凝聚的現象，比基底處理前銀線沉積效果更好且導電性更佳。

2）增大鞘氣流量或縮小噴嘴內徑可減小打印銀線的線寬（載氣流量不變），當載氣流量為100 mL/min、鞘氣流量高于100 mL/min 時，可有效減少因射流聚焦性差而導致銀線寬度誤差大的現象。

3）使用氣溶膠微噴射打印工藝制作了基于PDMS 基底和納米銀顆粒敏感層的柔性應變傳感器，制備的傳感器的靈敏度為163.84 且在無應力狀態下導電性良好。

4）將制得的柔性應變傳感器應用于人體手指的機械形變檢測中，通過重復實驗證明了傳感器能夠準確檢測人體的微小運動變化，打印的柔性應變傳感器可在人體運動檢測設備上發揮重要作用。