基于鎵基液態(tài)金屬的柔性傳感的研究進展

Research progress on flexible sensing based on gallium-based liquid metals

摘要：鎵基液態(tài)金屬（Gallium-based liquid metal，Ga-LM）具有高導電性、高拉伸性、高生物相容性和低毒性等優(yōu)異性能，在柔性電子領域表現(xiàn)出巨大的應用潛力。然而由于Ga-LM特殊的流變性和氧化性，在控制成型和實際應用方面帶來了一定的挑戰(zhàn)。基于此，本文綜述了Ga-LM在柔性傳感領域研究與應用進展，介紹了Ga-LM傳感器的不同基底特性及成型工藝，并分析了各自對應的優(yōu)勢、存在的問題和解決方案，旨為Ga-LM在柔性傳感器領域的進一步研究和應用提供經驗與參考。

關鍵詞：

鎵基液態(tài)金屬;柔性傳感器;智能可穿戴;柔性基底;液態(tài)金屬的成型;印刷

中圖分類號： TS101.8; TP212.6

文獻標志碼： A

文章編號： 1001-7003（2025）02期數(shù)-0045起始頁碼-09篇頁數(shù)

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2025.02期數(shù).006（篇序）

近年來，隨著新材料和新工藝的不斷涌現(xiàn)，柔性傳感技術的發(fā)展在國內外科研界和產業(yè)界呈現(xiàn)出蓬勃的態(tài)勢，并得到了眾多行業(yè)的廣泛關注。柔性傳感器件集機械靈活性和智能電子功能于一體，與傳統(tǒng)的剛性電子產品相比，已經在醫(yī)療健康、運動監(jiān)測、人機交互和數(shù)據(jù)通信等領域有了長足的應用和發(fā)展。但在柔性傳感器件的制作過程中，不僅要考慮電子器件的物理穩(wěn)定性，還要考慮使用者的舒適性和安全性，尤其是在人體運動的過程中不僅要保證傳感器緊貼皮膚并實現(xiàn)拉伸和彎曲，還要保持性能穩(wěn)定并實現(xiàn)精準檢測。目前，采用傳統(tǒng)材料制造的傳感器件往往無法兼顧上述性能，且制造期間通常需要昂貴的設備、復雜的步驟、高標準的操作環(huán)境，這些因素也限制了柔性傳感器的大規(guī)模制造和使用。

針對上述問題，材料的優(yōu)化提供了一條創(chuàng)新的途徑。鎵基液態(tài)金屬（Ga-LM）作為新一代先進電子材料，以其固有的高導電性（3.4×10⁶"S/m）、良好的環(huán)境穩(wěn)定性、近乎不計的毒性^［1］及特有的流動性，成為柔性傳感器制造的理想候選材料之一。因此，本文旨在綜述Ga-LM在柔性傳感技術領域的研

究進展，探討其存在的問題和挑戰(zhàn)，并展望未來的發(fā)展方向。首先，本文通過對Ga-LM傳感器的柔性基底進行分類，不同的柔性基底材料對傳感器的性能、穩(wěn)定性及應用領域有著重要影響，這將有助于加深對Ga-LM柔性傳感器工作原理的理解;其次，對Ga-LM的成型方式進行歸納分析，成型方式的選擇不僅關系到傳感器的制備工藝和成本，還直接影響到傳感器的性能表現(xiàn)和制備效率，這將促進傳感器性能的進一步優(yōu)化和提升。

1"G-LM柔性傳感器的基底材料

基底材料是決定傳感器性能的關鍵^［2］，因此對柔性基底材料的研究已成為現(xiàn)階段柔性傳感器領域的研究熱點。基于此，本文對于常用的Ga-LM柔性傳感器的基底材料進行了分類，主要分為薄膜基底材料、紡織基底材料和其他（如紙基、水凝膠等）基底材料，具體類型如圖1所示。各種基底Ga-LM傳感器的具體性能如表1^［3-12］所示。

1.1"薄膜基底材料

傳統(tǒng)的柔性電子器件通常由笨重的金屬和堅固的復合材料組成，不能滿足靈活柔軟的要求。而聚合物材料制備的薄膜基底具有顯著的電絕緣性、熱穩(wěn)定性、低彈性模量和低蠕變性等^［13］，且易于電子器件結合的特性為其與功能納米材料結合和柔性傳感器的多功能設計提供了條件，使其逐漸成為柔性傳感器基底材料的理想選擇。

1.1.1"聚二甲基硅氧烷（PDMS）

PDMS是一種有機高分子聚合物，由于其穩(wěn)定的化學性質、生物相容性和熱穩(wěn)定性，所以逐漸成為柔性電子器件領域廣泛使用的基底材料。除此之外，研發(fā)者可以通過表面改性或調整分子組成等技術手段來改變PDMS的某些物理或化學性質，從而實現(xiàn)柔性傳感器性能的進一步提升^［14］。

Yuan等^［15］利用旋涂法制備改性PEIE-PDMS膜作為該傳感器的柔性基底，其楊氏模量從1 MPa提高到12.04 kPa，斷裂伸長率從70%提高到270%，在柔韌性和斷裂伸長率方面明顯表現(xiàn)出更好的力學性能，最終使傳感器能夠契合人體皮膚變形，進而達到收集、輸送、儲存和檢測汗液的目的。Wang^［16］等將Ga-LM與PDMS混合并制備的薄膜的楊氏模量比純PDMS薄膜的低約10倍，之后利用空氣壓力控制針管注射器，在柔性基底上印刷出蛇形結構的電路。該可加熱傳感器具有高拉伸性（gt;100%應變）和良好的導電性（1.81×10³"S/cm），同時具有良好的電學和熱學穩(wěn)定性。

1.1.2"苯乙烯—丁二烯—苯乙烯嵌段共聚物（SBS）

SBS是世界上產量最大、成本最低的熱塑性彈性體，其具備優(yōu)良的柔韌性和抗低溫性能是導電彈性體材料理想的基底材料。SBS薄膜具有大拉伸、可再加工性和能夠改性成各種定制形狀變形彈性體的優(yōu)點，同時其獨特的微結構還具有優(yōu)異的形狀恢復性。

Ma等^［4］利用靜電紡絲制備厚度約320 μm、斷裂應變2 300%的SBS納米纖維膜，該基底為網(wǎng)狀多孔結構，表現(xiàn)出優(yōu)異的滲透性和拉伸性。之后通過簡單的涂覆法將Ga-LM印刷到納米SBS膜的表面，最后在大應變下反復拉伸獲得同時具有高電導率（1×10⁴"S/m）、高穩(wěn)定性（Q值為441）的彈性導體。Tang等^［17］開發(fā)了多層電路轉印文身技術設計了一種有三層結構的電子文身，其中的導電層是以具有支撐力且電絕緣的SBS彈性體為基底，通過絲網(wǎng)印刷高濃度Ga-LM顆粒墨水來制備電路。該電路層厚度僅為14 μm，最大應變可達800%，在1 000次50%應變循環(huán)測試中，電路層的導電性和機械特性依然保持穩(wěn)定。

1.1.3"脂肪族—芳香族無規(guī)共聚酯（Ecoflex）

Ecoflex是一種鉑金催化硅膠，具有彈性好、防水和可降解的優(yōu)良性能。在柔性電子學領域，Ecoflex具備低模量和高拉伸性能（900%）的特點，同時也被認定為皮膚相容和環(huán)境友好型材料，因此得到了廣泛的研究。

Yeh等^［18］將Ga-LM封裝在一個仿生鯊魚皮的Ecoflex微結構中，獨特的Ecoflex表面形態(tài)賦予了基底疏水性，這防止了在傳感過程中Ga-LM黏附，并有助于高靈敏度的信號實時監(jiān)測和長期穩(wěn)定性。Kouediatouka等^［5］在PDMS/Ecoflex共混物基體上制備了CNTs/Ga-LM復合涂層。該傳感器在較低和較高施加的壓力應變下表現(xiàn)出較強的靈敏度和可恢復性，靈敏度（GF）為20.6（ε=10%）至57（ε=30%），并且響應時間相對較快（70 ms）。

隨著技術手段的發(fā)展，各種新型高分子聚合物材料層出不窮，尤其在人體皮膚和柔性傳感領域備受青睞，但由于Ga-LM與彈性體之間存在化學性質的差異導致黏附在基底表面的Ga-LM裂紋、起皺等問題頻發(fā)。研究人員也在積極尋求解決方式，Wang等^［19］通過先澆鑄固化后剝離活化Ga-LM顆粒的技術，構建了具有電穩(wěn)定性和強界面結合的導體，有效地改善了界面黏附特性（流體—固體界面黏附力從0.48 mN/mm²增加到0.62 mN/mm²）。另外，由于部分聚合物薄膜通常具有導熱性較差、機械強度和剛性較低的缺點，因此在進行設計和制作傳感器時要考慮使用的環(huán)境和條件，擇優(yōu)選擇柔性基底或構建Ga-LM復合材料，實現(xiàn)Ga-LM與基底之間的強界面結合以進一步達到長期循環(huán)穩(wěn)定性。

1.2"紡織基底材料

各種柔性傳感器在實際使用時往往需要進行外部封裝，因此透氣透濕性和舒適性會受到一定程度的損害。為了使傳感器件保持柔軟、透氣與生物相容的優(yōu)良特性，具有獨特結構和功能的紡織基底逐漸被用于各種領域。紡織基底主要以纖維、紗線和織物的形式作為傳感器的基底材料，相比于其他基底材料制備的柔性傳感器來說，不僅可以實現(xiàn)準確的信號捕獲和監(jiān)測，還可以確保消費者日常使用的舒適性^［20］，更加具備靈活便捷、易于集成和靈敏度高等方面的顯著優(yōu)勢。

1.2.1"纖維基底

纖維基柔性傳感器可以較為簡便地集成到織物服裝當中，且可以隨意地被壓縮、扭曲、變形，能更好地貼于人體皮膚等三維凹凸不平的曲面上^［21］。制造Ga-LM復合纖維的典型方法主要有三種，分別是將Ga-LM注入到中空纖維中，將Ga-LM覆蓋在纖維表面或將Ga-LM直接拉伸成纖維^［22］。

Gu等^［23］將Ga-LM注入到中空SBS纖維中，制備了具有靜態(tài)和動態(tài)應變傳感功能及超穩(wěn)定電性能（10 000次循環(huán)保持穩(wěn)定）的高柔性傳感纖維，并進一步設計出一種可進行人機交互的無線智能手套，具有低成本、高集成度的優(yōu)良特點。Liang等^［24］分別在聚酯纖維和碳纖維外層噴涂Ga-LM，開發(fā)出具有芯鞘結構的柔性智能Ga-LM纖維。這些Ga-LM纖維的橫截面呈環(huán)狀結構，表面光滑，其電導率高達7.8×10⁴"S/m，可以用于彎曲傳感器、觸摸傳感器和手勢傳感器等多個領域。Ma等^［25］利用Ga-LM優(yōu)異的延展性將其固定為3D螺旋結構的導線，再通過浸涂和水浴的方法在導線外部薄涂一層聚氨酯（PU），從而提供了一種有效的方法來制備超細Ga-LM纖維。使用這種方法制備出的Ga-LM導電纖維具有1 273%的高斷裂應變，在283%應變以上能夠保持恒定的電導率。

1.2.2"紗線基底

紗線是紡織品的基礎組成單元，基于紗線基底的柔性傳感產品可以實現(xiàn)拉伸、彎曲等動作。傳統(tǒng)的制造導電紗線的方法之一是涂覆法，即將導電材料作為涂層附在紗線表面，這種方法簡便快捷、成本較低且克服了難以彎曲和拉伸的缺陷^［26］，是較為常用的制造方法。

Uzabakiriho等^［27］通過兩次靜電紡絲技術制備了一種具有三層結構的先進納米紗線。該導電紗線具有高機械強度（40 MPa）和高應變（548%）的特性使其在組裝應變傳感器方面具備明顯優(yōu)勢。Dou等^［7］通過簡單的摩擦紡紗技術制成了一種Ga-LM/CNTs/PET復合紗線，該多層復合紗線具有較寬的應變范圍（0～200%）和高電導率（3.8×10⁵"S/m）。同時，這種多層結構賦予了傳感器良好的傳感性能（在175%～203%的應變下GF為6.7）和可恢復性（1 000次循環(huán)），不僅可以用于日常傳感監(jiān)測，也為各種機械刺激下的多模態(tài)監(jiān)測提供了很大的應用空間。

1.2.3"織物基底

紡織基柔性傳感器具有親膚、透氣及自適應人體結構變化的特性，在可穿戴設備領域展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。集成Ga-LM織物傳感器的方法有多種，可以通過將Ga-LM印刷或涂覆到基材紡織品的多孔結構中來制造，亦可通過將Ga-LM導電紗線經過各種紡織或刺繡工藝的方法集成到織物傳感器。

Kwon等^［28］提出了一種簡單且可控的方法，通過使用Ga-LM來涂覆織物，以促進液態(tài)金屬銅合金（Ga-LMCu）顆粒的沉積。這款涂層在多次使用后依然保持其效能，具備出色的抗污染能力，能夠有效抵御液滴和氣溶膠的侵蝕。Lin等^［29］利用所得到的Ga-LM纖維，通過數(shù)字化刺繡工藝將預先設計好的圖案準確地轉移到現(xiàn)有服裝上，得到具有無線電力傳輸和通信功能的電子紡織品。該傳感器具有高靈敏度（13.56 MHz時Q值達到44.4）、耐磨性（彎曲超過24 000次，電阻變化小于2%）和可洗滌性（機洗超過10 h，電阻變化小于3%）。

綜上所述，纖維作為柔性傳感器的重要的主體材料之一，能保持優(yōu)良的柔韌性和結構穩(wěn)定性，對應力應變響應靈敏^［30］。然而，纖維通常機械強度較低和尺寸穩(wěn)定性不佳而限制了其應用的范圍。與之相比，紗線因具有更高的韌性和線密度^［31］而更廣泛應用于柔性傳感器制造，也可進一步通過編織、針織、刺繡和縫合等工藝^［32］制備出性能更優(yōu)的傳感器。單層織物可以通過層壓、集成等組裝成多層、多維度的織物，其更加立體的空間結構可以使織物傳感器實現(xiàn)多點采集、多效推進，從而制備出更理想的電子智能紡織品并展現(xiàn)出多功能傳感應用上的優(yōu)勢。但Ga-LM易在反復拉伸和使用過程中導致外層導電材料脫黏和剝離，從而使傳感效果劣化。基于這種情況，可采取外層封裝技術^［33］或使用改性Ga-LM來降低自身流動性并提高黏附性能。

1.3"其他基底材料

在柔性傳感器的各種基底中，紙基是最廉價易得的一種。同時由于各種材料的開發(fā)和結構的變化，紙基已逐漸具備導熱性、導電性、可降解性和穩(wěn)定性等多種優(yōu)良特性。Li等^［9］借鑒剪紙結構制備了一種液態(tài)金屬紙基電極，這種電極的電導率達到3.1×10⁵"S/cm，由于其具備特殊結構，所以在不同的變形類型下表現(xiàn)出穩(wěn)定的導電性，包括拉伸、扭曲和彎曲等。Kim等^［10］利用Ga-LM選擇性潤濕性能，最終成功地將LM在紙上圖案化。該紙基Ga-LM電路可以承受至少2 000次折疊，電導率約為3.5×10⁴"S/cm。

水凝膠是親水聚合物的三維（3D）交聯(lián)網(wǎng)絡，可以吸收和保留大量的水，它的出現(xiàn)為柔性傳感器提供了一個優(yōu)良的基底選擇。Peng等^［12］發(fā)現(xiàn)CNTs和Ga-LM結合形成的復合物所制備的水凝膠具有超拉伸性（1 200%）、高拉伸強度（0.96 MPa）、出色的應變敏感性（GF=15.40，ε=300%～500%）和快速響應（649 ms）等特點，可以用于人體各個部位的運動傳感器。Hao等^［34］利用聚丙烯酰胺—甲基丙烯酸共聚物［P（AAm-co-MAAc）］為基體制作水凝膠，并在其上面通過模板印刷使Ga-LM形成圖案。最后得到的軟體電子設備（HSE）具有自成形能力，可以固定在具有幾何曲面的物體或器官上。

隨著技術手段的提高，各種新興基底材料相繼涌現(xiàn)。然而每種材料都有其局限性，如紙基雖制備工藝簡單，但易損耗且防水性較差;水凝膠基底雖制備工藝成熟可控，但易使肌膚過敏、生物降解性較差。為了克服這些缺點，研究人員正在探索通過改進紙基材料的結構和處理工藝，如添加防水涂層或增強纖維結構，來提高其耐用性和防水性;同時也在尋找更安全、更環(huán)保的材料來替代水凝膠中的敏感成分，并探索通過改變水凝膠的交聯(lián)方式和結構^［35］，提高其生物降解性和降低過敏風險。

2"Ga-LM的成型方法

Ga-LM的成型是實現(xiàn)柔性傳感器功能化的關鍵工藝步驟。基于Ga-LM獨特的物理化學性質，研究人員設計和探索了不同的Ga-LM柔性電路的制作方法。到目前為止，印刷方法是最核心的技術。印刷技術不僅充分發(fā)揮了Ga-LM材料的優(yōu)勢，還為實現(xiàn)柔性電路的規(guī)模化生產與應用奠定了堅實基礎。除了印刷技術之外，還存在微流體技術、燒結法等多種方法，如圖2所示。

2.1"印"刷

鑒于Ga-LM材料本身所具備的流動性和黏附性特點，以及印刷技術在低成本、個性化、低能耗、環(huán)保等方面具有明顯優(yōu)勢，使得印刷方法成為制造Ga-LM柔性傳感器最為普遍的技術手段。在眾多印刷技術中，直接印刷、絲網(wǎng)印刷及增材制造等方法均得到了廣泛的應用。

2.1.1"直接印刷

直接印刷是使Ga-LM快速圖案化的最簡單方法，如圖2（a）^［40］所示，其具體操作是直接涂覆或使用筆狀工具將Ga-LM寫在基底上。Wu等^［40］將Ga-LM擠壓在預沉積的靜電紡絲膜上，制造出分辨率僅有50 μm的電路。該薄膜傳感器表現(xiàn)出580%的拉伸應變，電阻從初始到500%應變僅變化5.89倍。Rahim等^［41］開發(fā)了單寧酸穩(wěn)定的Ga-LM油墨，用于各種軟硬基底。該油墨可以用直徑約為700 μm圓珠筆直接書寫在各種軟硬基底上，實現(xiàn)了高分辨率螺旋導電圖案的手動和自動印刷。直接印刷的方法操作快捷安全、成本較低，可控性較高，適合制備圖案簡單的平面基底柔性傳感器，其傳感效果與Ga-LM油墨的材料組成、物理化學性質及油墨與基底的黏合程度密不可分。

2.1.2"增材制造

增材制造是一種通過逐層堆積Ga-LM材料來構建三維電路結構新興技術，如圖2（b）^［42］所示。與傳統(tǒng)方法相比，增材制造可以極大地保存圖案的完整性和復雜性，縮減單個電子產品的制造時間，提高電路圖的精準度和分辨率。Park等^［42］使用普通玻璃毛細管通過拉管機加工而成的精細噴嘴進行Ga-LM打印，通過協(xié)調氣動壓力和移動打印平臺的操作可以實現(xiàn)最小線寬為1.9 μm的Ga-LM的精確圖案化，甚至在扭結或彎曲圖案的拐角處獲得均勻的線寬。該研究已經證明了增材制造具有創(chuàng)建小型化、高分辨率和集成的電路的能力。然而，鑒于Ga-LM的高表面張力及較弱的潤濕性，當進行打印操作時，Ga-LM更易于形成球形液滴而非連續(xù)性的線條^［43］。這一現(xiàn)象不僅影響了打印過程的穩(wěn)定性，也會最終對傳感器的形態(tài)和性能產生顯著影響。基于這種情況，研究人員通過調整增材制造過程中的流量、壓力和機器結構等參數(shù)來優(yōu)化打印過程中的材料流動性和分布均勻性，也可在Ga-LM油墨中摻雜其他分子材料^［44］來改進印刷油墨的性能。

2.1.3"絲網(wǎng)印刷

絲網(wǎng)印刷又稱掩模印刷，如圖2（c）^［45］所示，具體操作是通過刻有特定圖案的模板，可以使用刮刀或輥輪將Ga-LM油墨有選擇地刮涂到各種基底材料上。Wang等^［44］將通過靜電紡絲技術獲得熱塑性聚氨酯（TPU）納米纖維膜作為柔性基底，然后利用模板印刷在基底上構造LM圖案化電路。絲網(wǎng)印刷靈活高效，印刷出的圖案厚度較為均勻，其分辨率取決于印刷基板上刻口的尺寸精度。為了保持人工刮涂壓力的均勻性，Guo等^［45］選擇將萬能測力儀固定在刷子上進行后續(xù)操作，Sun等^［46］使用旋涂機對Ga-LM進行模板印刷，這些方法都是為了均勻施加壓力，有助于去除多余的Ga-LM來保持圖案的完整性。

2.2"微流體技術

近些年來，微流體技術由于其低能耗、低樣品消耗率、高便捷性及快速精確等巨大優(yōu)勢備受矚目。微流體研究是Ga-LM圖案化不可或缺的一部分，而應用于Ga-LM領域的微流體技術主要有兩種，微通道注入和精準控制Ga-LM液滴^［47］，具體操作如圖2（d）^［48］所示。

將微流體技術與柔性傳感器件集成的最基本方法便是將導電材料直接注入完善的微流體通道中^［49］。已經常規(guī)且成功地應用于Ga-LM微流體通道的制造方法包括光刻工藝、模具填充、增材制造和柔性薄膜封裝等技術。Zhang等^［50］通過光刻工藝制造微流體回路，再利用界面氫鍵和表面張力的結合將Ga-LM圖案化到柔性彈性體上。Putra等^［51］在定制的空心模具中注入樹脂材料，待材料固化成型之后脫模。Griffin等^［52］利用增材制造直接制造出三維立體、富有曲度的天線結構，之后利用壓力驅動Ga-LM實現(xiàn)可重構天線的制作。Shen等^［48］將一層Ga-LM薄膜填充到兩片彈性PDMS中，得到一個內襯為Ga-LM的密封“彈性護套”。除了以上提及的方法外，還有一種較為普遍的技術手段，即將Ga-LM注入中空纖維或聚合物外殼^［53］后再通過塑性形變來制備導電纖維，最后應用于柔性傳感。

鑒于Ga-LM在室溫下展現(xiàn)出色的流動性，其既可以作為一種液體，被注射到微流體通道內，也可被各種能量場操控，構建可拉伸的柔性傳感器件。Wang等^［54］將三層PDMS經過等離子體的處理后黏接在一起，再通過真空填充將Ga-LM推入微流控通道。Bartkowski等^［55］在制造三維結構Ga-LM線圈的過程中，通過施加不同電場的刺激最終可以產生不同的形變結構。Cai等^［56］將普通海綿放入LM-PU復合材料溶液中超聲處理30 min，使Ga-LM充分均勻分布在海綿的每個空隙中，最終得到具有導電性可用于壓力傳感的海綿狀復合材料。

微流體技術已經成為制造基于Ga-LM材料柔性傳感器件的有效策略之一。該技術可以從細微尺度精準控制Ga-LM，減少試劑用量并縮短實驗時間。靈活的微通道設計可根據(jù)實驗需求生成各種結構和形狀的通道及反應器，提高了研究的可重復性和準確性。并且微通道的設計非常靈活，可以根據(jù)不同的實驗需求設計各種不同結構和形狀的通道及反應器。然而，實際實驗中需要高精度的加工設備和工藝，并需精確控制Ga-LM的流速、能量場和反應時間等參數(shù)，使實驗過程具有一定的難度和挑戰(zhàn)性，限制了其規(guī)模化生產。

2.3"燒結法

燒結是外力驅動顆粒間接觸、黏附和聚結的過程^［57］，如圖2（e）^［58］所示。由于Ga-LM會自發(fā)形成氧化層，降低線路的導電能力，因此用于處理Ga-LM納米顆粒周圍氧化層的燒結工藝對于保持柔性傳感器的各類性能是非常必要的。目前研究人員主要通過機械燒結、激光燒結或自燒結等方法破壞氧化物外殼，從而制備Ga-LM墨水導電電路。

機械燒結是目前破壞氧化層和活化Ga-LM材料的最廣泛使用的方法，可以對Ga-LM顆粒施加機械壓力從而使氧化外殼破裂。Yu等^［59］在室溫下通過涂覆的方法構造Ga-LM柔性和高導電性的涂層，并通過機械燒結去除該氧化層，最終復合涂層表現(xiàn)出9×10⁵"S/m電導率。基于Ga-LM納米顆粒中發(fā)生的表面局部等離子體共振效應^［60］的激光燒結，已成為另一種有效的燒結技術。Ye等^［61］提出了一種納秒脈沖紫外線（UV）激光燒結的方法，制備出厚度只有1 μm的高導電Ga-LM納米薄膜。自燒結主要是利用溶脹過程或納米顆粒之間的毛細作用力來破壞Ga-LM顆粒的氧化層。Wu等^［62］將Ga-LM經超聲破碎至納米顆粒以制備得到復合墨水，該墨水表現(xiàn)出很好的基底適應性。

3"結"語

現(xiàn)代數(shù)字化設計與先進制造技術的結合為多功能柔性傳感器的規(guī)模化應用提供了可能。隨著Ga-LM各種印刷制造工藝和復合材料方面的持續(xù)創(chuàng)新，眾多新方法應運而生，不僅突破了傳統(tǒng)應用領域的局限，而且有效滿足了日益增長的市場需求。本文系統(tǒng)性地回顧了Ga-LM柔性傳感器制備領域的最新研究進展，詳盡闡述了該類傳感器所采用的主要基底材料類型及其特性，包括應用最廣泛的薄膜基底、易與柔性可穿戴設備結合的紡織基底、成本低廉制備簡單的紙基、技術成熟性能優(yōu)良的水凝膠基底。本文還深入探討了Ga-LM柔性傳感器的控制與成型策略，強調了印刷技術在該領域的主導地位，具體包括直接印刷、增材制造（如3D打印）及絲網(wǎng)印刷等方法。此外，還有微流體技術和燒結技術，盡管操作較復雜，但被視為實現(xiàn)高精度Ga-LM柔性傳感器的重要技術手段。通過綜合與分析認為未來相關研究發(fā)展方向可從以下3個方面展開：

1） Ga-LM與不同柔性基底的結合強度有待提高。柔性傳感器在實際使用中需要切實提高電子器件的使用壽命，防止Ga-LM層從基底上剝落或破裂，保證器件的耐久性、機械穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性和生物相容性。

2） Ga-LM的柔性電路在分辨率和集成度方面有待加強。如何利用各種精密加工手段來進行高度集成的微型化Ga-LM柔性傳感器的制備，以實現(xiàn)Ga-LM的精密圖案化和功能化是目前需要探索的問題之一。這不僅能夠提高傳感器的靈敏度和分辨率，還能推動柔性電子器件向更高性能、更小尺寸的方向發(fā)展。

3） Ga-LM柔性傳感器的工業(yè)化大規(guī)模生產有待實現(xiàn)。由于Ga-LM的潤濕性和流動性，其需要精密地調控和加工，但目前Ga-LM作為柔性電極材料僅存在于實驗室階段。未來的研究應當關注如何將Ga-LM的制備和加工技術從實驗室轉移到工業(yè)生產線，利用全自動設備實現(xiàn)智能制造，為Ga-LM柔性傳感器的商業(yè)化和廣泛應用奠定堅實的基礎。

綜上，隨著研究人員對Ga-LM材料的制備方法和實際應用研究的深入化，以及材料科學、納米技術和微電子技術等多門學科的發(fā)展，Ga-LM傳感器將在智能穿戴、醫(yī)療監(jiān)測、網(wǎng)絡交聯(lián)等領域發(fā)揮更加重要的作用。期待未來Ga-LM柔性傳感器能夠實現(xiàn)更高的性能、更低的成本、更廣泛的應用，為人類生活帶來更加智能化和個性化的便利及可能。

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Research progress on flexible sensing based on gallium-based liquid metals

ZHANG Chi， WANG Xiangrong

YU Peihong^1a， HAO Tianxu^1a， ZHAO Yicong²， SHI Yunlong^1a， ZHANG Cheng^1b，c， XU Jun^1，3

（1a.School of Textile Science and Engineering; 1b.School of Electronic and Information Engineering; 1c.Tianjin Key Laboratory ofPhotoelectric Detection Technology and System， Tiangong University， Tianjin 300387， China; 2.The 18^th"Research Institute ofTianjin China Electronics Technology Group Corporation， Tianjin 300387， China; 3.Key Laboratory of Intelligent Textileand Apparel Flexible Devices in Textile Industry， Soochow University， Suzhou 215123， China）

Abstract：

In today’s fast-moving technological era， flexible sensing technology is attracting attention due to its unique flexibility and integration. Specifically， gallium-based liquid metal， an emerging material， has shown great application potential in the field of flexible sensing due to its excellent physical and chemical properties， especially its excellent electrical conductivity （3.4×10⁶"S/m） and flexible characteristics， which make it have obvious advantages in the manufacture of flexible circuits and sensors. However， the fluidity and oxidation properties of Ga-LM also pose certain challenges in controlling molding and practical applications， which not only reduce its conductivity， but also may affect its sensing performance. Based on this， this paper discusses the research progress of Ga-LM in the field of flexible sensing， as well as the challenges and solutions it faces in practical applications.

The paper starts with the common substrate materials and molding processes of Ga-LM， and further analyzes the advantages， existing problems and possible solutions of different substrate materials and molding processes. Firstly， substrates are the key to determine the performance of the sensor. Among them， the thin film substrate is the most common flexible sensor one， which has the advantages of lightness， stability， and easy combination of electronic devices， but its bonding strength with Ga-LM may be insufficient， and it needs to be enhanced by surface treatment or adhesive. The textile substrate is soft and comfortable and can be made into a smart wearable device， but its stability and durability can be a limiting factor; a variety of substrates such as hydrogel substrates and paper substrates are also widely used in Ga-LM flexible sensing devices. Secondly， the molding of Ga-LM is a key process step to realize the functionalization of flexible sensors. Printing technology， including direct printing， additive manufacturing， and screen printing， is the core technology for Ga-LM molding. The printing technology equipment is simple and the process is convenient， which can give full play to the advantages of Ga-LM materials. Microfluidic technology can accurately control Ga-LM at the micro scale， but it puts forward higher requirements for processing equipment and technology. The sintering process focuses on the oxide layer around the Ga-LM nanoparticles to ensure the high conductivity of the pathway.

The high conductivity of Ga-LM makes it an ideal material for manufacturing electronic devices. In the field of flexible electronics， electrical conductivity is one of the key indicators to measure the performance of materials. In addition， Ga-LM’s high elongation allows it to adapt to a wide range of complex deformations， which is critical for manufacturing products such as wearables and flexible displays.

With the continuous innovation of Ga-LM in various printing manufacturing processes and composite materials， many new methods have emerged， which not only break through the limitations of traditional application fields， but also effectively meet the growing market demand. The paper systematically reviews the latest research progress in the field of Ga-LM flexible sensor fabrication， elaborates on the main substrate material types and characteristics used in this type of sensor， and discusses the control and molding strategies of Ga-LM flexible sensor. The results of this study are helpful to improve the quality of Ga-LM flexible sensing devices， and also provide a referential technical route for the preparation and application.

Key words：

gallium-based liquid metal; flexible sensors; smart wearables; flexible substrates; forming of liquid metal; printing