气溶胶微喷射打印柔性应变传感器及性能研究

王子文，张远明，宋时雨，朱涛，侯宗香

（1.临沂大学 a.自动化与电气工程学院 b.机械与车辆工程学院，山东 临沂 276000；2.苏丹依德里斯教育大学 计算机技术学院，丹戎马琳 35900）

随着数字医疗与制造业的发展，灵活柔韧的柔性传感器可与人体表面完全贴合，实现对人体心率、血氧及运动状态等健康信号的在线监测[1-4]。柔性应变传感器可贴附皮肤表面，有效跟踪皮肤形变且捕捉关键信息[5-6]。柔性应变传感器主要由柔性基底与敏感材料组成[7-8]。柔性基底的特点是可拉伸或弯折，常见的柔性基底材料有聚酰亚胺（PI）[9]、热塑性聚酯（PET）[10]与聚二甲基硅氧烷（PDMS）等，其中PDMS以其特有的拉伸性能更适合应用在对传感器拉伸率要求较高的可穿戴设备中[11]。敏感材料的功能是将各种机械信号（应变变化）转换为电信号（电阻变化），常见的敏感材料包括碳材料（如碳纳米管和石墨烯等）[12]、金属纳米线[13]、金属纳米颗粒[14]等。为制造应变传感器，可以将敏感材料层组装在柔性基底上或将其嵌入柔性基底内，常见的制备工艺包括印刷、滴铸、旋涂、转移等[15]。

气溶胶微喷射打印技术是一种具有普遍意义的、可在任意材质表面制造电子电路的非接触式增材制造方法[16-19]。气溶胶微喷射打印技术的原理是通过采用超声/气动雾化方式将柔性电子墨水转变为气溶胶，使用载气将气溶胶输运至沉积头，经鞘气与喷嘴聚焦后喷射至基底上[20-21]。相较于传统电子制造技术，气溶胶微喷射打印技术加工流程简单，具有高精度、高分辨率的特点，对基底材料和打印墨水材料要求低，能够实现平面、曲面、空间上的打印[22-23]。得益于科研人员的持续努力，气溶胶微喷射打印技术的可控性、稳定性和精密程度得到了显著提升。James等[24]探究了气溶胶微喷射打印工艺下印刷线的过度喷涂问题，提出了一种2D 图像处理方法来定量评估过度喷涂的严重程度，实验结果表明，过喷量与印刷线宽成比例，通过增大喷射速度与聚焦比能有效减少过喷现象。Skarżyński 等[25]采用气溶胶微喷射打印技术印刷了银纳米颗粒高导电电子电路，通过在纳米银墨水中添加表面活性剂和分散剂，提高了超声波雾化效率，获得了结构均匀的印刷线，并缩小了印刷图案的宽度。电学测量结果显示，与未处理的油墨相比，电阻率值降低了95%。Fujimoto 等[26]利用气溶胶微喷射打印技术在柔性基底上打印了基于电容的应变传感器，与市售的高抗伸长率应变计（HE-RSG）相比，印刷电容应变计在高伸长应变测量方面表现出卓越的性能，且当电极排列垂直于应变方向时，观察到其以5.2 的应变系数运行。Fapanni 等[27]利用气溶胶微喷射打印技术制备了3D 电化学传感器和微结构，在不改变基板占用率的情况下将活性表面积增大了130%，并将传感器灵敏度提高了2.3 倍。但少有利用气溶胶喷射工艺及银纳米颗粒材料制备柔性电阻传感器的报道。

本文利用气溶胶微喷射打印工艺制备了一种应变传感器，该传感器采用银纳米颗粒材料作为敏感层，PDMS 作为基底，具备高灵敏度和柔性的特点。利用高精度万用表采集传感器的电信号并输出到上位机进行表征测试，并将传感器应用于人体手指运动变化的信号检测中，证明了其具有检测人体运动的能力。

1 实验

1.1 气溶胶微喷射打印工艺参数

实验中用到的气溶胶微喷射打印平台为自主研制，如图1 所示，该平台主要由气溶胶雾化装置、运动控制系统、流量控制装置构成，具有柔性电子墨水高效雾化、气体流量和机械运动精准控制等特点。

图1 自主研制的气溶胶微喷射打印平台Fig.1 Self-developed aerosol micro-jet printing platform

气溶胶跟随载气流动到达沉积头处会进行2 次聚焦，沉积头结构如图2 所示。第1 次聚焦（位置在图2 中Ⅰ处）是由于沉积头中引入的鞘气使气溶胶射流限制、收缩。第2 次聚焦（位置在图中2 中Ⅱ处）则是在沉积头底部的喷嘴上，在此处气溶胶射流会再次收缩，其原理如图2 所示。气溶胶射流在2 次聚焦后可在喷嘴与基底之间2～5 mm 的距离内保证沉积物的高分辨率特性，且可打印出最细达10 μm、最高达10 mm 线宽的有效金属线，且在喷嘴处的气溶胶射流与喷嘴内壁之间有一个鞘气夹层，喷嘴不易被凝固的气溶胶堵塞。

图2 气溶胶微喷射沉积头结构Fig.2 Structure diagram of aerosol micro-jet deposition head

1.1.1 等离子清洗基底对墨水沉积效果的影响

为研究PDMS 基底对墨水附着力不高的问题，本实验使用等离子清洗机（深圳纳恩科技有限公司，NE-PE02）以功率50 W 预处理一块PDMS 基底60 s，气溶胶微喷射打印平台装备了纳米银墨水（山东中科智能设备有限公司，ZK-DryCure-Ag），在预处理与未处理的PDMS 基底上打印应变传感器图案，设置喷嘴与基板之间的喷射高度为3 mm，喷嘴内径为0.5 mm，打印速度为10 mm/s，雾化方式为超声雾化，载气流量为100 mL/min，鞘气流量为100 mL/min，用三目透反射正置金相显微镜（苏州景通仪器有限公司，CMY-290）分别观察墨水在2 个基底上的沉积效果。

1.1.2 工艺参数对打印线宽的影响

气溶胶微喷射打印线宽受多种工艺参数的影响，如鞘气流量、载气流量、喷嘴内径、喷射高度、打印速度等。在前期研究过程中发现，通过改变鞘气流量、喷嘴内径可对打印线宽产生显著影响，为达到对应变传感器打印线宽的精确控制，故设置工艺参数实验来验证鞘气流量与喷嘴内径对打印线宽的影响。本实验使用纳米银墨水，设置喷嘴与基板之间的喷射高度为3 mm，打印速度为10 mm/s，基板材料为PDMS，雾化方式为超声雾化，气溶胶载气流量为100 mL/min，改变鞘气流量（50、75、100、125、150 mL/min）与喷嘴内径（0.1、0.3、0.5 mm），在等离子清洗处理过的PDMS 基底表面打印15 条线段，用三目透反射正置金相显微镜测量线段线宽，研究影响打印线宽的工艺参数。

1.2 气溶胶微喷射打印柔性应变传感器

首先，将厚度为500 μm 的PDMS 基底放入等离子清洗机中进行表面亲水性处理，以提高基底表面的附着力。其次，使用纳米银墨水，设置喷嘴与基板之间的喷射高度为3 mm，喷嘴内径为0.3 mm，打印速度为5 mm/s，载气流量为100 mL/min，鞘气流量为100 mL/min，雾化方式为超声雾化，在预处理后的PDMS 基底上打印电阻式柔性应变传感器敏感材料；打印完成后，在敏感材料两端分别涂抹导电银浆，并在银浆中粘贴铜线。最后，烘干固化敏感材料与导电银浆；完整的制作流程如图3a 所示。所制作的电阻式柔性应变传感器如图3b 所示。本文选用高精度万用表（Keithley，DMM6510）及其配套上位机软件对传感器进行测试与表征，检测传感器受力时产生的电信号。

图3 气溶胶微喷射打印柔性应变传感器流程（a）与由气溶胶微喷射打印制备的柔性应变传感器（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 柔性应变传感器稳定性测试

用1.2 节中打印传感器的步骤，分别打印1、3、5 层3 种电阻式柔性应变传感器，在不对应变传感器施加应变的前提下，使用检测系统测量并记录100 s内应变传感器的电阻变化以反映传感器的稳定性。

1.2.2 传感器灵敏度标定

利用气溶胶微喷射打印1 层的传感器由于沉积厚度较薄，在重复拉伸后银线裂纹过大，导致传感器失去导电性。当打印5 层时，传感器沉积次数过多，导致表面过喷现象严重。当打印3 层时，传感器无明显过喷现象且电性能稳定，适合用于继续探究传感器性能。取1.2.1 节中打印3 层的电阻式柔性应变传感器，利用拉伸滑轨使传感器产生水平方向上的应变，如图4 所示，使用检测系统测量并记录不同应变情况下的电阻变化，利用所得数据计算传感器的灵敏度系数。

图4 传感器收缩状态（a）与传感器拉伸状态（b）Fig.4 Contraction state (a) and stretch state (b) of sensor

1.3 手指应变监测实验

由气溶胶微喷射打印工艺制备的PDMS 柔性应变传感器能够在保证高灵敏度的前提下，更好地贴合人体皮肤，适合用于探究其在人体运动检测方面的实际效果。由于受到基底材料与柔性电子墨水材料的影响，当传感器通过胶带固定在手指关节表面的弯曲角度（θ）大于40°时，电路处于不导通状态，为确保传感器能正常工作，使用检测系统测试手指弯曲角度分别为10°、20°和30°情况下恢复原位时的电阻变化，通过2 次周期性测试验证柔性应变传感器的稳定性。

2 结果与分析

2.1 等离子清洗实验

在使用PDMS 基底打印应变传感器时，发现雾化后的纳米银墨水在PDMS 表面会凝结成液滴状，如图5a 所示。这是因为PDMS 基底表面对纳米银墨水的附着力不够，纳米银墨水凝结成液滴状会导致制备的应变传感器不导电。为解决以上问题，在气溶胶微喷射打印PDMS 应变传感器前，对PDMS 基底做等离子清洗处理以增大其对纳米银墨水的表面附着力，进而有效解决墨水凝结问题，如图5b 所示。这是因为等离子清洗能够激活基底表面，并产生氧化、氟化等功能团，增加基底表面的活性和亲水性，进而有效增大PDMS 基底的附着力。

图5 气溶胶微喷射打印柔性PDMS 应变传感器的银线表征图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 工艺参数实验

为实现对打印应变传感器的线宽控制，设置了工艺参数实验。当喷嘴内径为0.5 mm 时，线宽会明显随着鞘气流量的增大而减小，如图6 所示。观察银线形貌后可发现，在鞘气流量低于100 mL/min 时，银线宽度误差会增大，这主要是因为鞘气流量不高而导致射流聚焦性变差。实验研究了鞘气流量（50、75、100、125、150 mL/min）与喷嘴内径（0.1、0.3、0.5 mm）对银线宽度的影响，实验结果如图7 所示。分析数据发现，打印银线宽度随鞘气流量的增大而减小，这主要是因为增大鞘气流量使气溶胶射流更好的限制、收缩，从而减小了打印线宽。

图6 不同鞘气流量下的喷印银线形貌Fig.6 Morphology of jet printing silver lines at different sheath gas flow rates

图7 鞘气流量与喷嘴内径对银线宽度的影响Fig.7 Effect of sheath gas flow rate and nozzle diameter on silver wire width

2.3 柔性应变传感器性能标定

测试1.2.1 节中3 组传感器的初始电阻，结果如图8 所示。可以看到，传感器电阻随打印层数的增大而成倍减小，这是由于增加打印层数会直接导致银线横截面积变大，电阻随之减小。除此之外，还可观察到3 个传感器在无应力状态下的电阻均较为稳定，证明通过气溶胶微喷射打印工艺制备的传感器的导电性良好且稳定可靠。

图8 不同打印层数应变传感器100 s 内的电阻值Fig.8 Resistance value of the strain sensor with different printing layers within 100 s

传感器在水平方向上拉伸、收缩应变时的电阻变化如图9 所示。结果表明，在0%～3.5%的应变范围内，传感器具有较好的线性度，且能够通过电阻变化反映应变状态。然而，当应变超过3.5%后，传感器表面微裂纹过大，导致其无法准确反映被测参数。在传感器收缩过程中，由于微裂纹恢复的时间延迟，电阻比拉伸时的电阻大，存在一定的迟滞性，其变化规律与拉伸时的基本相同。取传感器的应变工作范围为0%～3.5%，依据图9 中传感器电阻与应变的关系，计算得到打印3 层的传感器的灵敏度为163.84，表明其性能良好。电阻式应变传感器的灵敏度（K）的计算如式（1）所示。

图9 拉伸与收缩应变传感器时的电阻变化率Fig.9 Resistance change rate when stretching and shrinking the strain sensor

式中：ΔR为极限应变内传感器的电阻变化；R为传感器基础电阻；ε为传感器的极限应变。

2.4 柔性应变传感器检测手指弯曲程度

利用胶带将传感器固定在手指关节皮肤表面，使用检测系统测试手指弯曲角度θ分别为5°、15°、30°情况下恢复原位时的电阻，并进行了2 次周期性测试，测试结果如图10 所示。分析数据可得，在重复应变条件下，传感器显示出一致的电阻变化规律，这表明其稳定性是可靠的。因为传感器较小且与手指贴合，形变集中且从PDMS 基底向其他位置扩散，所以产生了稳定的脉冲信号。测试结果表明，传感器能够有效检测手指的弯曲信号，实现运动监测功能，对虚拟现实、医疗健康等领域具有重要意义。该测试可为传感器性能评估和后续应用开发提供参考。

图10 手指弯曲5°、15°和30°时的2 次测试结果Fig.10 Two test results when the finger is bent at 5°, 15° and 30°

3 结论

基于气溶胶微喷射打印工艺，分析了等离子清洗对PDMS 基底上打印银线沉积效果的影响，通过改变喷嘴内径与鞘气流量得出了打印参数对银线宽度的影响，设计了气溶胶微喷射打印制备应变传感器的制作流程，利用三目透反射正置金相显微镜对打印银线进行了表征，通过高精度万用表检测传感器受力时产生的电信号对传感器性能进行了评估，基于以上研究得出结论如下：

1）利用未处理的PDMS 基底直接打印会因为基底表面附着力低而导致液滴凝聚，等离子清洗处理可有效解决PDMS 基底表面液滴凝聚的现象，比基底处理前银线沉积效果更好且导电性更佳。

2）增大鞘气流量或缩小喷嘴内径可减小打印银线的线宽（载气流量不变），当载气流量为100 mL/min、鞘气流量高于100 mL/min 时，可有效减少因射流聚焦性差而导致银线宽度误差大的现象。

3）使用气溶胶微喷射打印工艺制作了基于PDMS 基底和纳米银颗粒敏感层的柔性应变传感器，制备的传感器的灵敏度为163.84 且在无应力状态下导电性良好。

4）将制得的柔性应变传感器应用于人体手指的机械形变检测中，通过重复实验证明了传感器能够准确检测人体的微小运动变化，打印的柔性应变传感器可在人体运动检测设备上发挥重要作用。