综述：喷墨印刷应变传感器：材料、制造与新兴应用

（编辑推荐）本综述系统阐述了喷墨印刷应变传感器（Inkjet-Printed Strain Gauges）的技术革新，涵盖石墨烯/碳纳米管（CNTs）等纳米材料优化、韦伯数（We=ρv2d/γ）等流体力学参数控制，以及光子烧结等后处理技术，为可穿戴设备（Wearable Electronics）和结构健康监测（SHM）提供低成本、柔性化解决方案。

　　

喷墨印刷应变传感器的技术革命

概述

喷墨印刷应变传感器凭借其柔性、低成本和可扩展性优势，正在颠覆传统传感技术。这种通过数字化定制实现复杂图案沉积的技术，与石墨烯、碳纳米管（CNTs）和金属纳米颗粒等材料的结合，显著提升了灵敏度（Gauge Factor）和机械稳定性，为结构健康监测（SHM）、可穿戴设备和生物医学领域带来全新可能。

喷墨印刷力学原理

喷墨印刷的核心在于其各向异性特征和按需喷墨（DOD）技术。热泡式喷墨通过微电阻瞬间汽化墨水形成气泡推动液滴，而压电式则利用晶体形变产生压力波。连续喷墨（CIJ）虽适用于工业量产，但DOD在精度上更胜一筹。韦伯数（We=ρv²d/γ）等参数精准控制液滴飞行稳定性，确保亚微米级分辨率——这对需要监测多轴变形的生物力学传感器至关重要。

材料创新与性能突破

纳米材料是提升传感器性能的关键：

• 石墨烯墨水通过π-π堆叠形成导电网络，在5%应变下仍保持稳定性

• 碳纳米管（CNTs）的纵横比特性使其在纺织基底上实现高达200的GF值

• 银纳米颗粒（AgNPs）经等离子体烧结后电阻降低90%，适用于植入式设备

混合制造技术如气溶胶喷印（AJP）突破了传统喷墨的层间结合力限制，而光子烧结技术通过局部加热避免了柔性基底的热损伤。

应用场景拓展

在医疗领域，微裂纹金膜传感器（Yao et al.）已用于运动追踪，而AI辅助的纺织基传感器（Zhang et al.）能实时监测呼吸频率。可降解植入体采用聚乳酸（PLA）基底，在术后监测后自动吸收。汽车工业则利用多材料集成传感器监测车身应力分布。

未来展望

喷墨印刷传感器的下一个前沿将是：

• 自供电系统与能量采集技术集成

• 机器学习驱动的实时形变预测算法

• 完全可生物降解的瞬态电子器件

从实验室走向产业化，这项技术正在重新定义柔性电子的可能性边界。