气溶胶喷射精密打印液态金属实现高灵敏度宽量程柔性应变传感器

针对柔性应变传感器(FSS)难以兼顾超低检测限(εemin)与宽传感范围(εemax)的难题，Benyan Xu团队开发了基于气溶胶喷射打印(AJP)的液态金属(LM)微图案化策略。通过优化聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和二甘醇(DEG)配方的LM墨水，实现12μm高精度打印，构建的传感器同时实现0.0033%超低检测限和660%超宽量程，为可穿戴健康监测提供新方案。

　　

在柔性电子器件快速发展的今天，能够将人体生物力学信号转化为电信号的柔性应变传感器(FSS)已成为健康监测、运动追踪和人机交互领域的研究热点。理想情况下，这类传感器需要像"电子皮肤"一样，既能捕捉脉搏(<1%应变)这样的细微生理信号，又能监测膝关节屈曲(>100%应变)等大幅度动作。然而传统基于刚性金属(如银、金)或碳基材料(碳纳米管、石墨烯)的传感器往往顾此失彼——提高灵敏度会牺牲检测范围，扩大量程又会降低灵敏度。这种"鱼与熊掌不可兼得"的困境，成为制约高性能FSS发展的关键瓶颈。

液态金属(LM)因其独特的流体特性展现出突破这一限制的潜力。以镓铟共晶合金(EGaln)为代表的室温液态金属在大应变下仍能保持优异导电性，但过于稳定的导电网络反而使其对微应变响应迟钝。现有改进方案如与石墨烯复合或设计特殊图案，往往以牺牲某方面性能为代价。《Nature Communications》最新发表的研究中，来自中国的科研团队创新性地将气溶胶喷射打印(AJP)技术与液态金属墨水(LMI)相结合，通过"墨水配方优化"和"结构设计创新"双管齐下，成功打破了柔性应变传感器的性能边界。

研究团队采用三项关键技术方法：(1)通过超声破碎法制备含PVP稳定剂的纳米级LM墨水；(2)优化墨水配方调控黏度(3.05-7.32 mPa·s)和挥发性，实现12μm精度的AJP打印；(3)设计多种图案化结构(正弦波、s波等)调控应力分布。实验使用自建AJP系统，在玻璃、聚酰亚胺(PI)薄膜等基底上打印，通过机械碾压激活导电性。

【墨水物理化学性质优化】研究发现添加10 mg/mL PVP可使液态金属颗粒平均尺寸从1.48μm降至0.34μm，形成的LM墨水呈现牛顿流体特性。通过调节PVP浓度(10-30 mg/mL)和10% DEG添加，墨水黏度从3.05增至7.32 mPa·s，接触角保持在90°以下，满足AJP对雾化稳定性、基底润湿性和低飞溅的要求。

【AJP打印性能调控】理论计算与实验证实，墨水黏度增加可减少液滴撞击基底时的铺展直径，在100 sccm鞘气流速下，30 mg/mL PVP墨水打印线宽降至71.13%基线值。最优条件下实现12μm连续线条打印，为后续精密图案设计奠定基础。

【传感器机电性能】激活后的60μm直线图案在0-360%应变范围内呈现三段线性响应，灵敏度(GF)从0.62(0-100%)渐增至2.08(250-360%)，最低检测限达2μm(0.0067%)。在50%应变下保持350次循环稳定性，响应时间53ms，满足实时监测需求。

【图案结构影响】通过设计l-正弦波等复合图案，实现应力集中与分散的协同调控：s波结构专注提升灵敏度(ε_emin=0.0033%)，正弦波结构侧重扩展量程(ε_emax=660%)。交叉网格图案则实现0.067%-620%的宽范围检测，验证了结构设计的调控潜力。

【实际应用验证】穿戴实验显示，该传感器可同时检测桡动脉脉搏波形(P、T、D特征峰)和膝关节大范围运动，在语音识别("Liquid Metal"发音)和微表情(眨眼、微笑)监测中均表现优异，证实其全范围人体运动监测能力。

这项研究通过创新的"墨水配方-精密打印-结构设计"技术路线，成功解决了柔性应变传感器灵敏度与量程不可兼得的行业难题。其科学价值体现在：(1)建立PVP-DEG调控的LM墨水设计原则，拓展了AJP在难溶材料打印中的应用；(2)提出应力分布调控的图案设计策略，为多功能传感器设计提供新思路；(3)实现检测限(0.0033%)与量程(660%)数量级的同步突破，ε_emax/ε_emin比值达2×10⁵，显著优于现有技术。该技术为发展新一代医疗监测、智能假肢和人机交互系统提供了关键器件基础，标志着柔性电子制造技术向"精密化""智能化"迈出重要一步。