可穿戴傳感器在印刷制造方法上取得新突破

寂靜天花板

隨著智能終端的普及，可穿戴電子設備展現出巨大的市場前景；傳感器作為可穿戴設備最重要的核心部件，將對其未來功能發展產生重要影響。隨著傳感器向微型化、智能化、網絡化和多功能化的方向發展，同時測量多個參數的高集成傳感器需要制造工藝和分析技術的創新。印刷技術是實現材料圖案化的有效方式，但傳統的印刷技術制造精度通常在數十微米，而且需要經過感光刻蝕等復雜、易導致環境污染的工藝，大大限制了其在微納米器件制造領域的應用。
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在國家自然科學基金委、科技部和中國科學院的大力支持下，中科院化學研究所綠色印刷院重點實驗室研究員宋延林課題組近年來致力于推動印刷技術的綠色化和功能化發展，在功能納米材料的可控組裝、精細圖案化技術、印刷電子以及器件應用方面開展了系統的研究（Adv. Mater. 2014, 26, 6950-6958）。通過構筑微米尺度的模板結構，實現了對基材表面液膜破裂行為的控制，得到了精確組裝的納米粒子圖案（Adv. Mater. , 26, 2501-2507）；利用“咖啡環”現象制備線寬可達5 μm的金屬納米粒子圖案（Adv. Mater. 2013, 25, 6714-6718）；利用墨水的三相線滑移現象制備了具有特殊三維結構的圖案
　　
在以上研究基礎上，他們突破傳統印刷技術中模板和精度的局限，利用微米柱陣列作為“印版”，與含有納米顆粒的“油墨”及柔性基材構筑了類似傳統印刷過程中“印版、油墨和紙張”的三明治結構。隨著溶劑的揮發，氣-液-固三相接觸線有序收縮，納米顆粒在基材上組裝形成周期與振幅精確可控的微米乃至納米尺度的導電曲線陣列，進而得到對微小形變有靈敏電阻響應的傳感器（圖1）。將傳感器貼在被監測者的皮膚上進行數據采集與分析，可以實時監測不同環境和心理條件下人體體表微形變的相關生理反應，如復雜表情識別（圖2），并有望應用于脈搏監測、心臟監護和遠程操控等領域。這種高精度、高靈敏傳感器的印刷制造方法突破了傳統印刷技術的精度極限，將有力推動印刷制造可穿戴電子和其它微納米功能器件的發展和應用。該研究成果作為VIP文章發表在近日出版的《先進材料》（Adv. Mater. 2016, 28, 1369-1374）上。
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