中科院在印刷制備可穿戴傳感器研究中取得進展

隨著智能終端的普及，可穿戴電子設(shè)備展現(xiàn)出巨大的市場前景；傳感器作為可穿戴設(shè)備最重要的核心部件，將對其未來功能發(fā)展產(chǎn)生重要影響。隨著傳感器向微型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和多功能化的方向發(fā)展，同時測量多個參數(shù)的高集成傳感器需要制造工藝和分析技術(shù)的創(chuàng)新。印刷技術(shù)是實現(xiàn)材料圖案化的有效方式，但傳統(tǒng)的印刷技術(shù)制造精度通常在數(shù)十微米，而且需要經(jīng)過感光刻蝕等復(fù)雜、易導(dǎo)致環(huán)境污染的工藝，大大限制了其在微納米器件制造領(lǐng)域的應(yīng)用。

在國家自然科學(xué)基金委、科技部和中國科學(xué)院的大力支持下，中科院化學(xué)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(shù)的綠色化和功能化發(fā)展，在功能納米材料的可控組裝、精細圖案化技術(shù)、印刷電子以及器件應(yīng)用方面開展了系統(tǒng)的研究（Adv. Mater. 2014, 26, 6950-6958）。通過構(gòu)筑微米尺度的模板結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)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(huán)”現(xiàn)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(xiàn)象制備了具有特殊三維結(jié)構(gòu)的圖案。

在以上研究基礎(chǔ)上，他們突破傳統(tǒng)印刷技術(shù)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(gòu)筑了類似傳統(tǒng)印刷過程中“印版、油墨和紙張”的三明治結(jié)構(gòu)。隨著溶劑的揮發(fā)，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(dǎo)電曲線陣列，進而得到對微小形變有靈敏電阻響應(yīng)的傳感器（圖1）。將傳感器貼在被監(jiān)測者的皮膚上進行數(shù)據(jù)采集與分析，可以實時監(jiān)測不同環(huán)境和心理條件下人體體表微形變的相關(guān)生理反應(yīng)，如復(fù)雜表情識別（圖2），并有望應(yīng)用于脈搏監(jiān)測、心臟監(jiān)護和遠程操控等領(lǐng)域。這種高精度、高靈敏傳感器的印刷制造方法突破了傳統(tǒng)印刷技術(shù)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(fā)展和應(yīng)用。該研究成果作為VIP文章發(fā)表在近日出版的《先進材料》（Adv. Mater. 2016, 28, 1369-1374）上。