在过去的几十年中，印刷电子产品引起了科学界和工业界的广泛关注。然而到目前为止，基于可印刷性对其感测性能的系统研究尚未见报道。
本文作者提出了一种简单、低成本的方法：利用炭和银纳米复合材料，通过丝网印刷工艺，来制造高柔性、高性能的敏感应变传感器。在制备过程中，系统地研究了浆料流变性能和印刷图案尺寸对传感性能的影响，以调整传感性能最优化。
实验部分
1.CB/Ag浆料制备
采用一种简单、低成本和低温的化学溶液工艺制备炭黑和银纳米颗粒的浆料。树脂、分散体和溶剂以4:1:8的质量比混合，炭黑固体含量占比分别为3.5%、17.5%和31.5%。原料用涡流搅拌器搅拌，每分钟1000转，搅拌3小时，将糊状物加入混合物中，搅拌20分钟，浸泡5分钟，重复三次。
2.CB/Ag应变传感器的研制
首先将不同配比的配方浆料加载到筛网上，以10cm/s的速度和6.8 mm的压力挤压0.3 mm，如图1a所示。然后，将打印的图案放在120摄氏度的真空烘箱干燥1小时。将打印的传感器连接到镍带和银涂层，以评估其性能。
结果与讨论
图1b显示了在PET基板上制造基于CB/AgNP的应变传感器的丝网印刷工艺。在CB/AgNP浆料由于挤压压力而通过开口网孔渗透到基材中后，筛网通过拉力从基材上折断，形成特定图案的浆料。图2显示了使用锥板流变仪确定CB固体含量对图案质量的影响时CB/AgNP浆料的流变行为。CB/AgNP-L，CB/AgNP-M和CB/AgNP-H的CB/AgNP比率分别为9:1、5:5和1:9。根据图2a所示的稳态流动测试，在不同剪切速率下测得的粘度表明，所有三种浆料均表现出剪切稀化行为。对于CB/AgNP-L，CB/AgNP-M和CB/C，剪切速率从1.4到0.4 Pa.s，130.4到1.0 Pa.s和486.0到0.4 Pa.s时，浆状油墨的粘度降低。这表明所有配制的油墨都适用于丝网印刷工艺。随后，在参考区间 (0–30s)、高剪切区间 (30–60s) 和再生区间 (60–150s) 进行峰持步 (PHS) 试验，如图2b所示。该工艺模拟了实际的丝网印刷工艺，其应力值随时间间隔的变化而变化，说明了浆料流动具有粘弹性特征。另外，三种用于确定模式4的10保真度浆料的回收率与CB浓度成正比；回收率依次为CB/AgNP-H (3.5%)、CB/AgNP-M (17.5%)、CB/AgNP-L (31.5%)。这些值见于表1中。图2c表明，从恢复行为看，PHS测试结果与模式保真度有显著相关。随着回收率按CB/AgNP-L、CB/AgNP-M的顺序增加，图案的尺寸更接近所期望的尺寸，线边锐度增加。
在这种情况下，由于印刷后恢复时间过短，不适合浆料的充分流平，导致在蒸发过程中出现空斑。此外，由于粘度过高，膏体更有可能陷入网孔。因此，选择CB/AgNP-M作为优化浆料。
如图3a所示，作者制作了6个具有不同线宽 (100微米和300微米) 和长度 (25、52毫米和78毫米)、厚度为110微米的应变传感器，以研究图形尺寸对灵敏度的影响。由于电阻式传感器是由电极组成的，其电气性能对获得高灵敏度至关重要。图3b给出了1–5 v梯度电压下样品的I-V曲线，其中电流输出随着外加电压的增加而变化。根据每条线的线性斜率，六个不同的应变传感器表现出均匀的电导率。此外，宽度越大、长度越短的传感器电流越大，根据欧姆定律，这是合理的。
使用印刷传感器的优点是其灵敏度可控。图4a显示的GF根据所施加的应变对传感器进行测量。GF计算公式如下:
随着应变的增加，应变相关的响应单调地增加。当应变对传感器施加在0.61%–1.44%范围时，决定传感器灵敏度的GF为192.77–444.6，据我们所知，这是目前报道的基于CB的大应变印刷传感器中最高的规格因子。此外，还可以通过尺寸效应来控制灵敏度。表2显示了CB/AgNP浆料在灵敏度方面与之前的文献结果相比的优异性能。CB/AgNP浆料在拉伸压力下结阻变化较大，因此可以产生较高的GF，如图4b所示。导电膜中的电子可以穿过重叠的纳米材料的渗透晶格，传感器的弯曲会导致重叠区域的减少甚至失去电连接，从而增加电阻。
作者研究了该传感器的机械灵敏度和耐久性，以评价该传感器在可穿戴电子设备中的应用性能。从图5a可以看出，在不同的应变值下，响应连续而均匀的增加，可以看出计算的线性度为R2 = 0.9974。图5b显示了印刷CB/AgNP传感器的高耐久性，在施加的应变为0.275%的情况下，超过1000次的反复弯曲-释放循环。以上所有的响应都是在无噪声的情况下得到的。具体反应如图5所示。在实际操作中，附着在人体上的传感器会受到各种环境条件的影响。因此，其在不同的温度和湿度条件下，需要有较高的稳定性。图5c显示，随着温度从20摄氏度升高到120摄氏度，阻力变化了1.3%。另外，湿度为70%时的电阻变化为0.057%，如图5d所示。这一结果主要是由于炭黑及其钝化层的内在性质所致。然而，在湿度超过70%时，观察到的性能不稳定，这可能是由于水通过被动式层的可能性很高。
由于CB/AgNP应变传感器具有高度的灵活性、可扩展性和灵敏度，可以应用于穿戴式柔性人体运动检测平台。图6a显示的响应传感器附在一个手指在弯曲角度的0–90°。此外，将CB/AgNP应变传感器安装在人体颈部，用于检测头部旋转。具有较高的灵敏度，可以准确反映头部旋转情况，如图6b所示。
综上所述，本文亮点在于提出了一种基于CB/AgNP复合材料的新型丝网印刷应变传感器。并且研究了不同宽度和长度的印刷传感器的电学性能，评估了应变传感器的灵敏度。作者表示，这是目前所报道的印刷传感器中在该应变范围内最高的灵敏度。而且，该传感器在恶劣环境下能稳定地显示出电阻变化。
期刊简介
Applied Sciences?(ISSN 2076-3417，IF2.474) 作为开放获取型国际期刊，主要发表应用自然科学研究领域相关的论文。期刊包括光学和激光、纳米技术和应用纳米科学、能源、材料、化学、机械工程、应用生物科学和生物工程、环境和可持续发展的科学技术和计算与人工智能等24个部门。Applied Sciences采取单盲同行评审，一审平均周期约为15.9天，文章从投稿到发表平均仅需35天。
