《Small Methods》：基于 Aerosol Jet 打印和纤维素基材实现低环境足迹的不易感一次性湿度和温度传感器

引言

电子设备更新换代的速度令人咋舌，随之而来的电子垃圾（e-waste）问题日益严峻。传统的环境监测传感器，尤其是温湿度传感器，通常使用不可降解的塑料基板（如PET、PE）和有毒金属材料，不仅回收困难，还会在降解过程中产生有害的微塑料颗粒，污染环境。

有没有可能造出既高性能又环保，甚至近乎“隐形”的传感器？最新发表在《Small Methods》上的研究给出了激动人心的答案：利用气溶胶喷射打印（AJP：Aerosol Jet Printing）技术，科学家们在可生物降解的纤维素基板上，成功制造出了高透明度、超小尺寸、超低材料消耗的温湿度一体传感器！这可能是下一代绿色电子的曙光。

正文

背景

1.材料不环保：

基板：广泛使用的聚酰亚胺(PI)、聚丙烯(PP)、聚乙烯对苯二甲酸酯(PET)等塑料基板，在土壤中降解需数百年，且会产生微塑料污染。

电极/敏感材料：常含有贵金属或有毒金属，回收处理复杂，增加环境负担。

2.制造工艺限制：

丝网印刷：分辨率有限（通常在50-100μm以上），难以实现器件微型化。

喷墨打印：分辨率（20-100μm）和精度受液滴体积和表面能相互作用的限制，同样难以突破微型化瓶颈。特征尺寸过大也影响了器件的透明度。

功能单一与复杂性：传统温湿度传感器往往需要不同的材料和复杂的多层结构，增加了制造步骤和回收难度。

工作原理

1. 绿色基板：纤维素基材

采用纤维素二醋酸酯薄膜作为传感器基板。

优势：可生物降解（远快于传统塑料），源自可再生资源，环保可持续。

意义：从源头上大幅降低传感器废弃后对环境的影响，解决了塑料基板带来的长期污染问题。

2.核心材料：多功能PEDOT:PSS

PEDOT:PSS是一种生物相容性良好、可水溶液加工、具有半透明特性的导电高分子复合材料。它由导电的聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)和绝缘的聚苯乙烯磺酸盐(PSS)组成。

湿度传感：PEDOT:PSS中的PSS（聚苯乙烯磺酸）部分具有亲水性，能吸收空气中的水汽。当环境湿度变化时，材料内部的电导率发生变化，从而改变其电阻值。这一变化可以通过外部电路读取，实现湿度监测。

温度传感：通过在PEDOT:PSS中加入交联剂（如GOPS），可以增强材料对温度的敏感性，温度变化引起的材料结构微调导致电阻变化，从而实现温度监测。

单一材料、多功能传感：

利用PEDOT:PSS的可调控性，科研团队在制作传感器时只用一种“原料”就实现了湿度和温度两个传感功能，不同之处在于：

湿度传感：未交联的PEDOT:PSS，能吸湿并响应湿度变化；

温度传感：经过交联处理的PEDOT:PSS（加入GOPS），可以抗湿气干扰，主要响应温度变化。

这样，不仅简化材料体系，还降低了制作成本与复杂度。

3. 气溶胶喷射打印（AJP：Aerosol Jet Printing）

传统生产工艺（如印刷、光刻）难以制造尺寸小于20微米的微结构。气溶胶喷射打印（AJP）技术的出现，彻底打破了这一瓶颈。

气溶胶喷射打印（AJP）工作流程(见图1a)：

雾化：将PEDOT:PSS墨水（通常是水基的）通过超声波或气动方式雾化成微米级的液滴气溶胶（本研究选用超声波雾化以实现更高分辨率）。
传输：利用载气（如惰性氮气）将气溶胶输送到打印头。
聚焦：在打印头处，引入高速的鞘气（也是惰性气体如氮气），像“聚焦镜”一样将气溶胶流压缩成极其细小的射流。
沉积：聚焦后的气溶胶射流从喷嘴（本研究用100μm直径喷嘴）喷出，以非接触方式（喷嘴与基底距离2-5mm）精确沉积到基底（玻璃或纤维素膜）上，形成精细图案。基底放置在可编程的移动平台上。

气溶胶喷射打印（AJP）技术的核心优势：

超高分辨率：能打印出13μm宽度的精细线条！远优于丝网印刷和喷墨打印。这是实现器件微型化和高透明度的关键。
大幅减少材料消耗：得益于精细打印能力，传感器电极体积极小（约5.84×10⁻⁷ mm³）。与常规印刷方法（丝网/喷墨）相比，材料消耗降低了惊人的99.75%！ (见图1b)
材料兼容性好：可在多种基底（包括柔性、易碎的纤维素）上打印多种功能性材料（导电、半导体、介电材料）。
非接触式：避免对柔性或脆弱基底造成损伤。
可扩展性：支持多喷嘴并行打印，具有大规模生产的潜力。

技术攻克

要将气溶胶喷射打印（AJP）技术和PEDOT:PSS的优势发挥到极致，研究团队解决了几个关键挑战：

1.优化墨水配方：

湿度灵敏度提升：通过混合不同PEDOT:PSS商业分散液（高导电的PH1000和高PSS含量的AI4083），找到最佳配比（PH1000: AI4083 = 90:10 v/v），在10-80% RH范围内获得高灵敏度（12.16%/RH）。

抑制飞溅（Overspray）：纯水基PEDOT:PSS墨水在气溶胶喷射打印（AJP）过程中易干燥形成飞溅。添加15% v/v 乙二醇（EG）作为低挥发性共溶剂，有效保持液滴湿润度，显著减少飞溅，获得边缘光滑的线条（见图3）。

导电性优化： EG的加入也有助于提高PEDOT:PSS薄膜的导电性（达到~88548 S/m）。

2.精确调控气溶胶喷射打印（AJP）参数：

聚焦比（FR）是关键：FR = 鞘气流速 / 载气流速。研究发现，增加FR能有效减小线宽（见图4）。

寻找最佳点：过低的FR导致线宽过大；过高的FR则会使线条模糊不清。在本研究的系统（墨水、喷嘴、打印速度）下，FR=5 是最优值，能打印出均匀、精细、飞溅少的线条。

气流控制：载气流速需足够（≥10 SCCM）以保证连续沉积，但过高（>20 SCCM）会导致线条鼓胀。鞘气流速需与FR配合优化。

3.“一键切换”温湿度功能

用添加了GOPS的PEDOT:PSS墨水打印的传感器，其电阻变化主要响应温度（在20-50°C范围内表现良好，TCR达-1.7×10⁻³/°C），几乎不受湿度干扰。而用未加GOPS的墨水打印的，则主要响应湿度。实现了一种墨水，两种传感器。

技术优势

1.超高透明度：

得益于气溶胶喷射打印（AJP）的极细线条（宽度<15 μm，厚度~0.45 μm）和PEDOT:PSS本身良好的透光性（~85%），整个传感器在可见光范围（400-800 nm）的光透过率超过91%。

效果：传感器几乎“隐形”，肉眼难以察觉（见图1e）。这对于集成到智能窗户、透明显示屏或需要美观的可穿戴设备中至关重要。

2.优异的湿度传感性能（无GOPS）：

高灵敏度：在纤维素基板上达到12.16%/RH（10-80% RH）。

快速响应：响应时间（湿度上升）1.66秒，恢复时间（湿度下降）1.55秒（用于监测呼吸时）。

稳定性好： 8天内性能稳定；6个月后虽有轻微漂移（可能与银电极腐蚀有关），但仍保持线性响应。

循环性好：在10%-50% RH间循环6次，响应稳定可靠。

3.实用的温度传感性能（含GOPS）：

在20-50°C范围内表现出稳定的电阻-温度关系（负温度系数）。

良好的循环重复性。

4.真实应用演示：呼吸监测

将湿度传感器贴在FFP2口罩内侧。

成功实时监测到测试者的正常呼吸和快速呼吸（模拟运动状态）引起的湿度周期性变化（见图5e, f）。

证明了其在可穿戴健康监测（如呼吸频率监测）中的即时应用潜力。

应用范围

1、个人健康监测

呼吸监测：将传感器附着在N95、FFP2口罩上，可实时监测呼吸频率和气流变化。

皮肤贴片：微型、隐形的传感器可以集成在贴肤贴片，用于测量体表温度和湿度，辅助健康诊断。

2、智能穿戴设备

运动监测：在运动服、手环上集成传感器，监控环境温湿度，帮助运动者调节运动强度。

疲劳预警：结合温湿度数据分析，早期发现身体异常，预防运动损伤。

3、智能家居与环境监测

空气质量：实现微型、分布式的湿度和温度监测，精准提高空气调节效率。

仓储检测：监控易腐物品存储环境，确保商品品质，减少浪费。

4、绿色环保

低环境足迹：采用可降解的纤维素基底材料，且制造过程中几乎无有害废弃物，推动无塑料、可降解传感器的发展。

避免电子废弃物堆积：使用“即用即弃”的微型传感器，显著减少电子垃圾。

图文导读

图1.a)使用超声波雾化器的气溶胶喷射打印（AJP）工艺示意图。所配制的油墨在惰性气体（N2）压力的推动下进行超声波雾化。由此产生的气溶胶，通过载气输送到沉积头，被额外的惰性鞘气聚焦和加速。射流通过喷嘴沉积到基材上，自动化阶段产生所需的图案。b)电极体积与报告打印湿度传感器的传感器面积。c)在模拟填埋条件下（工业堆肥）降解石油基塑料和生物基塑料所需时间的年数对比图。d)温湿度监测传感器平台概念示意图。e)传感器在玻璃和纤维素基板上的图片，显示了一次性传感器的高透明度。比例尺2000 μm。

图2.a) PEDOT的传感机理，说明了湿度传感器在吸水过程中的膨胀行为，以及PSS与GOPS交联增强温度传感器的温度灵敏度。b)打印在玻片上的PEDOT:PSS湿度传感器（n = 4）的相对电阻与相对湿度的关系。c)电导率作为PEDOT的函数：PH 100和ai4083在45 RH%下的PSS配方。d)不同GOPS浓度下纤维素膜上PEDOT:PSS 气溶胶喷射打印（AJP）传感器的相对电阻随湿度变化。

图3.油墨配方2中EG对打印线条的影响

图4. 玻片上打印线条的光学显微图像，说明护套和载气流量对线条质量的影响。具有相同焦距比的线条被组合在一起。比例尺50 μm。

图5.a) PEDOT:PSS湿度传感器（n = 4）在玻璃和纤维素基材上的相对电阻，记录为25°C下RH值的函数。b)打印在纤维素基板上的PEDOT:PSS湿度传感器在10 ~ 50 RH%范围内6个循环的响应-恢复曲线。c)不同浓度GOPS对PEDOT:PSS打印传感器在纤维素膜上相对电阻的温度依赖性。d)在纤维素基板上打印5% GOPS时温度传感器的循环响应。e)打印在纤维素基板上的P传感器在不同呼吸速率下人体呼气和吸气时的响应。f)图5e中高亮曲线的放大视图显示了正常呼吸频率下的反应和恢复时间。

结语

气溶胶喷射打印技术（AJP）结合可生物降解的纤维素基板和神奇的高分子材料PEDOT:PSS，成功制造出了近乎“隐形”、环境友好、性能优异的温湿度传感器。这项突破不仅解决了传统传感器在材料和制造上的环境痛点，更以其微型化、高透明度和多功能集成的特点，为智能包装、精准农业、可穿戴健康监测和智能建筑等领域带来了革命性的解决方案。

它向我们展示了一条清晰的道路：高性能的电子设备完全可以与地球的可持续发展和谐共存。当“绿色”与“智能”完美融合，一个由环保、隐形、无处不在的传感器构成的未来世界，正在向我们走来。气溶胶喷射打印（AJP）无疑是点亮这一未来图景的关键之光！

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