圣母大学《Appl.Nano.Mater》使用Aerosol Jet技术打印高温双模传感器以同时传感应变和温度

引言

导语

航空发动机、燃气轮机、核电压力容器、大型工程机械等高温装备长期面临结构健康监测难题：传统贴片式应变片、热电偶分体布置，占用空间大、冷热膨胀带来测量误差；高温工况下普通印刷传感器易氧化失效，无法同步区分温度与应变信号；光刻、薄膜沉积工艺仅适配平面基材，曲面焊缝、异形叶片难以贴合部署。本文采用气溶胶喷射（AJP）双纳米墨水一体化制造工艺，同步打印金应变栅、ITO 热电偶，单器件实现应变、温度双参数同步检测，长期 540℃高温稳定工作，自带原位温度补偿功能，为极端工况一体化传感提供低成本共形增材制造方案。

正文

一、核心研究摘要

本研究选用金纳米油墨、ITO 纳米油墨两套高温稳定功能浆料，基于 Optomec AJ300 气溶胶系统分步直写集成式双模传感阵列，在不锈钢高温构件表面完成全套制备、高低温力学热学标定，核心成果如下：

一体化金 / ITO 双模传感结构，信号互不干扰

底层气溶胶打印金应变计，上层交叉沉积 ITO 电极，金 - ITO 交界天然形成薄膜热电偶；交流测应变电阻、直流采集塞贝克热电势，两种信号独立分离，无需复杂算法解耦，实现同一区域温度、应变同步实时采集。

优异高温耐受稳定性能，最高 540℃长期工作

传感器经 540℃七日高温老化后性能无衰减；热电偶热电功率 55.64 μV/℃，应变计灵敏系数 2.54，优于常规镍铜商用应变片；全温区应变测量误差极小，自带原位温度补偿，消除高温电阻温漂干扰。

微米级高精度多材料分层成型

气溶胶最小打印线宽可达 10μm，应变栅线间距 88.51μm；金膜厚度约 3.19μm，ITO 电极约 14.31μm，800℃空气烧结后薄膜致密导电，金电导率 1.9×10⁷ S/m，ITO 稳定维持 150 S/m。

曲面共形原位制造，无需后期贴片

不锈钢、合金构件仅做陶瓷绝缘底涂，气溶胶直接在平面、弧形焊缝、异形曲面打印传感线路，薄膜与基底热耦合紧密，热传导效率远高于粘贴式传感器。

全数字化无掩模快速迭代

CAD 一键修改应变栅、热电偶布局，金、ITO 墨水快速切换雾化打印，单套传感样件数小时完成制备，大幅缩短高温传感新品研发周期。

二、气溶胶喷射全套双模传感器制备工艺流程与核心工艺优势

（一）完整高温双模传感器打印流程

不锈钢基底打磨清洗，旋涂 94μm 陶瓷绝缘层，分段高温固化隔绝金属基底导电干扰；
超声雾化金纳米油墨，数控打印蛇形应变栅，逐层叠加保证薄膜致密；
切换 ITO 纳米墨水，交叉打印热电偶电极，金 / ITO 交叉点形成测温结；
整套器件管式炉 800℃空气烧结 2 小时，纳米颗粒融合提升高温抗氧化性；
悬臂梁标定平台、高温马弗炉完成 25–540℃全量程应变、温度校准测试。

（二）五大核心工艺优势（丝网 / 光刻 / 贴片传感器对比）

双材料原位一体化成型，省去分体贴片工序

同一设备连续打印应变、测温两层功能线路，一体成型双模传感单元，不存在贴片胶水高温老化脱层问题。

曲面异形构件共形沉积，适配复杂工业零部件

气溶胶 3–5mm 安全喷距，弧形叶片、管道焊缝、不规则压力容器外壁可直接打印，传统贴片传感器贴合困难、存在空气隔热层。

微米高精度微栅阵列，空间分辨率大幅提升

10μm 精细线路可制备高密度微型传感点阵，局部微小裂纹、热点精准捕捉，传统贴片应变片尺寸大、测点稀疏。

高温兼容油墨适配，烧结后抗氧化耐腐蚀

金、ITO 双体系纳米墨水，800℃高温烧结成型，540℃工况长期稳定，碳系、银印刷传感器高温极易氧化失效。

数字化低成本快速打样，无需光刻掩膜

不用开制金属 / 陶瓷掩膜，调整图纸即可更换传感布局，多工况、多规格传感器快速验证，研发成本大幅降低。

三、五大核心技术创新点

创新 1 金 / ITO 双墨水气溶胶分步打印一体化双模传感架构

创新尝试利用气溶胶多材料切换工艺，单器件集成应变计与薄膜热电偶，同步采集两类物理量，实现测点自温度补偿。

创新 2 高温可擦除信号分离检测方案

交流电阻测应变、直流热电势测温度，两路信号电学无串扰，无需复杂数值解耦算法，硬件电路简化、实时性更强。

创新 3 800℃空气烧结致密纳米薄膜高温稳定工艺

金、ITO 纳米颗粒高温融合，薄膜孔隙率大幅下降，540℃持续热循环不发生氧化、开裂，突破印刷传感器高温使用瓶颈。

创新 4 曲面热耦合优化共形传感设计

直接在金属构件表面沉积超薄传感薄膜，无粘接介质，热传导损耗极低，测温、应变测量真实反映基底本体状态。

创新 5 通用高温多材料气溶胶制造体系

工艺可拓展铂、铱、硅化物等高温合金油墨，适配更高温、腐蚀、辐射极端环境监测器件开发。

四、工艺现存难点与对应突破方案

难点 1 传统应变片、热电偶分体粘贴，高温胶水失效、测量误差大

✅突破气溶胶一体成型双模薄膜，无粘接层，金 / ITO 原生交叉测温结，测点温度实时自补偿。

难点 2 普通银 / 碳印刷薄膜 500℃快速氧化，丧失传感功能

✅选用惰性金 + 陶瓷 ITO 双耐高温材料，800℃充分烧结，颗粒紧密，540℃长期稳定服役。

难点 3 光刻、丝网仅能平面加工，曲面焊缝、涡轮叶片无法部署传感器

✅气溶胶非接触雾束共形打印，任意弧形、凹凸金属构件直接沉积传感线路。

难点 4 单一传感元件无法区分温漂与真实应变，高温测量失真

✅同一测点同步测温，实时修正电阻温度漂移，大幅提升高温应变测量精度。

难点 5 多材料传感器需多套光刻模具，改版周期长达数周

✅气溶胶数字化直写，金、ITO 墨水一键切换，修改设计当日出样。

五、未来多元产业化应用场景

1 航空燃气涡轮叶片在线健康监测

发动机高温叶片曲面一体化双模传感，实时捕捉叶片振动应变与表面热点，预判疲劳裂纹、热失效故障。

2 火电 / 核电高温管道压力容器监测

锅炉、核反应堆外壁共形打印传感阵列，长期 500℃以上工况同步监测管壁热应力与温度分布。

3 重型工程机械高温液压部件

内燃机、液压阀体高温区域原位传感器，实时监测载荷应变与工作温度，预警结构过载。

4 航天飞行器高温热结构检测

火箭发动机喷管、热防护层曲面微型传感点阵，地面热试车同步采集温度、形变数据。

5 高校极端传感实验室快速原型平台

桌面气溶胶设备快速制备各类高温双参量传感器，无需昂贵薄膜沉积微加工产线。

图文导读

图1. 示意图展示：(a)不锈钢基底制备及基底上介电层的刀片涂覆过程；(b)多模传感器在不锈钢基底上的 AJP（非比例显示）；(c)由两个热电偶（金ITO结）和一个应变片（金材质）组成的印刷传感器光学图像，以及温度传感器与部分应变传感器区域的高倍放大图像；(d)印刷传感器各不同区域的平均线宽。

图2. 气溶胶喷射打印的金膜与在800°C下烧结的ITO薄膜的扫描电子显微镜（SEM）图像：(a) 金膜顶面形貌；(b) ITO薄膜顶面形貌。

图3. (a)印刷式金/ITO热电偶在加热与冷却循环过程中的热电电压响应；(b)该热电偶在三次重复测量中的稳定性；(c)三种在相同条件下印刷的传感器其热电电压输出随温度变化的关系曲线。

图4. 环境温度下温度与应变的同步测量结果：(a) 展示同一传感器三次不同测量数据以证明印刷传感器的稳定性；(b) 展示三种不同传感器的测量结果。

图5. 通过三种不同测量条件同步测定温度与应变，以展示双模传感器在以下温度下的稳定性：(a) 140°C、(b) 285°C、(c) 440°C及(d) 540°C。

结语

总结

该工作创新多材料气溶胶喷射一体化双模高温传感制造路线，通过金应变栅、ITO 热电偶分层共形打印，实现同一测点温度、应变同步独立检测，自带原位温度补偿机制，最高耐受 540℃长期高温环境。解决传统分体贴片传感器易脱层、高温氧化、曲面难部署、温漂误差大四大行业痛点，微米级高精度数字化增材工艺可直接在各类异形高温金属构件成型传感阵列，在航空发动机、火电核电装备、航天热结构、重型机械结构健康监测领域具备极高工程落地价值。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acsanm.4c00907