摘要：2025年5 月7日，齐鲁工业大学孙加振副教授、中国科学院化学所宋延林研究员团队在国际知名期刊Chemical Engineering Journal(影响因子：13.4)上发表了题为“Printed force sensor with printable c

2025年5 月7日，齐鲁工业大学孙加振副教授、中国科学院化学所宋延林研究员团队在国际知名期刊Chemical Engineering Journal (影响因子：13.4)上发表了题为“Printed force sensor with printable conductive material and printing technique”的综述文章。系统总结了印刷力学传感器的研究进展，深入探讨了以可印刷导电材料和印刷工艺在印刷力电耦合感知结构方面的设计、原理及应用。该综述为下一代印刷式高性能力学传感器的研究与开发提供了有力支持，为智能化发展指明了方向。

本文从可印刷导电材料和印刷工艺技术在印刷力学传感器中的作用入手，梳理了可印刷导电材料的特性与印刷力学传感器性能之间的关系、印刷技术原理对力学传感器特殊电子结构的影响及力学传感器在皮肤信号监测、声音感知、航空航天、汽车、海洋等智能领域的应用，展望了未来的研究挑战与发展方向。

图1 ：使用可印刷导电材料和印刷技术制造力学传感器

可印刷导电材料：影响力学传感器中电信号的产生

可印刷导电材料在印刷力学传感器中起着核心作用，可印刷导电材料的应变灵敏度系数和电导率是影响感知结构灵敏度的关键因素。金属基材料如 Ag、Cu、Au 等具有高电导率和良好的机械性能，能为传感器提供快速的信号传输和一定的机械强度。如银纳米线（AgNWs）的电导率高达 63.01×106 S/m，可使传感器对力的变化快速响应。

图2 ：基于金属的导电材料结构

图3 ：基于有机导电材料结构

印刷技术：对力学传感器印刷力电耦合感知结构产生影响

印刷技术通过塑造印刷力电耦合感知结构的微观和宏观形态，提升其灵敏度与稳定性，在各类智能领域应用中发挥关键作用。根据是否使用印版，印刷技术分为非平板印刷和平板印刷两大类，每类又包含多种具体印刷技术，这些印刷技术通过影响印刷式力学传感器的结构、性能和应用范围，推动了力学传感器的发展。无版印刷：包括喷墨印刷和挤出印刷。喷墨印刷是基于液滴沉积原理，精确地将墨水材料或保护层材料沉积到基底上形成图案或结构。该技术具有无掩模、非接触式沉积的特点，成本效益高，能实现大量结构的沉积且设计易批量更改；挤出印刷是常见的 3D 印刷方法。通过将液化的功能材料经喷嘴挤出沉积，可用于多种材料（如塑料、金属、陶瓷等）和具有复杂内部结构模型的印刷，具有成本低、速度快、操作方便、效率高等优点。在制备力学传感器时，可通过控制挤出过程实现精确的结构控制，如调整材料的挤出路径、速度和量，来构建具有特定形状和尺寸的力学传感器结构。

图4 ：采用挤出式印刷技术的力学传感器

有版印刷：涵盖丝网印刷、凹版印刷、微接触印刷和转移印刷等技术。这些技术各有特点，能在不同应用场景下制备出高性能的力学传感器。丝网印刷使用丝网作为印刷模板，将墨水或颜料通过丝网的间隙转移到印刷材料上。该技术成本低、操作简单、易于扩展，在微电子领域应用广泛。在制备力学传感器时，通过优化墨水配方和印刷工艺，可使传感器具备良好的性能；凹版印刷是利用特殊的刮墨装置去除版面非图文区域的墨水，在强压力下将图文网穴中的墨水转移到印刷物体表面。具有高精度、高质量、防伪性好、应用广泛、印刷质量高、印刷量大等特点。在力学传感器制备中，通过控制印刷过程中的参数，可制备出大面积、均匀且性能优异的力学传感器；微接触印刷提供了一种简单、低成本的表面图案化方法，具有高度的通用性和亚微米精度。该技术可实现对力学传感器表面的精确图案化，在制备具有特殊微观结构的力学传感器方面具有优势；转移印刷是一种将纳米/纳米级物体材料从供体基板转移到受体基板的新兴技术，对力学传感器的发展意义重大。该技术涉及一个三层系统（印章/墨水/基板）和两个界面（印章-墨水和墨水-基板），转移的产量取决于在拾取和印刷过程中强状态和弱状态之间的转换能力。通过控制转移过程中的界面相互作用，可实现高效、精确的材料转移。

图5 ：使用丝网印刷技术的力学传感器

力学传感器：在多领域的应用和广阔前景

力学传感器能将力信号转换为电信号，根据工作原理可分为压电、摩擦电、电阻式和电容式四种。按供电模式可分为自供电（压电、摩擦电传感器）和需电（电阻式、电容式传感器）两类。本综述总结了不同类型传感器制备的力学传感器的多个前沿领域应用：

皮肤信号监测：可用于监测伤口护理、预防褥疮、辅助假肢适配等，还能实时监测生理信号，如脉搏、呼吸、手指弯曲等。如堆叠凸结构柔性电极制成的力学传感器，可有效监测多种生理信号，且具有高灵敏度、快速响应和恢复时间短、柔韧性好等优点。

声音感知：能感知声波压力变化频率，通过多个传感器阵列可确定声音方向。如应变传感器可检测喉部肌肉运动，用于人机交互和言语康复；MXene/BC薄膜压阻传感器可区分自然声音，且低频采样节省检测时间。

图6 ：印刷力学传感器用于声音感知

航空航天应用：用于监测飞机或航天器的结构应力、压力，优化发动机性能和飞行控制，提高安全性和可靠性。如嵌入 rGO 涂覆玻璃织物力学传感器可检测复合材料的热机械响应，轻质压电传感器可在高温环境下检测结构缺陷。

汽车应用：在汽车座椅系统、驾驶员辅助系统和踏板系统中广泛应用，可监测乘客重量和坐姿、提供触觉反馈和手势识别、测量刹车和油门压力等。如基于混合摩擦电-压电纳米发电机的轮胎磨损监测系统，可实时监测轮胎磨损情况。

海洋应用：用于测量水下力、监测大气压力变化、研究海洋生物行为和保障海洋结构安全。如基于T-形摩擦纳米发电机的自供电水下力学传感器，可同时检测法向和切向力；压电波须传感器可模拟海豹胡须，有效感知和追踪猎物。

图7 ：印刷力学传感器用于海洋应用

挑战与未来展望：生物医学、物联网和机器人等智能领域

有序结构制备：对于力学传感中的机器学习应用，印刷力学传感系统应设计有多类型传感器和多组模块。可使用精确的二维片状材料或有机小分子来印刷更有序的力学传感电子结构。高柔韧性、灵敏度与长期稳定性：作为电子皮肤使用时，印刷力学传感器应在皮肤表面具有高附着力，且在弯曲或拉伸过程中具备高柔韧性。针对脑动作电位的检测，印刷力学传感器应实现高检测限以及对力信号的高识别度。在极端环境中，印刷力学传感器应具有高韧性以适应高速或高温环境，并在力学传感方面具备长期稳定性。具有去湿组装的印刷技术有望为印刷力学传感器带来高精度和高灵敏度。可以对印刷微纳电子结构进行调控，以生成具有特殊力学传感能力的仿生结构。此外，力能量与其他能量形式的解耦效应也是实现高灵敏度的关键研究点。

本研究成果得到山东省高校青年创新团队发展计划支持。

作者简介：

孙加振，博士，副教授，硕士生导师，山东省高校青创团队负责人，分别于曲阜师范大学、北京印刷学院、北京航空航天大学获得印刷工程专业、材料物理与化学专业、材料物理与化学专业学士、硕士、博士学位，2017年10 月就职于齐鲁工业大学，致力于印刷微纳结构研究，制造绿色产品、功能器件及组织器官等。在Adv Mater, Chem Eng J, Colloid Surface B, Prog Org Coat, ACS Appl Mater Inter, J Mater Chem C, Appl Surf Sci, Langmuir等期刊发表30 余篇SCI论文，被引用1100余次，H指数16 。申请发明专利10 件，授权4 件，转让1件。主持国家自然科学基金青年基金，山东省重点研发计划公益性科技攻关类，山东省高等学校青年创新团队发展计划等科研项目。Nature Communications, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Additive Manufacturing, Journal of Manufacturing Processes等期刊审稿人。

宋延林，研究员，中国科学院绿色印刷重点实验室主任，杰青，长江学者特聘教授。中国材料研究学会、中国微米纳米技术学会、中国感光学会、中国印刷技术协会常务理事，国际印刷电子标准工作组专家。主持国家重点研发计划、国家基金委重大项目和创新群体等项目30 余项。发表SCI收录论文600余篇，引用53,000余次，H指数118。主持和参加编写中英文专著16 部；授权中国发明专利130余项，美国、日本、欧盟、韩国等授权发明专利26 项。获2005年和2008年国家自然科学二等奖、2016年北京市科学技术一等奖和2023年第三届全国创新争先奖。先后获中国青年科技奖、中国科学院杰出青年、中国科协求是杰出青年成果转化奖、中国化学会-阿克苏诺贝尔化学奖、亚洲化学联合学会经济发展杰出贡献奖、国际电工标准组织IEC1906奖、中华印制大奖和毕昇印刷杰出成就奖等。入选首批科技北京领军人才、万人计划领军人才、中青年科技创新领军人才、国家百千万人才工程和全国优秀科技工作者等。

论文链接：

DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.163542

来源：高分子科学前沿一点号1