通过优化印刷石墨烯纳米复合油墨的光子烧结条件，在柔性PDMS基板上基于石墨烯纳米复合材料喷墨打印的零下温度传感器的制造和表征，获得了温敏导电石墨烯纳米复合层，该基板能够在-30°C至80°C之间的大范围内监测温度，用于制药应用的冷藏监测。该传感器通过信号处理电路将信号传输到智能手机并在数字显示器上监控温度值，实现了无线操作传感。此外，这种传感器还可以用于生物应用的温度传感测量，因为造血干细胞、人上皮细胞、细胞成分（DNA、RNA）和小鼠成纤维细胞等生物材料通常需要在零下温度范围内（主要低于-10°C）储存数月或数年，对温度敏感易造成损害。因此，通过使用基于石墨烯纳米复合材料的零下温度传感器，可以很容易地监测生物物种的实时温度。
实验使用MicroFab Jetlab 4 喷墨打印系统进行打印（图1c），因为它具有多功能性、精密度和可操作性。选择孔口直径为80μm的压电打印头，能够产生具有精确体积和尺寸的液滴，这对于生产高质量的印刷材料非常重要。采用双电压为60V、下降持续时间为25s单偏置脉冲，液滴发生频率为600Hz。在打印过程中，可以通过调整驱动波形实现调整至液滴的形状、尺寸和速度的目标参数，此实验的液滴尺寸为100-120μm的液滴。为了高效打印，采用了速度为50mm/s 飞行打印模式。选择喷头温度为35°C，打印底台温度为70°C，以确保适当的油墨附着力和干燥性，此实验需要精准控制喷头和打印底台的温度，以确保最佳打印条件，这对于生产高质量的印刷品至关重要。
▲ 图1 基于石墨烯纳米复合材料的喷墨打印温度传感器的制备工艺示意图
▲ 图2 石墨烯油墨在PDMS表面的接触角测量和印刷石墨烯薄膜的附着力测试
▲ 图3 石墨烯油墨在PDMS表面的接触角测量和印刷石墨烯薄膜的附着力测试
▲ 图4 （a）预烧结和（b）后烧结（10脉冲，3 kV）印刷石墨烯纳米复合薄膜的FESEM图像
▲ 图5 （a）光子固化前和（b）光子固化后印刷石墨烯/乙基纤维素纳米复合薄膜的原子力显微镜（AFM）图像
▲ 图6 （a） 非封装传感器的电阻随温度的变化（从-30°C到80°C），（b）和（c）电荷载流子在较低和较高温度下的平均自由程的示意图，（d）封装传感器的电阻随温度的变化（%）（从-30到80°C），（e）电阻随6°C时间的变化， 分别为60°C和95°C，（f） 在灯开启和关闭条件下电阻随时间的变化
▲图7（a）放置在印刷阵列传感器上的热表面示意图，（b）与热表面放置相对应的电阻变化
▲图8 （a）封装的印刷石墨烯层，（b）在40°C至50°C的非零度范围内从表面到活性层的温度分布，（c）在-20°C至-30°C的零下范围内从表面到活性层的温度分布
▲图9 温度传感器无线集成电路图示意图
▲视频S1 温度传感器视频 1
▲视频S2 温度传感器视频 2
MicroFab 高精度纳米材料沉积喷墨打印系统 Jetlab Ⅱ
特点
Inkjet喷墨打印技术，数字可控，高精度运动控制
具备校准系统，实现精准的定位打印
产生皮升体积液滴，液滴体积CV<1%，从而实现精准的定量
打印效率高，喷头频率1-30kHz
配置有MicroFab应用程序及PC，可进行液滴的测量及观测
材料适应性强，适用多于500种的液体喷射，溶液粘度范围1-30cps
可放大、观察和测量打印的工件
喷头可清洗，可重复使用
本文介绍了喷墨打印柔性温度传感器的成功制造，并演示了其无线操作。据报道，传感器能够监测−30 °C至80 °C的宽温度范围，灵敏度为0.119 %/°C。为了实现这一点，商业石墨烯纳米复合油墨被喷墨印刷在柔性PDMS基材上，并被用作温度传感层。印刷油墨经过低热预算光子烧结，除去了配方中的粘合剂、乙基纤维素、有机溶剂等其他化学物质，并表达诱导功能。总体而言，这项工作解决了与柔性温度传感器制造相关的几个现有挑战，并通过柔性石墨烯纳米复合材料器件提出了印刷、光子烧结和零下温度传感的独特组合。未来的前景包括具有不同功能的多个传感器的可扩展性，集成到工业和物联网应用通常需要的复杂系统中，以及监测实时生物温度变化。
参考文献：
[1] Saurabh Soni,Pushkar Sathe,Sudipta Kumar Sarkar,Ashok Kushwaha, Dipti Gupta,Inkjet-printed sub-zero temperature sensor for real-time monitoring of cold environments,International Journal of Biological Macromolecules 258 (2024) 128774
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