环保型磁阻传感器：可印刷制备、可生物降解
2026-06-03 08:34:33 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

研究人员开发了一种环保型油墨，以储量丰富的天然铁（Fe）为主要传感成分、生物衍生聚合物作为粘结剂、水为溶剂，采用工业级丝网印刷技术，实现了磁阻传感器传感性能和全生命周期可持续性的全面融合。

电子技术的飞速发展深刻重塑了现代社会，实现了前所未有的连接、交互及自动化水平。其中，磁阻传感器因其能够实现对磁场（进而对相对运动）进行不受环境干扰的非接触式探测，已被广泛应用于环境监测、工业自动化、生物医学诊断和物联网（IoT）等众多领域。然而，电子设备的广泛普及同时也带来了严峻的环境挑战。

为契合联合国可持续发展目标对电子产品环保设计、生产及处置的要求，可持续电子产品的研发势头日益强劲。尽管取得了一定进展，但大多数磁阻传感器仍高度依赖钴和镍，而这两种物质均被列为危险化学品。它们的广泛使用以及不当处置会带来严重的生态和健康风险。此外，要实现高性能磁阻，需精准调控自旋相关效应，而这类效应通常通过高真空材料沉积和光刻图案化工艺来实现，伴随着高能耗和材料浪费等问题。

基于功能性油墨的印刷磁阻传感器，凭借其与材料和能源高效制造技术的兼容性，为解决上述挑战提供了极具前景的途径。然而，磁阻性能达到可接受水平的现有印刷磁阻传感器，仍依赖镍基或钴基填料。此外，油墨配方和印刷工艺往往涉及有害有机化学品和溶剂，进一步削弱了其可持续性。总体而言，这些挑战凸显了迫切需要开发新型材料体系和制造策略，以兼顾磁阻传感器的可持续性与功能性。

据麦姆斯咨询介绍，在此背景下，中国科学院宁波材料技术与工程研究所和德国德累斯顿罗森多夫亥姆霍兹中心等机构的联合研究团队开发了一种环保型油墨，以储量丰富的天然铁（Fe）为主要传感成分、生物衍生聚合物作为粘结剂、水为溶剂，采用工业级丝网印刷技术，实现了磁阻传感器传感性能和全生命周期可持续性的全面融合。相关研究成果已经以“Eco-sustainable magnetoresistive sensors towards disposable magnetoelectronics”为题发表于Nature Communications期刊。

高性能可降解磁阻传感器的全绿色可印刷制备

图1a展示了功能油墨的配制策略，其所有组分均不含稀缺资源或有害物质。羧甲基纤维素钠（NaCMC）源自植物纤维素，是一种可再生的无毒聚合物，已广泛应用于制药和组织工程领域。用水替代传统挥发性有机溶剂，既消除了油墨制备过程中的生态危害，也让打印流程更安全。通过对这些组成材料进行系统设计，所配制的油墨与标准丝网印刷技术具有高度兼容性（图1b）。

全绿色、可规模化印刷的可生物降解磁阻传感器

图1 全绿色、可规模化印刷的可生物降解磁阻传感器

印刷后，油墨中的水溶液在常温环境下蒸发，导致油墨体积大幅收缩。这种简单却高效的方法会产生内应力，使微粒紧密压缩，从而形成导电通路。固化后的NaCMC将磁阻微粒固定，为传感器构建了稳定的结构单元。整个印刷流程无需严苛的后处理，减少了相关环境负担。

为验证该工艺的可扩展性，研究人员在A4纸质基底上制备了5 x 8传感器阵列（图1b、c）。印刷传感器还展现出优异的器件间性能重复性。

印刷Fe/Fe₃O₄-NaCMC磁阻传感器的环保回收与生物可降解

图2 印刷Fe/Fe₃O₄-NaCMC磁阻传感器的环保回收与生物可降解

该工艺证明了采用全绿色方法低成本、高通量生产磁阻传感器的可行性。所制得的传感器具备优异的生物相容性，体外实验在小鼠成纤维细胞中仅观察到极轻微的细胞毒性。传感器报废后，可通过可控生物降解和绿色回收两种方式处理，实现环境友好型处置。

依托两种协同机制实现性能提升

自旋相关跃迁介导的晶界磁阻效应

图3 自旋相关跃迁介导的晶界磁阻效应

提升低场灵敏度的原位磁通量引导效应

图4 提升低场灵敏度的原位磁通量引导效应

为赋予器件适配性性能，研究人员对复合材料中的Fe/Fe₃O₄核壳磁阻微粒及其在复合材料中的分布进行了精准设计，依托两种协同机制实现性能提升：（i）相邻壳层界面处Fe₃O₄晶界间的自旋相关跃迁，增强磁阻响应；（ii）Fe核诱导的原位磁通量引导效应，进而放大相邻Fe₃O₄壳层晶界界面处的局域磁场。两种效应共同作用，使低场磁阻和灵敏度得到显著提升。具体而言，与Fe薄膜相比，两项参数分别提升27.5倍和8倍；与印刷Fe₃O₄基传感器相比，分别提升3.4倍和20倍。

此外，Fe/Fe₃O₄核壳结构还具备额外优势：Fe核可作为高导电通路，实现Fe₃O₄传感区域的电连接，使电阻率较印刷Fe₃O₄基复合材料降低两个数量级以上，便于与电子系统无缝集成。

面向一次性磁电子设备的应用

在物联网场景中，由一次性磁阻传感器赋能的智能包装是重要的应用领域之一。作为概念验证，研究人员将印刷传感器与一款可持续印刷磁铁配对后固定在药盒上，用于监测开启频率（图5b、c）。这能够用于追踪记忆力衰退的老年人的用药依从性，进而实现及时干预。以类似的工作原理，该印刷磁阻传感器还可以集成到包含发光二极管的电路中，实现礼盒开启时的自动照明（图5b）。

印刷磁阻传感器在一次性磁电子设备中的应用

图5 印刷磁阻传感器在一次性磁电子设备中的应用

凭借经过验证的生物相容性，这种磁阻传感器还能直接打印在生物体上，从而增强其在可穿戴和植入式电子设备交互界面中的适配性。作为案例，研究人员设计了一种电子交互界面，利用两个印刷在指甲上的磁阻传感器和一个磁性指环用于人机交互（图5e-h）。为确保在日常使用条件下的耐用性，传感器被封装在生物相容性明胶甘油凝胶中，既能稳定工作，又可通过常规洗手去除（图5f）。通过改变传感器与磁体的相对距离，电信号会相应发生变化（图5g、h）。当信号超过预设阈值时，游戏人物可触发前进和跳跃等特定动作（图5g、h）。

总结而言，该研究同步实现了磁阻传感器的可持续生命周期与优异低场灵敏度，为一次性磁电子设备开辟了新机遇，有望应用于智能包装、食品/药品监测以及植物/人体可穿戴与植入式设备等领域。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-71077-9

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