摘要：液态金属具有流体和金属的特征，在柔性电子领域有着广泛的应用前景。液态金属在变形之后会对其电学性能产生影响，所以这种材料在压力传感器领域也有着一定的探索空间。本文通过调研液态金属在压力传感器领域的应用，综合液态金属在这个领域的优势，分析了液态金属在未来新型压力传感器领域的前景。 关键词：液态金属，柔性电子，压力传感器
背景介绍：
干油站传统的压力传感器是依赖材料的压电效应，但是压电材料主要是陶瓷和聚偏氟乙烯（PVDF）。陶瓷的柔性和耐冲击能力差、抵抗温度变化的能力不高，所以限制了在柔性电子领域的应用。PVDF作为极少数的具有压电功能的高分子材料，在制备过程中成本高、对设备要求严格，而且抗拉伸能力差，也限制了其在柔性电子领域的应用。液态金属作为一种室温具有流动特征的金属，其高热导率和高导电率等特征进一步加强了其在柔性压力传感器和柔性电子领域的可能。
在室温保持流动状态的液态金属有3种，一种是汞单质；一种是钠钾合金；还有镓基液态金属合金。汞具有高挥发性，在室温条件下快速挥发，会破坏人类的神经系统，进一步对人类生命造成危害。钠钾合金虽然具有良好的热学和电学性能，但是它极其不稳定，容易和水发生反应，限制了其在民用电子设备领域的应用。镓基液态金属无毒性，而且合成过程条件不苛刻，容易保存，这为镓基液态金属在柔性电子领域的应用打下了基础。
1.
液态金属在压力传感器中的应用
液态金属作为一种金属材料，将其封装在柔性材料内部，可以形成稳定的导线。Qian Wang等通过冻结相变技术，将液态金属线路转移到柔性材料表面，形成了稳定的柔性电子器件。并且，通过可编程软电子带和温度传感模块与手机进行无线通信，证明了该方法的效率和能力。[1] Wang等根据自然界生物触须，结合液态金属，制备了一种具有压力传感功能的压力传感纤维。[2] 通过统计液态金属纤维应力-应变-电阻之间的关系，可以通过电阻的变化，精确判断纤维所受外力的大小。Liu 等根据毛发的结构，制备了多功能的高性能电子头发传感器，不仅成本低，结构简单，灵活性好，功能多样，并且实现了检测压力，
粗糙程度，气流方向与速率的功能。[3] 徐等人通过对波纹管-弹簧复合机构的结构研究与计算，设计了一种适用于恶劣环境，复杂介质和高温工作的液态金属差动变压器式压力传感器。[4] Varga等根据镓基合金的生物相容性及水在金属之间形成的滑动层属性，研发并介绍了一种基于共晶镓铟自由移动液滴和嵌入硅酮中的液态共晶镓铟导体的全软物质惯性传感器。[5]
通过他们研究成果，不难发现，液态金属在当今有广泛运用前景，在传感和柔性导电方向上展现了极大的优势，目前已在结合冻结相变和电子编程等技术后衍生出许多不同的应用。另外，液态金属的成本可控，易于实现大众化产品应用。但深究，液态金属若要实现普遍化，便捷化，仍有许多需要攻克的难题。
羟基氧化钴
1.
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存在的问题
由于液态金属的表面张力很大，在无外力、无氧化层的情况下，液态金属会保持类球形，再而引起对特定产品导电能力的减损。液态金属的表面张力是水的10倍左右，在整体温度
不匀的情况下，更难保证液态金属可以稳定存在。尤其是在电流等刺激作用下，液态金属会整体温度不平均引起表面张力的不同，而表面张力的不同则会进一步导致液态金属的形变，断层，在无法完全保持原有形状时会对导电能力带来一定程度上的影响。在柔性电子中，液态金属起着导电的作用，所以必须通过外力束缚，才能保证液态金属整体连接紧密，稳定导电。同时，因液态金属具有良好的流动性，其表面的金属原子非常活泼，在室温条件下可能快速氧化，由此导致导电功能减损。固体氧化层会限制液态金属的形态，增加液态金属的电阻，给液态金属的应用带来困扰，这些因素都导致了液态金属在应用中受限。
3， 解决方案
为了改变液态金属在柔性基底表面的状态，提高液态金属和基底的浸润性，根据Cassie公式 ，（ 粗糙结构表面的接触角；θ是材料本身的接触角；f是粗糙因子，代表的是表面的气体所占比例）。根据此公式可以通过改变纤维内部基底的化学成分和粗糙度，来达到提高液态金属和基底之间的亲和性，阻碍液态金属在传导纤维中的运动，由此加强液态金属对其原有形状的保持。同时也可以通过刻蚀，转印等方式将液态金属做进一步的固定。
为了减少因电刺激产生的影响，保持液态金属在导电过程中的稳定及形状，根据Lippmann方程 （相同固-液界面张力和电压的关系式），适当调整电压大小，使固-液界面张力达到稳定且均匀的状态，由此提高液态金属在通电情况下的稳定性。
为了避免液态金属的氧化问题，可以采用具有封闭、隔氧功能的高分子材料封装液态金属，减少应用过程中氧化的问题。
4，总结
客观分析，液态金属在导热导电领域有着广泛的运用前景，主要优点有以下几项：1.因其本身的柔性特质，液态金属传感可运用于皮肤，眼睛等脆弱界面及部位；2.同时，液态金属可塑性强，功能多样，可以与相关的各种技术及仿生学等结合衍生新的应用与产品；3.镓基合金价格合理，可在多领域多情形使用；4.优异的导热与导电性能；5.液态金属无毒无味，在使用中安全可靠，可以在民用产品中使用。尽管液态金属在氧化问题及浸润性的稳定性问题有待改变和增强，但是其优异的导热、导电和流动功能，是很多其他材料不能替代的。在经过存储环境的适应性改造，可以将液态金属的优势最大化利用，由此解决在现有产品在导热，导电，柔性领域的缺陷。
References
[1] Qian Wang, Yang Yu, Jun Yang, Jing Liu, Fast fabrication of flexible functional circuits based on liquid metal dual-trans printing. Advanced Materials, 电子仓单交易2015, 27 (44), 7109-7116.
过线槽
[2] Lei Wang, Junheng Fu, Feng Zhao, Jing Liu, Pressure sensing of liquid metal-based fiber arrays, AIP Advances, 2021, 11, 035322.
[3] Ya Liu, et al., A biomimetic multifunctional electronic hair sensor, Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7, 1889-1896.
[4] 徐东，刘柏青，李宝生，秦仕鹏，庞博. 液态金属压力传感器感压元件设计[J]. 传感器与微系统, 2017, 36 (11): 96-102.
[5] Matija Varga, et al., On-skin liquid metal inertial sensor, Lab on a Chip, 2017, 17, 3272-3278.m1卡
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