第一作者：陈锐

通讯作者：王春锦教授、Chi Fai Cheung（张志辉）教授、周伟教授

通讯单位：香港理工大学工业及系统工程系超精密加工技术全国重点实验室、厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院

原文链接：http://doi.org/10.1002/advs.202516810

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柔性压阻传感器因其兼具高灵敏度和宽线性检测范围，成为人体健康监测和机器人感知的理想选择。然而，传感器的灵敏度和线性度通常存在权衡，软材料的不可压缩性和微结构的刚化效应带来了挑战。在本研究中，提出了一种创新的柔性压力传感器，采用激光加工技术制造了三维有序的三尺度梯度微结构。该传感器实现了超高灵敏度（138.6 kPa^-1）和宽达400 kPa的线性响应范围（R² = 0.99）。三尺度梯度微结构的压缩变形所产生的补偿行为有效抵消了接触硬化效应，并延缓了灵敏度饱和，从而优化了传感器的性能。该传感器的最小可检测压力极限低至3 Pa，响应和恢复时间分别为34毫秒和39毫秒，且在经过超过24000次重复加载循环后，依然保持出色的稳定性。通过生理监测实验，证明该传感器能够准确捕捉多种压力变化，包括颈动脉、颈静脉、呼吸、咽喉振动和足部压力。此外，该传感器还可应用于远程操作机械手。此研究提出了一种制造柔性压力传感器的有效策略，成功实现了高灵敏度、高线性度和宽压力响应范围的结合，为柔性传感器的应用提供了重要的技术支持。

背景介绍

微结构设计已成为提升传感器灵敏度和线性响应的重要策略。研究发现，压力传感层的微结构可改善材料的压缩性和压力对接触面积的依赖性。一些单级微结构设计（如微金字塔阵列、圆顶、圆柱形、多孔结构等）能够提高灵敏度，但通常仅在中低压范围（50-100 kPa）有效，且在更高压力下灵敏度降低。尽管基于微结构的传感器研究广泛，但平衡灵敏度和线性范围仍具挑战。限制性能的因素主要包括：（1）接触快速饱和，限制线性范围；（2）高压导致的材料致密化，降低灵敏度；（3）微结构不稳定性引发滞后、信号漂移及机械疲劳。因此，如何通过微结构工程优化传感器的线性响应，成为提升传感器性能的关键。为解决这些问题，研究者提出了多级微结构设计，通过不同压力范围的差异化响应实现更好的性能。跨多个尺度的多级微结构可产生协同效应，提升传感器的整体表现。然而，优化线性度和简化制造仍是挑战。设计易于制造的渐变微结构并开发相应的制造方法，对于传感器的线性化至关重要。通过优化物理变形与界面接触的调节机制，可以实现压力更均匀的传递，减缓微结构的压缩硬化效应，从而保持高压范围内的灵敏度并实现线性响应。

图文解析

传感器界面微结构的压缩性直接影响其传感特性。研究表明，合理设计的微结构能够有效调控传感器的灵敏度和压力响应范围。根据经典接触力学理论，包括Archard理论和Hertz理论，实际接触面积（A_real）与施加压力（P）之间存在着线性关系，即A_real ∝ P。由于电输出信号（S）与实际接触面积（S ∝ A_real）成正比，因此，将这两个关系结合起来，可以得出线性压力信号响应：S ∝ A_real ∝ P，进而灵敏度（dS/dP）为常数。为了实现高灵敏度和宽范围的压力响应，三维有序三尺度梯度微结构应满足以下要求：在低压下，小结构首先发生变形并迅速饱和；随着压力的增加，尽管小结构已饱和，较大的结构仍继续变形，产生新的接触面积，从而增加整体接触面积。通过这种连续的结构变形，保持较高的界面压缩率，使接触面积在较宽的压力范围内稳定并近似线性地增加，从而提升传感器的灵敏度、线性度和量程。

图1. 三维有序化多级微结构的设计原理及传感机制

本研究采用激光加工技术制备了三维有序三尺度梯度微结构。该工艺使用红外皮秒激光器，波长为1064 nm，脉冲宽度为10 ps，重复频率为100 kHz。为了生成不同尺度的微结构，我们对每个等级应用了不同的扫描路径，并结合了交叉扫描策略。每个等级的参数和扫描次数都经过了专门的调整。微结构的制备质量受到激光能量密度与材料去除效率之间平衡的影响。当激光能量过低时，无法达到PDMS的烧蚀阈值，导致粘连或结构模糊；而能量过高时，热效应会显著影响材料，导致局部烧蚀或结构损伤。此外，扫描线间距的设置也至关重要。间距过小会导致局部能量密度过高，进而引发熔化和粘连；而间距过大则会导致能量覆盖不足，造成某些区域未能有效去除。扫描速度的选择同样影响制备效果。速度过慢会导致能量过度堆积，产生烧蚀现象；而速度过快则会导致单位点能量不足，导致去除不彻底。基于这些机制，我们系统地研究了激光功率、扫描线间距和扫描速度对PDMS微结构制备质量的影响。

图2. 三维有序化多级微结构的激光制造及表征

本研究选择聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为柔性基底，并采用高导电性的炭黑（CB）和聚环氧乙烷（PEO）混合物作为导电层。传感器被封装为三明治结构，其中压力传感层和叉指电极面对面组装，并使用PI胶带将两层牢固粘合在一起。为了验证其性能，传感器进行了生理信号检测测试，涵盖了脉搏、呼吸、喉咙振动、关节弯曲和足部压力等多种生理信号。

图3. 压力敏感层制备与传感器制造

测试了不同级数的压力传感器灵敏度性能，三维有序化多级微结构传感器（3D-OTGM）具有最高的灵敏度性能（138.6 kPa^-1，R² = 0.99）。同时测试了传感器循环稳定性、不同压力循环载荷、阶梯加压、最小检测极限（3 Pa）、响应恢复时间（34 ms/39 ms）、循环稳定性（70 kPa，24000次循环）等。

图4. 压力传感器性能标定

3D-OTGM传感器具有高灵敏度、宽线性响应范围、快速响应和长期稳定性，能够可靠地检测细微的生理信号。在本节中，我们将系统地评估其在监测人体脉搏（颈动脉、颈静脉和腕部）、呼吸、喉咙振动、关节弯曲和足底压力方面的性能。

图5. 氢溢流增强的电催化加氢脱氯性能验证

将3D-OTGM压力传感器集成到机器人的人机界面中，通过可穿戴设备采集的信号驱动智能机器人，实现更加自然的交互。该系统采用无线数据采集技术，实时收集数据，以便捕捉手部运动的传感信息。基于此，传感器被集成到手套中的传感器阵列。这些传感器安装在丁腈手套手指的第二关节处，从而构成一个传感器手套。该系统包括运算放大器、Arduino开发板、蓝牙模块（HC-05）和机械手。当手指弯曲时，传感器产生的电信号经过运算放大器进行放大和滤波处理。输出的模拟信号通过脉冲宽度调制（PWM）转换为数字信号，进而控制机械手进行相应的手指弯曲运动。

图6. 氢溢流增强的电催化加氢脱氯性能验证

总结与展望

传统柔性压力传感器在实现高灵敏度与宽线性范围的同时面临巨大挑战。本研究提出了一种新型柔性压力传感器，采用三维有序三尺度梯度微结构，并通过激光加工工艺制造，成功实现了连续可变形的接触界面，有效降低了常见的压缩硬化效应。这一创新设计使得在保持高灵敏度的同时，传感器的线性响应范围得以显著扩展。所开发的传感器展现了超高灵敏度（138.6 kPa^-1），并在宽广的测量范围（最高可达400 kPa）内保持优异的线性度（R² = 0.99），同时具备卓越的机械耐久性，能够承受超过24,000次的循环。此外，3D-OTGM传感器在生理信号医学监测和人机交互中的触觉感知方面展现出巨大的应用潜力。本研究验证了三尺度梯度微结构设计的有效性，并为推动柔性传感技术的发展提供了新的思路。通过激光加工，我们提出了一种可扩展且高效的制造策略，具备广泛的应用前景。尽管激光加工具有诸多优势，但在大规模生产中仍面临一些挑战，如较长的加工时间、高昂的设备成本和产量限制。未来，将先进的激光技术与其他可扩展制造方法（如打印或卷对卷加工）结合，有望进一步提高制造效率，并实现实际的大规模生产。

课题组介绍

超精密加工技术全国重点实验室(香港理工大学)主页：https://www.polyu.edu.hk/sklumt/

周伟教授课题组主页：https://weizhougroup.xmu.edu.cn/

原文信息

Rui Chen, Chi Fai Cheung*, Qixian Zhang, Tao Luo, Rui Gao, Wei Zhou*, Chunjin Wang*. Ultra-Sensitive and Linear Flexible Pressure Sensors with Tri-Scale Graded Microstructures for Advanced Health Monitoring and Robotic Perception. Advanced Science, 2025, e16810.