飞秒激光直写与微孔结构化单步制备高灵敏度柔性电容式压力传感器

本综述创新性地提出基于飞秒激光直写的单步成型技术，成功构建了具有微孔结构的明胶基柔性电容式压力传感器（CPS）。该技术通过激光诱导银离子还原形成嵌入式电极，结合微孔引发的介电常数动态变化机制，实现了2.44 kPa?1的超高灵敏度与300 ms快速响应，为可穿戴电子设备（wearable electronics）和生物医学监测提供了革命性解决方案。

　　

1 引言

柔性电容式压力传感器（CPS）因在可穿戴电子、人机交互和人工皮肤等领域的应用潜力而备受关注。传统制备工艺需分步加工敏感层、电极层和微结构，存在工艺复杂、灵敏度受限等问题。本研究通过飞秒激光直写技术，在掺硝酸银的明胶基质中一次性完成电极 patterning 和微孔加工，实现了 monolithic 结构传感器的高效制备。

2 实验方法

2.1 自支撑明胶膜合成

采用1.5 g明胶与1.5 g硝酸银溶于7 mL去离子水，50°C水浴搅拌后浇铸成膜，室温干燥24小时后剥离使用。

2.2 传感器制备

使用800 nm飞秒激光系统（80 MHz重复频率）与放大激光束（1 kHz）分别执行银电极直写（30 mW功率）和微孔加工（100 mW功率）。扫描速度设定为100 μm/s，通过双光子吸收效应实现银离子原位还原为金属银电极。

2.3 表征与统计分析

采用FE-SEM、XPS、XRD进行形貌与成分分析，激光扫描显微镜测量微孔三维形貌，万能试验机（UTM）进行压力测试，MF470电容表记录电学响应。灵敏度计算采用ΔC/C₀与压力的线性拟合（R²>0.97），所有数据均来自三个独立样本的统计验证。

3 结果与讨论

3.1 形貌分析

SEM显示激光直写的银电极线宽约15 μm，电阻率低至1.56×10^?3 Ω·cm。元素 mapping 证实银元素在辐照区域富集（图2b），XPS显示Ag 3d_5/2峰位于368.2 eV，证实金属银形成。XRD谱中38.48°（111）、44.65°（200）等衍射峰与银纳米晶标准卡片（ICSD-41690）匹配。微孔呈50 μm直径、100 μm周期方阵排列（图4b），深度约80 μm（图5d），孔内壁存在薄层银镀层增强机械稳定性。

3.2 传感器性能

传感器在0–0.5 kPa区间展现2.44 kPa^?1的超高灵敏度，是无微孔结构样本（0.16 kPa^?1）的15倍（图6b）。该增强效应源于压力作用下微孔内空气（ε_r≈1）被明胶（ε_r≈5–10）替代引起的介电常数剧变。动态测试显示响应时间300 ms，恢复时间280 ms（图6d），疲劳测试中经1075次循环仍保持稳定输出（图8）。实际应用中可准确响应指尖压力与弯曲动作（图9），检测限低至5 Pa。

4 结论

飞秒激光直写技术成功实现了柔性CPS的单步集成制造，通过微孔结构设计显著提升灵敏度与响应速度。该技术为新一代可穿戴医疗设备及微机电系统提供了高性能、轻量化解决方案。