基于电阻-电容耦合的液态金属柔性压力传感器：高灵敏度设计与应用突破

为解决传统柔性传感器灵敏度低、微结构工艺复杂等问题，中国科学院研究人员创新性地提出基于液态金属镓(Ga)的电阻-电容(RC)耦合传感器。通过优化电极图案化工艺和双螺旋结构设计，实现了0.4653 kPa?1 的高灵敏度与10-343 Pa的线性响应范围，为可穿戴设备和软体机器人提供了新型传感解决方案。

　　

在智能技术飞速发展的今天，柔性传感器已成为可穿戴电子、人机交互和健康监测等领域的核心组件。然而，传统基于单一电阻或电容变化的机械传感器面临灵敏度不足的瓶颈，而通过微结构电极或介电层提升性能的方法又存在工艺复杂、空气相含量影响精度等问题。更棘手的是，液态金属高表面张力导致的图案化困难，以及现有技术对特定基材的依赖性，严重制约了其应用潜力。这些挑战呼唤着一种既能简化制备流程又能突破灵敏度限制的创新方案。

北京航空航天大学的研究团队在《Medicine in Novel Technology and Devices》发表的研究，给出了突破性的解决方案。他们巧妙利用液态金属镓的亚冷却特性和表面氧化层行为，开发出"打印-固化-剥离-转印"的系统性加工方案。通过DOBOT机械臂与注射泵的协同控制，在PET基底上实现线宽375 μm的高精度图案化；采用固态镓棒作为成核剂，结合乙醇剥离技术，解决了液态金属电极的跨材料转移难题。更关键的是，他们创新性地提出电阻-电容(RC)耦合机制，通过COMSOL多物理场仿真优化出双螺旋电极结构，使传感器在10-343 Pa范围内实现0.4653 kPa^?1
的灵敏度，较传统单一模式检测灵敏度显著提升。

关键技术方法包括：1) 机械臂直写打印技术（18G点胶针头，150 μL/min注射速度与40 mm/s移动速度匹配）；2) 低温固化与乙醇辅助剥离的电极转移技术；3) 基于COMSOL的多电极结构仿真（双螺旋、叉指等四种组合）；4) Ecoflex封装与海藻酸钙水凝胶超薄封装技术；5) 电阻-电容数据融合算法（加权系数ω₁
=0.512，ω₂
=0.488）。

研究结果部分：
3.1 独立液态金属结构的机械传感性能
Dumbbell形传感器展现552%的最大拉伸率，弯曲角度检测时ΔR/R₀
呈线性增长。水凝胶封装版本可检测0.01 N微压，通过调节交联度实现超薄封装。350次200%拉伸循环测试显示优异稳定性。

3.2 不同形状传感器的RC耦合仿真
COMSOL模拟揭示：螺旋+圆盘电极组合响应负载最高（998.75 Pa），叉指结构灵敏度达1.2 kPa^?1
。双螺旋结构在0-380 Pa范围内仿真与实测结果高度吻合。

3.3 传感器性能验证
实测双螺旋传感器ΔC/C₀
拟合方程y=4.653×10^?4
x+0.00156（R²
=0.99）。通过数据融合算法建立的RC耦合方程y_pfusion
=2.354×10^?4
x_c
+7.355×10^?4
x_r
-0.00482，使综合灵敏度提升至0.2354 kPa^?1
。

这项研究的意义不仅在于创造了当前液态金属柔性传感器的灵敏度纪录（0.4653 kPa^?1
），更建立了从材料加工到结构设计的完整技术体系。其提出的"按需选择电极组合"策略（如0-300Pa优先选用双螺旋结构），为不同应用场景提供了模块化解决方案。超薄水凝胶封装技术则开辟了在体表生理信号监测的新可能。未来通过优化介电材料与封装工艺，这类传感器有望在舌压监测等生物力学领域实现突破性应用。正如作者Kang Sun和Liang Hu在结论部分强调的，这项技术为液态金属在柔性电子领域的应用树立了新范式，其系统方法论对解决其他功能性材料的加工难题也具有重要启示。