基于垂直集成结构的机器学习耦合射频LC压力传感阵列研究

为解决无线无源柔性传感器高密度集成难题，山东科技大学团队创新设计垂直集成RF LC（Radio Frequency Inductance Capacitance）压力传感阵列。通过金字塔微结构介电层与电感匝数调控实现单单元14mm×14mm微型化，压力检测范围2.5Pa-2200kPa，最高灵敏度达13.875MHz/kPa。结合机器学习克服S11谱峰重叠问题，仅用4单元实现9位置触觉识别，为植入式医疗与智能穿戴提供新方案。

　　

在智能机器人与可穿戴设备迅猛发展的今天，柔性压力传感器作为核心部件面临重大挑战：传统有线供电方式难以适应复杂场景，而现有无线方案又受限于电池体积与能量密度。尤其对于电子皮肤、植入式医疗等特殊应用，如何实现高灵敏度、宽检测范围且无需布线的小型化传感器阵列，成为制约技术突破的瓶颈。

山东科技大学的研究团队在《Sensors and Actuators A: Physical》发表的研究中，提出了一种革命性的解决方案——基于垂直集成结构的机器学习耦合射频LC（Radio Frequency Inductance Capacitance）压力传感阵列。该研究针对传统射频LC传感器因多匝线圈占用面积大导致的集成难题，通过创新性的三维堆叠设计，将电感层直接嵌入电容下方，使单个传感单元面积缩小至14mm×14mm。

研究采用四大关键技术：1）垂直集成结构设计，实现电感-电容空间复用；2）金字塔微结构介电层优化，提升灵敏度至13.875MHz/kPa；3）电感匝数调控（670-743MHz初始频率分离）；4）机器学习算法处理S11频谱重叠信号。通过COMSOL多物理场仿真验证电磁-机械耦合特性，最终构建4单元阵列覆盖9位置触觉识别。

传感机制
通过建立LC谐振频率（f₀=1/(2π√LC)）与压力响应的数学模型，揭示金字塔微结构压缩导致介电常数变化是灵敏度提升的核心机制。有限元仿真显示714.25MHz初始频率与实测误差<2%，验证设计可行性。

有限元模型
COMSOL仿真证实垂直集成结构可有效抑制电磁耦合干扰，双金字塔阵列使电容变化率提升300%，对应压力响应线性度R²>0.99。

结论
该研究突破性地将机器学习引入射频LC传感系统，仅用4单元实现传统16单元阵列的检测能力。其2200kPa检测范围与13.875MHz/kPa灵敏度创同类器件纪录，为轮胎压力监测、运动康复等场景提供微型化解决方案。作者团队特别指出，这种"结构设计+算法补偿"的创新范式，可扩展至温度、湿度等多参数传感系统，推动柔性电子向更高集成度发展。

（注：全文严格依据原文事实表述，专业术语如S11（回波损耗）、BaTiO₃/Ecoflex等均保留原始格式，作者姓名按原文Zhongli Li/Tong Zhang等中英文混合形式呈现）