《Sensors and Actuators A: Physical》：Magnetic tags recognition enhancement using magnetic flux concentrators
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本文提出一种基于激光诱导石墨烯（LIG）的多级结构传感器，模仿荷叶微乳突和三维微孔结构，结合氟硅烷处理实现超疏水自清洁性能。该传感器在0.5-150 kPa范围内灵敏度达219.55 kPa?1，响应时间100 ms，稳定性1800次循环，适用于可穿戴健康监测设备。
王文涛|王文斌|袁志春|陈立兴|毕竹鸣|李凯凯|于淑东
长沙理工大学机械与车辆工程学院，中国长沙410114
摘要
在宽响应范围内实现高灵敏度是压阻传感器的重大挑战。受荷叶独特表面几何结构的启发，我们提出了一种新方法，该方法包括激光图案化、氟硅烷处理和Ecoflex灌注工艺，用于制备激光诱导石墨烯（LIG）的两阶段结构。研究发现，受荷叶启发的LIG电极具有双层结构，即微乳突和三维（3D）微孔。氟硅烷处理和双层微结构的物理化学效应使得基于LIG的电极具有超疏水自清洁性能，其水接触角（WCA）为154.8°，水滑动角（WSA）为2.3°。由于双层结构的协同作用，这种受荷叶启发的压阻传感器表现出快速的响应时间（100 ms）、高稳定性（1800次循环），以及在0.5–8 kPa、8–100 kPa和100–150 kPa的线性范围内分别具有219.55、45.71和1.84 kPa?1的灵敏度。微乳突阵列在动态载荷下提供应力集中，而界面微孔在保持高灵敏度的同时提供可逆的弹性响应。结合自主研发的集成无线传输系统，这种受荷叶启发的压阻传感器进一步用于监测各种健康参数和运动跟踪，在未来的可穿戴电子设备中展现出巨大潜力。
引言
与传统刚性设计不同，可穿戴电子设备将能量存储、驱动单元和传感器等不同功能模块集成在柔性或可扩展的基底上，从而实现人机交互功能和健康监测能力[1]、[2]、[3]。作为可穿戴电子设备的核心组件，压阻传感器主要由负责检测生物信号的电极层和能够贴合人体皮肤的基层组成[4]。迄今为止，已经采用了多种制造柔性电极的策略，包括填充[5]、纳米压印[6]、增材制造[7]以及丝网印刷或喷墨印刷[8]等。然而，这些工艺中的一些存在加工精度和面积的问题，而另一些则受到高成本和严格操作环境的影响[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。
激光诱导石墨烯（LIG）技术为这一问题提供了非常有前景的解决方案。2014年，Tour团队发现了LIG，这是一种通过激光照射直接在碳或天然前体（如聚酰亚胺薄膜、纸张甚至煤炭）上制备的纳米材料[15]。LIG的碳源选择范围非常广泛，从合成聚合物到各种生物质都有，这为实现设备制造提供了可能性[16]、[17]、[18]。在PI薄膜上的三维（3D）多孔LIG电极在外部压力下表现出明显的电阻变化，使其成为压阻传感器的理想候选材料。实际上，压阻传感器在日常使用中通常会不可避免地发生变形。LIG的一个关键缺点是其脆弱的界面，容易导致电极和基底层分离。为此，Lanbetti等人在2016年提出了一种浇铸-剥离方法，将LIG层转移到柔软的弹性材料上，以增强后端设备的坚固性。添加的液体弹性体（如聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚氨酯（PU）和Ecoflex）有助于提高韧性，但会降低其灵敏度[20]。换句话说，响应范围的扩展往往以牺牲灵敏度为代价，在基于LIG的传感器中找到这两者之间的良好平衡已成为一个热点话题[21]、[22]、[23]、[24]。
除了材料本身的可持续性外，从自然界中汲取设计灵感是提高传感器综合性能的另一种有效方法。仿生学通过模仿经过数十亿年进化优化的生物体的复杂结构来实现这一目标。这些仿生对象主要包括甲虫[25]、蜘蛛[26]和蝎子[27]等昆虫，鳄鱼[28]、壁虎[29]和蛇[30]等爬行动物，捕蝇草[31]、酢浆草（Oxalis corniculata Linn.）叶片[32]以及人类皮肤[33]等植物，为解决人工设备的问题提供了宝贵的见解。Liang等人[28]受鳄鱼颚皮结构的启发，制造了一种穹顶形状的折叠结构阵列，实现了8.87 kPa?1的灵敏度和60 kPa的最大压力。Zhang等人[31]受捕蝇草感知和闭合行为的启发，开发了一种基于液态金属弹性体的传感器，具有1.061 kPa?1的高灵敏度。Kim等人[34]制造了一种受蜘蛛裂纹感受器启发的传感器，在2.18 MPa的宽压力范围内实现了2.62×10?3 kPa?1的最大灵敏度。Pan等人[35]模仿人类皮肤中的真皮-表皮纹理，报道了一种随机分布的棘突微结构阵列，其在0–2.6 kPa的宽线性范围内具有高达25.1 kPa?1的灵敏度。实际上，上述大多数仿生对象被设计成圆柱形[36]、金字塔形[37]和球形[38]等力敏感微结构。例如，An等人[37]在压阻传感器中采用了多层金字塔形微结构，在高达1000 kPa的宽压力范围内实现了8775 kPa?1的高灵敏度，这归因于金字塔微结构补偿了逐渐硬化导致的灵敏度下降。此外，还利用了一些结合传感和其他功能的仿生策略。Liu等人[27]模仿了蝎子感受器的振动感知能力，并结合了超疏水特性。由于可穿戴电子设备容易受到污染物的腐蚀或在极端条件下性能下降[39]。
荷叶以其独特的超疏水自清洁结构最初被用作临时庇护所或食品包装。后来，各种荷叶设计的产品被大规模生产并广泛应用于集水、油水分离和防污领域。在用于健康监测的可穿戴电子设备中，人体通过出汗不断散热，并且日常生活中会接触到各种液体污渍，因此超疏水结构在保持设备稳定性方面起着不可或缺的作用。通过模仿荷叶的乳突状几何结构，我们利用激光图案化、氟硅烷处理和Ecoflex灌注工艺制备了一种基于LIG的压阻传感器。双层微结构由微乳突和微孔组成，使LIG电极具有154.8°的水接触角（WCA）和2.3°的水滑动角（WSA），从而对其对牛奶、可乐、人造血浆和一般化学溶剂表现出超疏水自清洁性能。由于在动态载荷下应力集中和可逆反弹效应之间的良好平衡，这种受荷叶启发的压阻传感器在0.5–8 kPa、8–100 kPa和100–150 kPa的响应范围内分别表现出219.55、45.71和1.84 kPa?1的优异灵敏度。此外，基于LIG的电极与健康监测和运动跟踪的硬件相结合，进一步验证了我们制备的仿生传感器的坚固功能。
材料与工艺参数
聚酰亚胺薄膜（DuPont Kapton? HN，厚度为125 μm）用无水乙醇清洗，并在90 °C的真空烤箱中干燥。对于荷叶形状的图案化，使用UV激光切割系统（λ=355 nm，LT20，Latuo Laser Equipment Co., Ltd.，中国）进行激光蚀刻，激光功率为2 W，扫描速度为100 mm/s。然后使用连续波CO2激光照射系统（λ=10.64 μm）对荷叶形状的LIG电极进行诱导处理，
设计概念与制造工艺
在仿生传感器的结构设计中，保持高灵敏度和宽响应范围之间的平衡至关重要。在极端环境下的工作稳定性也是一个重要标准[40]、[41]。如图1a所示，荷叶凭借其多尺度动态适应机制，展现了自然进化、选择和淘汰所赋予的非凡智慧。
结论
在这项工作中，受荷叶独特微乳突结构的启发，我们通过激光图案化、氟硅烷处理和Ecoflex灌注工艺制备了一种柔性压阻传感器。通过控制微乳突结构的生长并创建3D微孔，提高了荷叶启发传感器的机械强度和表面稳定性。实验和仿真结果表明，我们的仿生结构设计实现了双重
CRediT作者贡献声明
王文涛：撰写——原始草稿，概念化。王文斌：数据整理。袁志春：方法论。陈立兴：数据整理。毕竹鸣：资源提供。李凯凯：研究调查。于淑东：研究调查，正式分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划（2024YFB3213600）、国家自然科学基金（52505463）和湖南省自然科学基金（2025RC9009、2024JJ6039）的支持。
王文涛于2023年获得华南理工大学的机械工程博士学位。他目前是长沙理工大学机械与交通工程学院的副教授，研究兴趣包括用于人体生理监测的可穿戴传感器的激光微/纳米制造。
