基于飞秒激光诱导自生技术的宽范围、低滞后软传感器设计 余子越（Ziyue Yu） 季长豪（Changhao Ji） 高新月（Xinyue Gao） 李宇（Yu Li） 杨成（Cheng Yang） 郭发伟（Fawei Guo） 傅江林（Jianglin Fu） 冯寅（Yin Feng） 赵洪轩（Hongxuan Zhao） 龙宇（Yu Long）

《Sensors》：Wide-Range, Low-Hysteresis Soft Sensor with Architecture-Inspired Design Enabled by Femtosecond Laser-Induced Self-Growth Ziyue Yu, Changhao Ji, Xinyue Gao, Yu Li, Cheng Yang, Fawei Guo, Jianglin Fu, Yin Feng, Hongxuan Zhao and Yu Long

　　

摘要

在柔性电子器件中，如何同时实现宽检测范围和低机械滞后效应始终是一个关键挑战，这一挑战主要受到聚合物电介质固有粘弹性蠕变特性的影响。受中国传统麻雀支撑结构独特承重机制的启发，我们设计了一种经过机械优化的倾斜微结构，以增强器件的结构韧性。与传统容易发生机械故障的软弹性支柱不同，这种基于BOPS（Biaxially Oriented Polystyrene）的倾斜几何结构具有出色的承重能力，有效防止了过早失效。有限元分析（FEA）证实，这种倾斜结构使得受力方式从传统的体积压缩转变为结构弯曲。由于这种以弯曲为主的结构能够快速实现弹性恢复，因此在测试的负载条件下显著减轻了聚合物粘弹性蠕变的影响，实现了可靠的信号可逆性和低滞后效应。我们利用可编程飞秒激光直写（FsLDW）技术在双轴取向的BOPS薄膜上制备了这种微结构，利用了材料的熵驱动自生长特性。通过将这种局部生长机制与结构设计相结合，我们成功规避了传统成型方法的复杂性，实现了无需掩模的大规模、高均匀性电介质微阵列的原位生长。最终得到的传感器具有非常宽的工作范围（高达约2.28 MPa）、可忽略的恢复误差（约1.3%）、快速的动态响应时间（约70/80毫秒）以及稳定的操作耐用性。这项工作将基于结构的创新设计与先进的飞秒激光表面微工程技术相结合，为下一代柔性传感技术提供了一条概念新颖且可扩展的实现路径。