具有有序三级金字塔微结构的柔性压力传感器，用于高灵敏度和宽范围人体感知应用

《Biosensors and Bioelectronics》：Flexible pressure sensor with ordered three-level pyramid microstructures for high-sensitivity and wide-range human body perception applications

　　

摘要
柔性压阻传感器广泛应用于人体生理监测和灵巧手运动检测。然而，它们通常面临高灵敏度与宽感知范围之间的权衡问题，以及由固有微观结构缺陷引起的线性度受限问题。在本研究中，我们提出了一种具有有序三级金字塔微结构（OTPm）的柔性压阻传感器，该传感器通过激光直写和湿法刻蚀技术制备，以克服上述局限。得益于金字塔尖端的应力集中和分级界面接触，OTPm 传感器实现了渐进导电行为，这有效提高了灵敏度并抑制了压力饱和。值得注意的是，OTPm 传感器表现出三个线性灵敏度阶段，分别为 77.80、39.84 和 19.20 kPa?1，检测范围宽达 800 kPa，检测限低至 98 Pa，响应时间为 91.2 ms，并在 10,000 次循环测试中保持稳定的传感性能。这些传感特性使传感器能够有效检测各种生理信号和动态人体运动变化。此外，所开发的 3×3 传感器阵列实现了三维（3D）压力分布成像，并验证了在抓握运动期间的可靠机械传感能力。凭借均衡的传感性能，该传感器在医疗康复、机器人控制和人机交互方面展现出巨大的应用潜力。

引言
近年来，柔性压阻传感器取得了快速发展，并在人体健康监测、人机交互和可穿戴设备方面显示出巨大的潜力，包括对人体生理信号（如脉搏、呼吸和关节运动）的感知 (Wang et al., 2024; Zhou et al., 2025) 以及对运动（如手指和手腕的屈伸）的监测，这得益于其高柔韧性、优异的生物相容性和对多物理环境的强适应性 (Bonando et al., 2025; Guo et al., 2025; Hu et al., 2022; Maroli et al., 2024)。然而，传感器高灵敏度与宽检测范围之间的权衡仍然存在，这是在应用中实现最佳传感性能的关键挑战。增强传感器性能的一种有效策略是工程化传感层的表面微结构。近年来，各种单层结构（如金字塔、圆柱体和半圆形阵列）已被广泛研究 (Park et al., 2018; Qiu et al., 2020; Wang et al., 2023)。例如，微型金字塔传感器在 50.7–185.5 kPa 下达到了 242.4 kPa?1，微型穹顶传感器在 0–100 kPa 下达到了 9.208 kPa?1 (Wang et al. 2022, 2023)。然而，单层结构的有效工作范围主要局限于低至中等压力区域，由于快速接触饱和和高压力致密化，很难扩展到高压区域。

为了克服单层结构的局限性，已提出多级微结构设计，以实现在各种压力范围内的差异化响应 (Wang et al., 2025; Zhang et al., 2023)。例如，通过 3D 打印制造的多级斜尖锥阵列，在保持高灵敏度的同时，实现了比单层结构宽六倍的传感范围 (Li et al., 2021)。Geng 等人采用激光处理创建不同尺寸的三级球形微结构阵列，这有效延迟了灵敏度饱和，并提供了单层结构两倍的灵敏度 (Geng et al., 2021)。多级配置使结构和电极之间的渐进接触和导电成为可能，减少了应力集中并扩展了感知范围。为了构建多级微结构，研究人员采用了不同的制造策略，如天然模板复制、自组装方法和 3D 打印技术。这些技术的优势在于大规模制造和成本效益。Zhang 等人利用砂纸模板旋涂和喷涂方法制备了具有负微结构的柔性压阻传感器，在 600 Pa 下进行 1000 次循环测试后响应无明显下降，实现了高达 113.3 kPa?1 的极高灵敏度 (Zhang et al., 2023)。An 等人制造了具有随机分布多级金字塔微结构的柔性压阻传感器，实现了 8775 kPa?1 的超高灵敏度，线性范围高达 1000 kPa (R2 = 0.997)，并且在 10,000 次循环后性能稳定 (An et al., 2024)。然而，这些非定制化的制造方法通常对微结构形态和尺寸精度的控制不足。此外，这些工艺往往引入多余结构并导致表面粗糙度较高，从而不利影响传感器的循环稳定性。因此，设计规则和有序的多级微结构对于优化综合传感器性能至关重要，这有助于从局部变形到整体界面的均匀压力传递，同时有效缓解压缩硬化并延迟高压饱和。

微结构设计主导柔性传感器的传感性能，而聚合物基体和导电填料的选择也是关键决定因素。在聚合物基体材料（如聚二甲基硅氧烷 (PDMS)、聚酰亚烷 (PI) 和 Ecoflex）(Hu and Sheng, 2024; Liu et al., 2025; Ma et al., 2022) 中，聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 由于其卓越的柔韧性和低模量而优于其他常见基体材料，有利于低压变形和高灵敏度检测 (Kárason et al., 2024; Zhang et al., 2025)。典型的 MXene 和碳基导电填料强烈影响初始电阻和传感范围 (Ara et al., 2023; Ji et al., 2021; Seong et al., 2020; Xu et al., 2025)。碳纳米管 (CNTs) 和石墨烯 (GR) 因其卓越的导电性、大纵横比和在聚合物基体中的良好分散性而占主导地位，这使得在变形期间能够具有高灵敏度和稳定的电信号输出 (He et al., 2021; Liu et al., 2023; Peng et al., 2018)。

本工作开发了一种具有有序三级金字塔微结构 (OTPm) 的柔性压阻压力传感器，以 PDMS 为基底，混合 GR 和 CNTs 作为导电填料。激光直写与湿法刻蚀技术的结合实现了精确、可定制化的微结构制造，消除了常见的结构缺陷并提高了传感分辨率。得益于尖锐金字塔尖端、层间隧道效应和分级架构的协同作用，该传感器提高了灵敏度，拓宽了检测覆盖范围并缓解了高压饱和。它表现出三个线性传感区域，灵敏度分别为 77.80、39.84 和 19.20 kPa?1，检测限低至 98 Pa，响应时间为 91.2 ms，并在超过 10,000 次循环中保持稳定。COMSOL 仿真验证了其工作机理。此外，组装的 3×3 传感器阵列和手势识别系统确认了其在分析人体抓握运动期间力分布方面的巨大潜力。

章节片段
实验部分
详细信息见补充材料。

结果与讨论
扫描电子显微镜 (SEM) 图像确认 OTPm 薄膜具有有序、高精度的三级金字塔微结构，尺寸均匀。光滑的表面表明在制造过程中没有形成非预期的结构，为后续的传感性能分析提供了可靠的结构基础（图 S2）。
为了评估压力响应性，制备了三种具有不同表面架构的传感器，分别为有序三级金字塔微结构 (OTPm)、有序单层...

OTPm 传感器的传感机理
OTPm 传感器在外部力作用下的三阶段灵敏度和宽检测范围源于尖锐微金字塔尖端、导电层内的电子隧道动力学以及三级分级结构的协同作用。传感器电阻主要受银电极电阻 (???????)、接触电阻 (????) 和导电介质固有电阻 (????) 控制，而接触面积 (????) 和 CNT 电子...

OTPm 传感器的应用
为了评估实际应用性，将 OTPm 传感器贴附于人体不同部位以监测各种生理活动期间的相对电流变化（图 2a）。当贴在口罩上时，OTPm 传感器能高保真地准确捕捉呼吸模式（图 2b）。当安装在喉部区域时，OTPm 传感器能有效检测与吞咽行为相关的细微肌肉运动，从而使... 的功能评估成为可能。

结论
总之，通过激光直写和湿法刻蚀成功制备了一种配备有序三级金字塔微结构 (OTPm) 的柔性压阻压力传感器。所开发的传感器在 0–800 kPa 的宽压力范围内表现出三个离散的线性响应区域，在低、中、高压力条件下分别产生 77.80、39.84 和 19.20 kPa?1 的灵敏度。98 Pa 的低检测限、91.2 ms 的快速响应以及...

CRediT 作者贡献声明
Wenting Zhang：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原始草稿，可视化，验证，监督，软件，形式化分析，数据整理，概念化。
Xiaoyu Zhao：项目管理，资金获取。
Yaxin Wang：撰写 – 审阅与编辑，验证，监督，数据整理，概念化。
Kong Zhe：资源。
Jian Zhang：资源。
Yongjun Zhang：资源。
Li Wang：验证，调查。
Renxian Gao：资源。
Kun Zhang：资源。
Rufei Cui：

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢
本工作得到国家自然科学基金 (编号：12374345, U24A20103, 12404358)、浙江省自然科学基金 (编号：LZ26E010002, LQN25A040010)、浙江省重点研发计划项目 (编号：2024C03258, 2023C01053)、浙江省省属高校基本研究经费 (编号：GK239909299001-007, GK239909299001-027, GK229909299001-028 和 GK249909299001-307) 以及温州市科技计划项目 (编号... 资助。

Wenting Zhang|Xiaoyu Zhao|Yaxin Wang|Kong Zhe|Jian Zhang|Yongjun Zhang|Li Wang|Renxian Gao|Kun Zhang|Rufei Cui|Haijiao Shen|Fengyi Zhang|Jiahong Wen|Qifeng Du|Daoyi Miao
杭州电子科技大学材料与环境工程学院，浙江杭州 310018，中国