綜述：3D打印微結(jié)構(gòu)助推柔性壓力傳感器性能提升

來源：MEMS

隨著柔性電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)剛性電子器件正逐步被更輕便、可變形、功能可重構(gòu)的新型柔性器件所取代，在人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、健康監(jiān)測(cè)和可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。作為柔性電子的核心組成部分，柔性壓力傳感器憑借對(duì)壓力、形變等機(jī)械刺激的精準(zhǔn)感知能力，在智能機(jī)器人、電子皮膚、人機(jī)交互等場(chǎng)景中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。尤其是通過模擬人類皮膚的觸覺感知，柔性壓力傳感器為軟電子系統(tǒng)賦能，為推動(dòng)下一代智能技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

盡管近年來柔性壓力傳感器在材料選擇、感測(cè)機(jī)制和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面取得了顯著進(jìn)展，然而如何同時(shí)實(shí)現(xiàn)高靈敏度、寬檢測(cè)范圍與高空間分辨率，仍然是亟待突破的關(guān)鍵難題。傳統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)和制備方法受限于接觸面積飽和、響應(yīng)線性差、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受限等問題，嚴(yán)重制約了傳感器性能的提升。微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為優(yōu)化應(yīng)力分布、提升性能的重要策略逐漸受到重視，但受限于光刻、模具等傳統(tǒng)工藝的復(fù)雜性和可擴(kuò)展性問題，微結(jié)構(gòu)的制備和應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)。近年來，3D打印技術(shù)的興起為柔性壓力傳感器的微結(jié)構(gòu)構(gòu)筑提供了全新路徑，憑借其高自由度、可定制和多材料集成的優(yōu)勢(shì)，有望突破現(xiàn)有瓶頸，推動(dòng)柔性傳感器性能與應(yīng)用邊界的不斷擴(kuò)展。

針對(duì)以上背景，研究人員系統(tǒng)總結(jié)了微結(jié)構(gòu)柔性壓力傳感器的研究進(jìn)展，重點(diǎn)聚焦3D打印微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在提升傳感器靈敏度、響應(yīng)速度和耐久性等方面的重要作用，力圖全面梳理不同類型柔性壓力傳感器的工作機(jī)理，深入分析3D打印技術(shù)在微結(jié)構(gòu)制造中的優(yōu)勢(shì)與面臨的挑戰(zhàn)。同時(shí)，我們也分享了對(duì)未來發(fā)展趨勢(shì)的思考與展望，希望為柔性傳感器領(lǐng)域的研究者和工程應(yīng)用開發(fā)者提供有價(jià)值的參考與啟發(fā)。相關(guān)綜述論文以Flexible Pressure Sensors Enhanced by 3D㏄rinted Microstructures為題，發(fā)表于期刊《Advanced Materials》，寧波大學(xué)金育安教授為第一作者兼通訊作者，浙江大學(xué)賀永教授為共同通訊作者。

圖1 3D打印微結(jié)構(gòu)助力柔性壓力傳感器的感測(cè)機(jī)理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制備與應(yīng)用

1、微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)助力感測(cè)機(jī)制優(yōu)化

柔性壓力傳感器通過壓阻、電容、壓電和摩擦電等多種感測(cè)機(jī)制，將機(jī)械刺激高效轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。微結(jié)構(gòu)在其中扮演著至關(guān)重要的角色，能夠通過調(diào)控局部形變、優(yōu)化應(yīng)力分布、增加有效接觸面積，大幅提升傳感器的靈敏度、響應(yīng)速度和檢測(cè)范圍。不同感測(cè)機(jī)制對(duì)微結(jié)構(gòu)特性有著各自獨(dú)特的需求，系統(tǒng)理解微結(jié)構(gòu)在各類感測(cè)機(jī)制中的作用，為性能優(yōu)化和器件設(shè)計(jì)提供了重要指導(dǎo)。

2、3D打印微結(jié)構(gòu)的制備策略

傳統(tǒng)微結(jié)構(gòu)制備方法在精度、復(fù)雜度和可擴(kuò)展性上存在明顯局限，而3D打印技術(shù)憑借高自由度、精確構(gòu)筑能力，成為柔性壓力傳感器微結(jié)構(gòu)制造的重要手段。綜述聚焦了基于材料擠出、光固化等3D打印技術(shù)的直接制備方法，以及結(jié)合模具復(fù)制的間接制備策略，系統(tǒng)分析了不同方法在材料適配性、分辨率、成本與規(guī)模化制備方面的優(yōu)劣，為柔性傳感器微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了豐富的技術(shù)支持。

圖2 利用3D打印技術(shù)制備不同類型的微結(jié)構(gòu)

3、3D打印微結(jié)構(gòu)柔性壓力傳感器的應(yīng)用探索

結(jié)合微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與3D打印制造的柔性壓力傳感器展現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能，在多種實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)了巨大潛力。綜述詳細(xì)介紹了其在生理信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)行為識(shí)別、軟體機(jī)器人感知系統(tǒng)等領(lǐng)域的前沿應(yīng)用案例，突顯了柔性傳感器在復(fù)雜環(huán)境下保持高靈敏度、高可靠性及良好耐久性的能力，體現(xiàn)了微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合所帶來的創(chuàng)新突破。

圖3 3D打印微結(jié)構(gòu)在生理信號(hào)監(jiān)測(cè)、動(dòng)作識(shí)別以及軟體機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用

4、未來的挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢(shì)

盡管柔性壓力傳感器在性能提升和應(yīng)用拓展上取得了重要進(jìn)展，但在多材料3D打印工藝、智能微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、環(huán)境穩(wěn)定性提升等方面仍面臨諸多挑戰(zhàn)。綜述指出，未來通過引入功能梯度結(jié)構(gòu)、智能響應(yīng)微結(jié)構(gòu)以及多維感知集成等策略，有望進(jìn)一步打破性能瓶頸，推動(dòng)柔性壓力傳感器向更智能、更復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景演進(jìn)，為智能可穿戴、醫(yī)療健康與人機(jī)交互等領(lǐng)域注入全新活力。

圖4 3D打印微結(jié)構(gòu)在柔性壓力傳感器領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)

本綜述系統(tǒng)梳理了柔性壓力傳感器領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展，圍繞微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與3D打印制造的協(xié)同優(yōu)化，總結(jié)了關(guān)鍵技術(shù)路徑與未來發(fā)展趨勢(shì)，為推動(dòng)柔性電子器件的高性能化、智能制造與跨領(lǐng)域應(yīng)用提供了重要參考與理論支撐。該論文得到了國家自然科學(xué)基金和寧波市青年科技領(lǐng)軍人才項(xiàng)目的資助。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adma.202500076