第一作者：張俊杰、藍(lán)沛盛
通訊作者：溫錦秀、羅堅(jiān)義
背景介紹及內(nèi)容概述
隨著可穿戴電子設(shè)備與機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域?qū)Ω叻直媛?、低串?dāng)_柔性壓力傳感器陣列的需求日益迫切。傳統(tǒng)傳感器制備方法常面臨靈敏度有限、檢測(cè)范圍窄、串?dāng)_顯著等問(wèn)題，且依賴(lài)光刻、激光蝕刻等復(fù)雜工藝，成本高昂。盡管絲網(wǎng)印刷技術(shù)因高效、低成本和大規(guī)模生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)成為優(yōu)選方案，但其電串?dāng)_（由導(dǎo)電油墨擴(kuò)散導(dǎo)致）和結(jié)構(gòu)單一性仍制約性能提升。
近日，五邑大學(xué)柔性傳感材料與器件研究開(kāi)發(fā)中心溫錦秀副教授和羅堅(jiān)義教授團(tuán)隊(duì)提出一種優(yōu)化絲網(wǎng)印刷技術(shù)，通過(guò)調(diào)控印刷工藝（印刷次數(shù)、網(wǎng)版孔徑、材料用量）和引入彈性絕緣隔離層，成功制備出高性能柔性壓力傳感器陣列。通過(guò)調(diào)整印刷參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了廣泛的靈敏度范圍，從11.0 kPa-1（在壓力低于8 kPa）到0.09 kPa-1（在壓力高達(dá)942 kPa），并利用聚氨酯/環(huán)氧樹(shù)脂（PU/AB膠）作為隔離層將串?dāng)_抑制至-11.65 dB。所開(kāi)發(fā)的傳感器陣列具備1.6 mm空間分辨率，在3000次循環(huán)測(cè)試中電阻波動(dòng)僅1.32%。進(jìn)一步集成硬件電路與軟件系統(tǒng)后，該陣列成功應(yīng)用于口腔舌壓與吞咽壓力監(jiān)測(cè)：在站立/側(cè)臥位吞咽過(guò)程中，23點(diǎn)壓力分布圖譜清晰揭示了舌體運(yùn)動(dòng)規(guī)律（如側(cè)臥位因重力作用接觸面積增大，局部壓力達(dá)40 kPa），精度顯著優(yōu)于傳統(tǒng)7點(diǎn)檢測(cè)法。研究表明，此策略為低成本制造高穩(wěn)定性、低串?dāng)_壓力傳感器提供了新途徑，在醫(yī)療診斷與人機(jī)交互領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。
本工作以“High-Performance Flexible Pressure Sensor Array via Screen-Printing with Enhanced Sensitivity and Low Crosstalk”為題，發(fā)表在IEEE Sensors Journal上。
論文具體工作內(nèi)容
圖1 柔性壓力傳感器陣列的制備流程圖。
圖2 不同碳點(diǎn)高度的壓力傳感器陣列的性能。(a)樣品1#-4#的高度輪廓測(cè)量曲線(xiàn)。圖示為傳感器陣列的局部結(jié)構(gòu)。(b)四個(gè)樣品的壓阻特性曲線(xiàn)(c)曲線(xiàn)第一個(gè)拐點(diǎn)的響應(yīng)范圍、四個(gè)樣品的靈敏度和傳感器性能系數(shù)。(d)測(cè)量樣品3#的一個(gè)傳感器點(diǎn)的循環(huán)穩(wěn)定性。
圖3 展示壓力傳感器陣列(樣本 1#)的分辨率性能及壓力敏感機(jī)制。(a)在不同初始參考?jí)毫?/span>0、5和 10 kPa下對(duì)較小壓力(1 kPa)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況。(b)壓力傳感機(jī)制及等效電路的示意圖。
圖4 具有隔離體的壓力傳感器陣列的性能。(a)樣品3#與S1-S4之間的壓阻特性曲線(xiàn)，圖中展示了帶有隔離體的傳感器陣列的局部示意圖。(b)S1至S4隔振膠的軟度測(cè)量圖。(c)樣品3#與S1至S4的響應(yīng)范圍、靈敏度及性能系數(shù)。(d)S3單個(gè)傳感點(diǎn)的循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)量結(jié)果。
圖5 壓力傳感器陣列系統(tǒng)的應(yīng)用。(a)壓力傳感器陣列系統(tǒng)構(gòu)建的示意圖。(b)不同重量砝碼下壓力傳感器陣列的壓力分布。(c)舌壓測(cè)量過(guò)程中不同階段的壓力分布圖。
總結(jié)與展望
本研究介紹了一種經(jīng)濟(jì)高效且可擴(kuò)展的方法，通過(guò)優(yōu)化的絲網(wǎng)印刷技術(shù)來(lái)制造高分辨率、低串?dāng)_的柔性壓力傳感器。通過(guò)控制印刷參數(shù)，該傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)廣泛的靈敏度范圍，并大幅降低串?dāng)_(-11.65 dB)。壓力傳感器陣列的空間分辨率為1.6 mm，且穩(wěn)定性極佳(在3000次循環(huán)測(cè)量中，電阻波動(dòng)僅為1.32%)。將其應(yīng)用于監(jiān)測(cè)口腔舌部壓力的壓力檢測(cè)系統(tǒng)中，展示了該傳感器在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。這項(xiàng)研究為改進(jìn)可穿戴電子設(shè)備和機(jī)器人技術(shù)提供了一種可行的解決方案。
作者及團(tuán)隊(duì)介紹
第一作者：張俊杰，男，五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院2022級(jí)材料與化工碩士研究生
第一作者：藍(lán)沛盛，男，五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院2023級(jí)材料與化工碩士研究生
通訊作者：溫錦秀，女，工學(xué)博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，江門(mén)市二級(jí)高層次人才。主持項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)基金（青年科學(xué)基金）1項(xiàng)，廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金項(xiàng)目（青年基金項(xiàng)目）1項(xiàng)，五邑大學(xué)港澳聯(lián)合研發(fā)基金1項(xiàng)。主要研究領(lǐng)域包括：柔性傳感材料制備及其器件應(yīng)用（柔性溫度傳感、壓力傳感）；高效率柔性可穿戴熱電發(fā)電材料與器件研究。
通訊作者：羅堅(jiān)義，男，工學(xué)博士，教授，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院院長(zhǎng)，五邑大學(xué)柔性傳感材料與器件研究開(kāi)發(fā)中心主任（創(chuàng)始人），國(guó)務(wù)院政府特殊津貼專(zhuān)家（2023），廣東省杰出青年基金獲得者，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃智能傳感重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)會(huì)評(píng)專(zhuān)家，南粵優(yōu)秀教師，江門(mén)市首屆“僑鄉(xiāng)青年榜樣”，江門(mén)市優(yōu)秀科技工作者，江門(mén)市“十佳教師”。主要研究領(lǐng)域包括：柔性傳感材料與器件應(yīng)用（柔性觸覺(jué)傳感、溫度傳感、氣體傳感和光電傳感等）；納米功能材料合成；智能調(diào)光變色材料與器件。
附文獻(xiàn)及DOI號(hào)
High-Performance Flexible Pressure Sensor Array via Screen-Printing with Enhanced Sensitivity and Low Crosstalk
DOI:10.1109/jsen.2025.3585156
