中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
柔性壓力傳感器（FPSs）是柔性電子器件的重要組成部分，能夠高效地將機械刺激轉換為電信號。其卓越的機械柔性、輕量化設計和優(yōu)異的變形適應性使其在醫療保健、軟體機器人和智能傳感系統等前沿領(lǐng)域具有巨大的應用潛力。近年來(lái)，FPSs不僅推動(dòng)了智能傳感系統向仿生和自適應方向的發(fā)展，也成為下一代高適應性傳感技術(shù)的重要突破。研究人員在提升FPSs的靈敏度、壓力響應范圍和傳感器穩定性等性能參數方面取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。然而，單維優(yōu)化策略往往難以平衡靈敏度和響應范圍，導致壓力-電信號轉換關(guān)系偏離理想的線(xiàn)性模型。壓力傳感器輸出的非線(xiàn)性導致測量信號與實(shí)際壓力值呈現復雜的指數關(guān)系，從而降低了信號轉換的保真度。實(shí)際應用中，補償這種非線(xiàn)性效應需要集成系統采用復雜的信號補償算法。這些算法可能會(huì )引起相位延遲和噪聲放大問(wèn)題，嚴重制約外部系統的整體穩定性和實(shí)時(shí)響應能力。因此，克服壓力傳感器在非線(xiàn)性響應方面的局限性，建立靈敏度和響應范圍的協(xié)同增強機制，實(shí)現跨尺度的線(xiàn)性響應調控，已成為該領(lǐng)域緊迫的科學(xué)挑戰。
FPSs的線(xiàn)性響應作為一項關(guān)鍵性能指標，日益受到關(guān)注。盡管相關(guān)研究不斷進(jìn)展，但現有文獻很少對該問(wèn)題進(jìn)行系統的分類(lèi)和分析，制約了理論體系的完善和技術(shù)應用的深化。近日，濟南大學(xué)魏琴教授、牛閎森副教授/山東大學(xué)李陽(yáng)教授在A(yíng)dvanced Functional Materials上發(fā)表了題為“Microstructure-Modulated Linear-Response Flexible Pressure Sensors”的綜述文章(DOI: 10.1002/adfm.202509776)。本綜述全面概述了FPSs線(xiàn)性響應實(shí)現的最新進(jìn)展。首先，闡述了線(xiàn)性響應的定義及其評價(jià)指標，并探討了其在精確數據采集、簡(jiǎn)化信號處理和優(yōu)化校準方面的意義。隨后，總結了FPSs實(shí)現線(xiàn)性響應的主流調制策略：?jiǎn)我粓D案化微結構、三維多孔微結構、分級微結構和多層微結構。這些策略通過(guò)優(yōu)化微結構設計實(shí)現了FPSs的線(xiàn)性響應。此外，本文還進(jìn)一步探討了基于線(xiàn)性響應的FPSs在健康監測、軟機器人、智能識別等領(lǐng)域的應用潛力。最后，總結了柔性傳感器線(xiàn)性響應調制策略目前面臨的關(guān)鍵挑戰，并概述了未來(lái)發(fā)展的潛在技術(shù)路徑。本綜述旨在構建一個(gè)前瞻性的理論框架，以支持該領(lǐng)域的突破性研究并促進(jìn)其創(chuàng )新。濟南大學(xué)李寧博士、山東大學(xué)李浩博士和馮金慧副教授為共同第一作者，濟南大學(xué)魏琴教授、牛閎森副教授、山東大學(xué)李陽(yáng)教授為共同通訊作者。
圖1概述近十年來(lái)微結構調控線(xiàn)性響應FPSs的研究進(jìn)展
圖2概述微結構調控線(xiàn)性響應FPSs，重點(diǎn)介紹其定義、意義、調制策略和應用
圖3基于線(xiàn)性響應的 FPSs的當前挑戰和前景
總結與展望
本綜述全面探討了微結構調控的FPSs線(xiàn)性響應。首先，本文定義了線(xiàn)性響應的概念及其評價(jià)指標，然后分析了其在精確信號采集、簡(jiǎn)化信號處理和優(yōu)化校準方面的重要性。隨后，本文系統地總結了基于微結構實(shí)現線(xiàn)性響應的各種策略，包括：1）單一圖案化微結構；3D多孔微結構；2）分級微結構；3）多層微結構。隨后，本文結合接觸力學(xué)模型和不同的微結構策略，對不同微結構FPSs的優(yōu)勢、局限性、變形機制和線(xiàn)性響應原理進(jìn)行了比較分析。此外，本文還探討了線(xiàn)性響應在醫療監測、軟機器人和智能識別系統等關(guān)鍵應用領(lǐng)域的實(shí)際價(jià)值。在這些領(lǐng)域，線(xiàn)性特性通過(guò)簡(jiǎn)化數據處理、降低校準復雜性以及實(shí)現可靠的實(shí)時(shí)控制或模式分類(lèi)來(lái)提升系統級性能?？傮w而言，本綜述為理解和設計線(xiàn)性響應壓力傳感器提供了全面的結構視角和物理框架，旨在指導未來(lái)高性能、應用自適應的壓力傳感技術(shù)的發(fā)展。
盡管在調控FPSs線(xiàn)性響應方面取得了重大進(jìn)展，但實(shí)現穩定且嚴格的線(xiàn)性響應仍然是一項艱巨的挑戰。以下系統地總結了該領(lǐng)域目前面臨的核心難題：
i. 靈敏度與線(xiàn)性度的權衡：一個(gè)根本挑戰在于如何在靈敏度和寬線(xiàn)性傳感范圍之間取得平衡。
具有高縱橫比幾何形狀的微結構在壓力增加的情況下往往會(huì )表現出非線(xiàn)性變形和快速飽和。相反，針對擴展線(xiàn)性度進(jìn)行優(yōu)化的結構在低壓條件下往往缺乏足夠的響應能力，限制了其在檢測細微生理變化方面的應用。為了緩解這種權衡，可以采用梯度或分層結構來(lái)解耦各層之間的機械響應，使柔軟區域在低負載下激活，而剛性區域在較高壓力下嚙合。這種機械分段擴大了有效傳感范圍，同時(shí)保持了信號保真度。此外，人工智能驅動(dòng)的多目標設計方法已展現出在識別能夠同時(shí)優(yōu)化靈敏度、線(xiàn)性度和機械耐久性的幾何形狀方面的潛力。
ii. 制造復雜性和可重復性：隨著(zhù)FPSs微結構日益復雜（具有多層微結構、互鎖幾何形狀或納米級紋理），制造可重復性成為一個(gè)主要問(wèn)題。多步光刻、激光微加工和精密對準等技術(shù)可能會(huì )引入變異并阻礙可擴展性。模塊化和可擴展的制造策略，例如卷對卷打印、激光直寫(xiě)或氣溶膠噴射打印，提供了有前景的替代方案。此外，采用有序微結構設計理念可以實(shí)現功能復制，從而提高大面積器件的均勻性和制造一致性。
iii. 機械疲勞和信號漂移：長(cháng)期暴露于機械應力、循環(huán)變形或惡劣環(huán)境條件下會(huì )導致材料疲勞、信號滯后和漂移，所有這些都會(huì )降低傳感精度和設備可靠性?？梢酝ㄟ^(guò)加入彈性緩沖層或柔性界面膜來(lái)重新分配應變并防止局部應力積累，從而減輕這些影響。此外，堅固的材料（工程彈性體復合材料、納米纖維增強體系或混合聚合物-無(wú)機基質(zhì)）可以顯著(zhù)提高FPSs在動(dòng)態(tài)載荷下的抗疲勞性和結構穩定性。
iv. 多層系統中的界面不穩定性：多層FPSs通常會(huì )由于層間機械性能或熱膨脹系數不匹配而出現界面問(wèn)題，從而導致分層和信號不一致。解決此問(wèn)題的策略包括引入梯度模量過(guò)渡層和互穿聚合物網(wǎng)絡(luò )，以改善粘附性和應力分布。表面改性技術(shù)（等離子體活化或硅烷偶聯(lián)）可通過(guò)提高表面能和化學(xué)相容性來(lái)進(jìn)一步增強界面結合。
v. 缺乏通用的預測模型：目前大多數機械和機電模型都是針對特定幾何形狀或材料定制的，這限制了它們在逆向設計和快速原型制造中的應用。一個(gè)有前景的解決方案是將基于物理的模擬（例如 FEA）與機器學(xué)習模型（例如深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )或高斯過(guò)程回歸）相結合，以開(kāi)發(fā)混合框架。這些模型將物理定律的可解釋性與數據驅動(dòng)方法的靈活性相結合，從而能夠快速預測微觀(guān)結構性能，并指導跨不同材料平臺的優(yōu)化。
總而言之，這些挑戰凸顯了跨學(xué)科戰略的必要性，這些戰略涵蓋設計、制造、建模和長(cháng)期功能，以支持下一代可擴展、穩健且高性能的FPSs。
