研究背景

随着科技的不断进步，柔性压力传感器在健康监测、人机交互以及智能服饰等领域展现出巨大潜力。然而，如何高效、低成本地制造出具有高性能的柔性压力传感器，一直是行业内的一个挑战。现有技术如光刻和蚀刻过程存在成本高、效率低等问题。研究团队采用电液动力喷射（EHD-jet）打印技术，模仿壁虎足部的微结构，制造出具有高灵敏度和快速响应的传感器。通过尖端辅助和环形聚焦电极增强电场强度，实现了高纵横比的微穹顶结构，显著提高了传感器的性能。这项技术为可穿戴设备和健康监测提供了一种低成本、高效的制造方案。

本研究采用电液动力喷射（EHD-jet）打印技术，高效制造了一种具有微穹顶结构的仿生柔性压力传感器。首先，选用PDMS和PET薄膜作为基底材料，并通过氟硅烷进行疏水处理以优化微结构的形态。利用EHD-jet打印系统和特定参数，实现了高粘度PDMS溶液的精确打印，形成微穹顶阵列。随后，通过喷涂单壁碳纳米管溶液并固化，形成导电路径，构建了压阻式传感器。该传感器展现出高灵敏度、快速响应和优异的稳定性，能检测微小压力至2帕，响应时间为40毫秒。

通过实验，验证了传感器在人体动作监测中的有效性，包括呼吸、脉搏、关节弯曲等。该研究为柔性传感器的制造提供了新方法，具有在可穿戴技术和健康监测领域应用的潜力。

图1  表征PET薄膜上的图案化微穹顶。a) 按需打印设备的示意图。b,c) 打印的滴液图案。比例尺 = 1毫米 和 打印的滴液。d,e) 在疏水基底上打印的微穹顶阵列的光学显微镜图像及其横截面。f,g) 打印的微穹顶阵列的扫描电子显微镜（SEM）图像。以及经过喷涂碳纳米管处理后的情况。h) 在基底上打印的滴液在疏水处理前后三维形状和高度的变化。i) 阵列滴液的三维形状和特性。

高灵敏度： 传感器能够检测到低至2帕的压力变化，响应时间仅为40毫秒。

高长宽比微穹顶结构： 通过在疏水性处理的基板上打印，得到的微穹顶具有0.64的高长宽比，是常规基板的三倍多。

耐用性： 经过1000次以上的循环测试，传感器显示出卓越的耐用性和稳定性。

低操作电压： 仅1伏特的低操作电压，使其在可穿戴健康监测应用中更为安全。

图2  比较我们的传感器与其他类似的柔性压力传感器的传感性能

图3  展示柔性传感器跟踪人体运动的能力。a) 评估压力传感器对气流的传感性能。b,c) 感知同一个人说出“Hello,”“hi”时喉咙的细微变化。d) 柔性压力传感器测试手指弯曲的各种角度。e) 检测人体手腕脉搏。f) 评估人体手腕的弯曲动作。g) 测量人体膝盖弯曲的动作信号。

图4  柔性压力传感器所表现出的传感能力的表征。a) 压力传感器在按压前后的横截面光学显微镜图像。b) 导电路径示意图以及压阻式压力传感器在加载前后的变化说明。c) 具有互锁穹顶结构的碳纳米管/聚二甲基硅氧烷（CNTs/PDMS）柔性压力传感器的相对电流变化。d) 在加载和卸载时的响应时间。e) 柔性传感器在施加小重量（1克、2克、3克和5克）时的工作电气响应。f) 柔性传感器经受超过1000次循环而未显示出任何疲劳迹象。g) 压力传感器在受到随机手指按压时的电气响应。

这项技术的突破，不仅为柔性传感器的制造提供了新方法，也为电子皮肤和人体健康检测应用带来了新的可能。通过将传感器应用于人体运动检测，研究团队展示了其在监测呼吸、脉搏、关节弯曲等人体运动方面的潜力。

这项研究不仅展示了电液动力喷射打印技术在制造高性能柔性压力传感器方面的巨大潜力，也为未来智能健康监测设备的设计与开发提供了新的思路。随着技术的不断成熟，我们有理由相信，这些柔性传感器将在智能穿戴设备和个性化健康护理中扮演越来越重要的角色。