通过激光直写技术开发用于运动检测的高灵敏度且稳定的图案化PDMS柔性应变传感器

论文研究

PART1

论文导读

随着人工智能和物联网技术的深度融合与发展，柔性可拉伸应变传感器因其在人体运动检测、医疗诊断、人机交互和电子皮肤中的应用潜力而受到广泛的关注。应变传感器的工作原理是基于各种传感机制将机械刺激转换为电阻、电容等电信号，其中电阻式应变器因灵敏度高、成本低、结构简单及易于读取等优势成为研究热点。

目前，制备高性能柔性应变传感器的常用的策略之一是在弹性体表面引入精细的微结构，如微金字塔、褶皱、微柱等来实现更高的灵敏度和更低的检测极限。然而，传统微结构制备方法如成型、光刻和自组装等方法往往步骤繁琐、耗时且成本高昂，限制了传感器的快速制备与规模化应用。相比之下，激光加工技术以其速度快、效率高、无需掩模、成本低及灵活性高等优势，为柔性电子器件的制造提供了新途径。尽管如此，仅依靠激光加工策略实现同时具备高灵敏度、高拉伸性、高线性度、快速响应、低滞后和长期稳定性的应变传感器，仍然面临较大挑战。如何在简单、低成本的制备条件下实现上述性能的协同优化，仍是当前研究中的核心难题。

广东工业大学机电工程学院激光微纳加工谢小柱团队提出了一种简单且经济高效的方法，研制出了一种具有高灵敏度、可拉伸性和良好稳定性的应变传感器。通过结合激光直写技术和3D打印技术，成功制备了P-PDMS柔性应变传感器。相关研究以题“《Development of highly sensitive and stable patterned PDMS flexible strain sensors for motion monitoring via laser direct writing》”发表在期刊《Optics & Laser Technology》2025年第182期。

本研究开发了一种成本低且可规模化制造的策略，该策略结合了激光直写与3D打印技术，用于制备多种图案化PDMS（P-PDMS）柔性应变传感器。我们对激光加工和3D打印等制造参数进行了优化，以制备在宽应变范围内具有最高灵敏度的传感器。在扫描频率100 kHz、脉冲能量1.46 μJ、扫描速度5 mm/s 和打印速度2.5 mm/s 的工艺参数下，所制备的具有复合微结构的传感器展现出高度线性的灵敏度。值得注意的是，复合微结构（PCM）柔性应变传感器的灵敏度比图案化单一微结构（PSLM）传感器提高了159%，比无图案传感器提高了339%。在动态响应方面，该传感器的响应时间为140 ms（相比之下，无图案传感器为362 ms，单一微结构传感器为244 ms），滞后系数低至0.023，并具有优异的循环稳定性。此外，它还表现出稳定的温度响应能力和0.0125%的超低检测限。因此，我们的应变传感器可应用于检测多种人体运动，包括手指、手腕、膝盖和肘部的运动。激光直写方法还具有简单、高效和成本低等优点，在可穿戴电子设备领域显示出巨大潜力。

PART2

图片解读

图一.  (a) 激光加工工艺示意图；(b) 嵌入式3D打印工艺示意图；(c) 柔性应变传感器制备流程图.

图二.  (a)柔性应变传感器的结构设计示意图: (i) 直线型; (ii) 锯齿型;(iii) 交叉型; (iv) 复合型；(b) 激光加工参数对微观结构形貌的影响；(c) 3D打印速度对碳膏电路横截面积和宽度的影响；(d) 打印速度对柔性应变传感器灵敏度的影响；(e) 应变传感器的工作机理示意图；(f) 碳颗粒的拉伸变化；(g) 拉伸循环电阻变化曲线.

图三.  (a) 不同应变下的光学照片；(b) 在50%应变范围内，典型的相对电阻变化与应变的关系曲线；(c) 不同类型应变传感器在拉伸至不同应变下的相对电阻变化多循环测试；(d) 不同应变下的循环测试；(e) 不同拉伸速率下的循环测试；(f) 迟滞测试；(g) 拉伸释放曲线图；(h) 不同应变加载条件下应变传感器的多种应变传感响应.

图四.  (a) 复合结构传感器的伏安特性测试；(b) 压力电学测试；(c) 温度测试；(d–f) 不同类型应变传感器的稳定性测试曲线.

图五. 应变传感器在可穿戴应用中的集成展示：(a) 监测手指运动的响应信号；(b) 监测手腕的响应信号；(c) 监测膝盖的响应信号；(d) 监测肘部的响应信号.

论文原文：

 Li Z, Xie X, Xiao J, et al. Development of highly sensitive and stable patterned PDMS flexible strain sensors for motion monitoring via laser direct writing[J/OL]. Optics & Laser Technology, 2025, 182: 112212. 

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2024.112212

转自：广工激光实验室

通讯作者：谢小柱、黄亚军

第一作者：李兆艳

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