器件以铜图案化聚酯（PET）薄膜为基底：先以激光刻蚀在 PET 上形成上下铜电极，电极直径 800 μm，兼作后续印刷的对位基准；随后以导电碳浆（CAPITON-900A 系列，黏度调至约 300 Pa·s，印刷方块电阻约 400 Ω/□）印刷碳点阵列作为敏感层，并在 120 ℃ 固化 20 min。本研究的关键工艺改进在于以不锈钢掩模替代尼龙丝网：不锈钢掩模可显著减少碳点阵列边缘模糊、尺寸不一与间距不均的问题，保证碳点阵列的印刷质量与一致性。碳点阵列随后与上铜电极连通形成可靠的短接结构，维持阵列初始开路、受压后导通的工作方式；最后以 3M 双面胶封装上下两层结构，器件中部总厚度为 168 μm。该路线不依赖复杂光刻工序，主要成本集中在掩模与印刷环节，具备批量化生产的潜力。
图1｜柔性压力传感阵列的丝印制备流程。激光刻蚀铜/聚酯层形成上下铜电极阵列；以不锈钢掩模丝印导电碳浆形成碳点阵列；上层阵列、3M 绝缘胶带与下层阵列装配为柔性压力传感阵列。
研究通过不锈钢掩模的孔径与印刷次数调控碳点高度，进而调节阵列的响应范围与灵敏度。第一层以 800 μm 孔径在下铜电极上印刷；第二层分别以 400、600、800 μm 孔径印刷，得到 1#、2#、3# 样品；4# 样品则以 800 μm 孔径印刷三层。轮廓测试表明，1#–3# 第一层高度相近，第二层高度随孔径增大分别为 113、137、156 μm；4# 因印刷三层，碳点高度达 211 μm。压阻特性方面，1# 在 5 kPa 后电阻变化率显著上升并达 80%；2# 在高压力段变化率偏低；4# 在 5 kPa 即达 80%，而 3# 在 15 kPa 时接近 80% 的电阻变化。第一压力饱和响应区间位于 2–8 kPa，灵敏度介于 5–38.5 kPa⁻¹。以压力范围乘以灵敏度定义传感器性能系数（SPR），3# 的 SPR 最高（压力范围 8 kPa、灵敏度 11 kPa⁻¹），综合性能最优；4# 因碳点高度接近封装胶而 SPR 偏低。结果表明，通过双层印刷即可控制碳点高度与形貌，从而影响传感器的量程、灵敏度与曲线拐点；碳点与上电极的接触状态随高度变化，直接决定了受压时导电通路的建立过程。此外，1# 在 12 kPa 恒压下 100 个点的电阻变化率分布，以及十个阵列在约 1.3% 误差内的响应，验证了丝印碳浆阵列的成本效益与批量一致性。
图2｜不同碳点高度阵列器件的性能。（a）1#–4# 样品的高度轮廓测量曲线，插图为阵列局部结构；（b）四种样品的压阻特性曲线；（c）四种样品曲线第一拐点的响应范围、灵敏度与 SPR；（d）3# 样品单个传感点的循环稳定性测试。
作者以三种物理模型解释不同压力区间的响应行为。低压区间（0–5 kPa）以量子隧穿机制为主，碳点接触电阻随压缩位移呈指数下降，如式（1）所示；中压区间（5–10 kPa）以欧姆接触为主，接触面积随压力线性增大而电阻线性下降，如式（2）所示；高压区间（大于 10 kPa）由弹塑性变形主导，接触面积随压力呈幂律增长，如式（3）所示。
据此可进一步解释隔离层的作用：隔离层硬度（HA）由弹性模量 E 决定，在小压缩位移下可用线性近似描述位移与压力的关系（Δx = x0P/E，x0 为初始间距），代入量子隧穿模型并对压力求导，可得灵敏度表达式，如式（4）所示。该式表明，随 HA（E）增大，灵敏度下降，但需要更高的压力才能产生显著压缩位移，因而量程被拓宽。由此可解释高敏感传感器往往量程窄、宽量程传感器灵敏度下降的固有矛盾，也为通过调节碳点高度与引入隔离层实现灵敏度—量程可定制化调控提供了依据。
针对量程与灵敏度的矛盾，作者引入隔离层进行调控。以 AB 胶单独作绝缘墨水时，其表面张力与 PET 基材匹配不佳、印刷附着差且易脱落，且胶层柔软、无法提供隔离所需回弹；PU 胶表面张力低、与 PET 结合力强，可改善墨水附着力，PU 与 AB 混合后胶层更硬、更不易变形。为调控隔离层弹性并扩展量程，作者打印不同高度（10、100、110、120 μm）与不同 PU:A:B 比例的隔离层（1:1:1、2:1:1、3:1:1、1:0:0，对应 S1–S4）。结果显示，90 μm 隔离层灵敏度最高（应力集中带来的应变与电阻变化更大）；100 与 110 μm 灵敏度相当；120 μm 灵敏度偏低而被排除。对 S1–S4 的研究表明，随 PU 含量增加，硬度升高，压力范围逐步扩展而灵敏度下降；S3 的量程达 942 kPa、灵敏度 0.09 kPa⁻¹，适用于宽量程、低灵敏度场景，而 3# 结构适用于小量程、高灵敏度场景。带隔离层的 S3 在循环测试中电阻波动仅 1.32%，响应时间 155 ms、恢复时间 90 ms，隔离层同时提升了传感的回弹性与使用寿命。
图3｜传感分辨率与压敏机理。（a）样品在 0、5、10 kPa 不同初始参考压力下对 1 kPa 小压力的动态响应；（b）压力传感机理示意与等效电路。
隔离层对抑制像素间串扰至关重要。作者对中心像素施加压力，采集中心像素与八个相邻像素的电流信号，以式（5）计算电流串扰系数：无隔离层阵列的 CTK 为 −7.64 dB，引入隔离层后降至 −11.65 dB，显著增强了阵列的抗干扰能力，确保压力刺激只影响受接触的像素而不干扰相邻像素。
稳定性方面，S3 阵列经 3000 次循环测试后电阻波动仅 1.32%。在 20–100 ℃、40%–70% 湿度条件下考察一个月，温度波动引起的十个传感点平均电阻变化率误差仅 0.4%；湿度变化对电阻变化率的影响在 5% 以内，各恒定湿度下每次测量误差约 1.2%，表明该阵列在温湿度扰动下具有良好稳定性，湿度敏感性可通过校准或封装改进进一步降低。16×16 共 256 个传感单元在约 9 cm² 面积上实现 1.6 mm 空间分辨率，相较同类丝印阵列在分辨率、量程与串扰等指标上均具优势。
图4｜不同软隔离层阵列器件的性能。（a）3# 与 S1–S4 样品的压阻特性曲线，插图为带隔离层的阵列局部结构；（b）S1–S4 隔离胶的软硬度测量；（c）3# 与 S1–S4 的响应范围、灵敏度与性能系数；（d）S3 样品单个传感点的循环稳定性测试。
作者将阵列与硬件电路、上位机软件集成为压力检测系统：传感阵列经多路复用器逐点采样，信号经放大、滤波后由模数转换器（ADC）数字化，交由 ARM Cortex-M4 微控制器处理，采用滑动平均滤波与 1024 点快速傅里叶变换（FFT）分析，数据经 USB Type-C 传至上位机实时显示压力分布。系统可准确捕获物体形状与压力变化，在 50、100、200 g 砝码下，压力分布图的颜色深度随重量递增，验证了其对不同压力等级的区分与测量能力。在医疗应用中，作者以带隔离的阵列监测站立位与侧卧位吞咽时的舌压分布：口腔期舌前部与两侧压力较高（站立位 10–20 kPa、侧卧位 20–25 kPa）；咽期接触面积增大、压力升高，部分区域超过 20 kPa 并接近 40 kPa；吞咽后期压力逐渐下降但仍高于初始阶段。该阵列的 23 点压力映射优于传统 7 点方法，突出了体位与重力对舌压分布的影响，为吞咽生理研究与口腔压力监测提供了高分辨率工具。
图5｜压力传感阵列系统及其应用。（a）压力传感阵列系统的信号链架构；（b）不同砝码重量下阵列系统的压力分布；（c）舌压测量过程中不同阶段（口腔期、咽期、食管期）的压力分布。
本文的技术内核是丝网印刷工艺的参数化调控——以掩模孔径、印刷次数与隔离层配方精确控制敏感层厚度与硬度，路线成本低、适合大面积阵列的一次成型。对需要更高结构自由度或更复杂三维构型的场景，增材制造是有益的补充与替代：DIW 浆料直写可通过调控碳系或导电复合墨水的屈服应力、触变恢复与自支撑性，逐层构建敏感层与隔离结构，便于在同一平台上实现敏感单元与隔离层的共打印及参数梯度设计；DLP 光固化则适合成型高精度模具与柔性封装件。本文以"敏感层高度—隔离层硬度"双参数调控灵敏度与量程的思路，与浆料直写中"固含量—流变窗口—结构尺寸"的调控逻辑相通，对配方设计与工艺参数映射具有借鉴意义。铂邦设备在多材料切换、路径规划与工艺参数库方面的能力，可为这类压力传感阵列的原型制备与机理验证提供支撑。
综上，本研究以不锈钢掩模丝网印刷制备碳点敏感阵列，通过掩模孔径与印刷次数调控碳点高度，并引入 PU/AB 混合隔离层，在 11.0 kPa⁻¹（低压）至 0.09 kPa⁻¹（942 kPa 宽量程）之间实现灵敏度与量程的可调，像素串扰由 −7.64 dB 降至 −11.65 dB。16×16 阵列实现 1.6 mm 空间分辨率与 1.32% 的循环稳定性，并在口腔舌压与吞咽压力监测中得到验证，为低成本、可批量的柔性压力传感阵列提供了可行方案。
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