压阻材料是传感性能的物质基础。综述将常用材料归纳为碳基材料(炭黑、碳纳米管、石墨烯)、金属纳米线(银、铜纳米线)、导电聚合物(PEDOT:PSS 等)以及新兴的 MXene 等几类,并分别讨论其导电网络构建方式与优劣势。微结构调控是提升灵敏度的核心手段:微金字塔、微柱、褶皱、多孔与纤维网络等结构,能够在外力作用下显著改变接触面积或渗流通路,从而放大电阻变化。例如微金字塔阵列在低压下即可产生大变形,使灵敏度快速上升;多孔结构则通过孔壁坍塌与接触点增多贡献宽量程响应。压阻效应的核心可由式(1)所示的灵敏系数描述:相对电阻变化率与所施加应变之比,该系数越高表明单位应变引起的电阻变化越大。
图1|压阻材料与微结构设计。归纳常用压阻材料的体系与特性,并展示微金字塔、多孔、纤维等微结构对接触面积与导电通路的调控作用,为灵敏度优化提供材料-结构层面的依据。
单点压阻单元要解决的是"如何把压力转为电阻变化",而阵列要解决的是"如何对大量像素寻址并独立读出"。从结构看,阵列可分为无源矩阵与有源矩阵两类(图2):无源矩阵采用行列交叉的十字交叉结构,由行线与列线交点处的压阻单元构成,结构简单、易大面积制备,但存在寄生电阻/电容与串扰问题;有源矩阵则为每个像素引入薄膜晶体管(TFT)或二极管等开关元件,实现对单像素的独立寻址与隔离,显著抑制串扰,代价是工艺复杂度与成本上升。读出机制上,既可直接测量单元电阻,也可借助导电通路的建立/断开构成开关式传感。不同结构在分辨率、串扰、功耗与制备难度之间各有取舍。
图2|无源与有源矩阵构型。(A)无源矩阵的行列交叉结构示例;(B)有源矩阵为每个像素引入开关元件实现独立寻址;两种构型在串扰、复杂度与分辨率上各有取舍。
串扰是阵列化过程中最突出的问题之一(图4)。其来源可分为机械串扰与电学串扰两类:机械串扰指施加于某一像素的压力通过柔性基底或封装层向邻域扩散,使邻近单元也被压迫变形;电学串扰则源于行列互连中的寄生电阻、寄生电容与漏电通路,导致非目标像素产生误响应。抑制策略因此也分为结构与材料两条路径——结构上通过隔离层、较硬的支撑框架或空气间隙限制形变扩散;电学上采用有源矩阵隔离非选中像素、优化引线布局降低寄生参数。综述强调,串扰的"机械-电学"双重来源决定了单一手段难以根除,需结合结构设计与寻址架构协同优化。
图3|串扰来源与抑制。(A)机械串扰的示意——压力经柔性层向邻域扩散;(B)相应的抑制策略,包括隔离层、支撑结构与有源寻址等结构与电学手段的组合。
综述将柔性压阻阵列的制备归纳为打印、场辅助与激光辅助三类(图5、图7)。打印工艺(如丝网印刷、直写印刷、3D 打印)可直接将压阻墨水图形化于柔性基底,适合大面积与定制化图案,通过浆料固含量、黏度与打印参数的调控可控制敏感层厚度与分辨率;场辅助工艺利用电场引导功能填料取向或原位图案化,提升导电网络一致性与取向度;激光工艺则用于电极/敏感层的精密图案化与还原,例如激光直写碳化、激光刻蚀或激光诱导石墨烯,可在柔性基底上实现高分辨率结构。三类工艺各有适用尺度与材料体系,打印路线因成本低、可增材成型而尤其适合与 DIW 浆料直写结合,用于敏感层与隔离结构的共打印。
图4|3D 打印工艺与结构显微图。(A)3D 打印工艺示例与所成结构的显微图像;打印路线可直接图形化压阻墨水,适合大面积与定制化阵列制备。
柔性压阻阵列的价值最终体现在应用(图10)。在人机交互方面,集成于手套或键盘的阵列可捕捉触觉分布,支持物体识别与精细操作;在医疗健康方面,足底压力测绘(如 F-scan 系统)、脉搏与步态监测等依赖阵列的高空间分辨率获取生理信息,辅助诊断与康复评估;此外还有海洋生物记录、流体监测等特殊场景。综述指出,从实验室样机走向稳健应用,仍需在长期稳定性、批次一致性、信号串扰补偿与系统小型化等方面持续突破。
图5|医疗健康类应用。(A)用于足底压力测量的 F-scan 系统;(B)其他健康监测场景示例;高空间分辨率的阵列可提取步态、足底受力分布等生理信息,辅助诊断与康复。
综述从材料、微结构、阵列构型、串扰抑制与制备工艺五个维度,系统勾勒了柔性压阻式压力传感阵列的设计全景:材料体系决定了导电网络与稳定性,微结构决定了灵敏度与量程,矩阵构型决定了寻址能力与串扰水平,而制备工艺则决定了可扩展性与成本。面向未来,多材料共打印、可编程微结构、有源矩阵与智能信号处理算法的融合,有望在保持低成本的同时进一步提升分辨率与抗串扰能力。对设备厂家而言,能够在一台设备上兼容打印、切割、键合与后处理的工艺链集成,将直接缩短从材料配方到阵列样机的验证周期。
从增材制造的视角看,本文综述的"敏感层-隔离层-电极"多层结构与 DIW 浆料直写的工艺逻辑高度契合:通过调控压阻或导电复合墨水的屈服应力、触变恢复与自支撑性,可逐层构建敏感单元与隔离结构,并在同一平台实现参数梯度设计;激光图案化则可在基底上完成高分辨率电极成形。铂邦设备的多材料切换、路径规划与工艺参数库能力,可为柔性压阻阵列从墨水筛选、结构打印到原型集成的全链路研发提供一体化支撑,加速材料-结构-性能关系的迭代验证。
综上,本综述系统梳理了柔性压阻式压力传感阵列在压阻材料、微结构、无源/有源矩阵构型、机械与电学串扰抑制,以及打印/场辅助/激光制备工艺等方面的研究进展,并指出多材料共打印、有源矩阵与智能算法融合是未来提升分辨率与抗串扰能力的关键方向。对于从事柔性传感与增材制造的团队,该综述提供了从材料选择到阵列架构再到规模化制备的完整设计视图,对工艺路线规划具有直接参考意义。
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