隨著智能可穿戴設備、人機交互、電子皮膚等技術的快速發展，柔性壓力傳感器因其優異的柔順性和可貼合性，在人體健康監測、智能感知及人機交互等領域受到廣泛關注。例如，在智能手環進行脈搏監測時，壓力傳感器不僅需要準確識別人體脈搏產生的微弱壓力變化，還需要在運動、按壓等場景下承受較大的壓力范圍，因此對傳感器的高靈敏度與寬檢測量程提出了更高要求。
然而，傳統的柔性壓力傳感器普遍面臨高靈敏度與寬量程難以兼顧的問題。一方面，提高靈敏度通常依賴于引入微結構以增強局部應力集中和信號響應，但微結構在受壓過程中容易迅速壓縮并趨于飽和，導致檢測范圍受限；另一方面，為擴大檢測范圍而提高結構剛度或降低形變量，又會削弱傳感器對微小壓力的響應能力，從而降低靈敏度。
近年來，研究人員采用天然模板復制、微金字塔陣列、3D打印等方法構建敏感層微結構，在一定程度上改善了柔性壓力傳感器性能，但仍存在結構一致性不足、加工工藝復雜、設計自由度有限以及微結構參數難以精準調控等問題。因此，如何實現柔性壓力傳感器靈敏度、檢測范圍和長期穩定性的協同提升，并建立一種可編程、高效率、低成本且具有良好可調性的微結構制備方法，已成為當前柔性壓力傳感器領域的重要研究方向。
據麥姆斯咨詢報道，針對傳統的柔性壓力傳感器靈敏度和量程難以同時提升的問題，廈門大學周偉教授團隊近期提出了一種基于激光加工階梯狀仿生多級微結構（BSMM）的柔性壓力傳感器設計方法。這項研究工作受到人體耳蝸纖毛多級排列結構啟發，將不同高度微結構按照階梯形式排列，使其在壓力加載過程中依次參與接觸，實現多級接力式響應機制。
圖1 柔性壓力傳感器設計及制造：(a) CEFs制備流程圖；(b) 材料填充示意圖；(c) CEFs外觀及不同形狀；(d) BSMM設計啟發圖；(e) BSMM傳感器示意圖
在敏感層材料設計方面，采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）作為柔性基體，引入一維碳納米管（CNTs）和零維炭黑（CBs）構建導電網絡。兩種不同維度的導電材料相互配合，形成更加穩定致密的三維導電路徑，從而提高導電性能和力學性能。實驗結果表明，復合材料拉伸性能明顯改善，為柔性壓力傳感器穩定工作提供基礎。
在微結構制造方面，研究人員采用動態聚焦激光加工技術實現三維微結構加工。相比于傳統的二維激光固定焦點加工方式，該方法能夠實時調整焦點位置，通過逐層材料去除實現不同高度結構的精確加工。研究進一步分析了激光功率、掃描速度和掃描間距對加工深度和結構質量的影響，并優化工藝參數，最終實現了階梯狀微結構的快速可控制備。
圖2 微結構設計與制造：（a）BSMM 示意圖；（b）動態聚焦激光加工系統示意圖；（c）激光功率和掃描速度對加工深度的影響；（d）激光功率和掃描間距對加工深度的影響；（e）激光加工路徑；（f）不同參數下的 BSMM 三維形貌圖
為了揭示微結構作用機制，研究結合有限元分析模擬不同微結構在壓力作用下的變形行為。結果發現，傳統的單層結構容易快速進入飽和狀態，而多級微結構隨著壓力增加會逐步參與接觸，使接觸面積持續增加，并延緩敏感層剛性硬化過程，從而有效兼顧靈敏度與檢測范圍。此外，研究還引入低剛度彈性限位框結構，通過改善受力均勻性提高線性度并降低疲勞損傷。
最終制備的柔性壓力傳感器表現出優異性能：靈敏度達到5.96 kPa?1，檢測范圍達到0-500 kPa，響應時間約42 ms，并在5000次循環測試后保持穩定工作。同時該傳感器還成功實現了咀嚼、脈搏和足底壓力等人體信號檢測，驗證了其在人機交互和健康監測中的應用潛力。
論文信息：馬堯, 徐文俊, 樂錦陽, 王禹祺, 林偉龍, 董坤, 林根, 羅濤, 周偉. 基于激光加工階梯狀多級微結構的柔性壓力傳感器研究（特邀）[J]. 中國激光, 2026, 53(12): 1202403.
