基于液相转移技术的超薄高贴合自供电传感器研究

为解决传统自供电传感器在超薄化和复杂曲面贴合性方面的技术难题，研究人员通过液相转移技术开发出厚度仅45 μm的三明治结构传感器（PDMS/石墨烯碳浆/PDMS）。该传感器基于摩擦电效应（TENG）实现自供电，输出电压达18.6 V，功率密度18 mW m?2，可精准识别压力（灵敏度0.13 V kPa?1）、材料种类和表面粗糙度，在机器人触觉、可穿戴设备和人机交互领域具有重要应用价值。

　　

在智能穿戴设备和机器人技术快速发展的今天，如何让电子器件既保持超薄特性又能紧密贴合复杂曲面，成为制约技术突破的关键瓶颈。传统传感器往往面临一个两难选择：要么牺牲厚度来保证机械强度，要么放弃曲面贴合性以简化制造工艺。更棘手的是，这些设备通常需要外接电源，频繁更换电池不仅增加使用成本，还会造成环境污染。

针对这一系列挑战，国内研究人员通过创新性的液相转移技术，开发出一种厚度仅45微米、能像"电子纹身"般贴合任意复杂表面的自供电传感器。这项发表于《Research》的研究，为解决超薄器件与三维曲面适配难题提供了全新思路。

研究团队采用三项核心技术：首先通过旋涂法在可溶性聚乙烯醇（PVA）基底上逐层构建PDMS/石墨烯碳浆/PDMS三明治结构；其次利用水溶解PVA实现器件无损剥离；最后借助液体表面张力使传感器自动贴合目标物体。这种方法摆脱了传统工艺对机械剥离或粘合剂的依赖。

在"超薄传感器的设计与制备"部分，研究显示该传感器由两层20 μm的PDMS（作为摩擦电层和支撑层）夹着5 μm导电层构成。通过优化旋涂参数，器件厚度可精确控制至±2 μm。电流-电压测试证实电极电阻稳定在10 kΩ，为信号传输提供保障。

"传感器的电学性能"研究表明，该器件在2 Hz机械刺激下可输出18.6 V开路电压（V_oc）和1.2 μA短路电流（I_sc）。特别值得注意的是，其输出电压在1-3 Hz频率范围内保持稳定，且在4000次循环测试后衰减小于5%，展现出优异的频率无关性和耐久性。当负载电阻匹配至80 MΩ时，功率密度达到峰值18 mW m^?2。

关于"传感器的贴合性"，实验数据令人印象深刻：该器件能完美复现指纹纹理、叶片脉络等微米级特征，甚至在圆柱、波浪曲面等复杂几何体上仍保持紧密贴合。对比测试显示，传感器在平面、曲面和粗糙表面分别产生1.1 V、0.8 V和0.3 V的差异化电压信号，证实其形变适应性与信号保真度。

在"自供电传感应用"方面，研究团队展示了三大创新应用：装载于机械手的4个传感器能通过电压差异（玻璃1.3 V vs PE 0.7 V）准确区分材料种类；接触不同目数砂纸时（100#-1000#），输出电压呈现1.2-2.5 V的梯度变化，实现粗糙度量化检测；集成于鞋垫的传感器还可根据信号幅度（行走10 V vs 跑步14 V）识别运动状态。更令人称道的是，2×2传感器阵列能精确定位凸点接触位置，为高分辨率触觉成像奠定基础。

这项研究通过液相转移技术成功突破了超薄器件与三维曲面适配的技术瓶颈，其核心价值体现在三个方面：制造工艺上，水溶性基底的使用使多层器件转移成功率提升至95%以上；性能指标上，45 μm厚度与18.6 V输出电压的组合优于多数同类产品；应用场景方面，首次实现在单一器件上集成压力、材料和粗糙度等多模态传感功能。这些突破为下一代可穿戴医疗设备、智能机器人皮肤和人机交互界面提供了可靠的技术路线，标志着柔性电子器件向"超薄化"与"多功能化"协同发展迈出关键一步。