基于液滴微流控技术，制备薄膜电阻式应变传感器

MEMS 20260325

多孔微结构是提高传感器灵敏度和量程、降低响应时间的重要方法。多孔微结构在受到外界压力时先后发生孔径减小、孔壁接触和挤压过程，产生持续变化的电信号，更容易实现高灵敏度和宽量程传感快速响应。而且孔隙可以有效降低弹性体的体积分数，从而降低其粘弹性，实现可逆的传感响应而不会产生明显的滞后。因此，研究多孔传感器并探索其内部多孔微结构薄膜的制备方法具有重要意义。

目前，业界主要采用模版法、发泡法和3D打印法这三种方法来制备微孔结构，并且主要在聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚酰亚胺（PI）和Ecoflex等具有较高柔韧性和生物相容性的聚合物内部构建微孔结构以提高传感器性能。不过，上述三种制备方法在制造微米级及以下的多孔结构时，通常存在加工过程中多孔分布、孔径等难以调控的问题，为了得到所需多孔结构，通常需要将传感器制备成较厚的毫米级块状结构，这极大限制了多孔传感器在可穿戴等领域的应用。因此，需要探索一种稳定可靠的方法来制备微米级厚度且孔径大小和分布均匀的多孔传感器。

据麦姆斯咨询报道，温州大学机电工程学院、浙江省激光加工机器人重点实验室的研究人员前期利用液滴微流控技术成功制备了多层多孔电容式压力传感器以及多层多孔电阻式应变传感器。基于该基础，研究团队继续开发了微米级厚度的单层多孔电阻式应变传感器，利用PDMS和水两种互不相容的液体分别作为连续相和离散相，制备得到分散性良好的PDMS包裹水的微米级乳液滴，并将该液滴通入微米级厚度的模具内，对其加热固化后得到多孔PDMS薄膜，最后基于该薄膜制备了一种微米级厚度的单层多孔结构的电阻应变传感器。

多孔电阻式应变传感器的制备过程和原理

本研究制备的SiO₂/PDMS的密度小，导致水滴悬浮在表面而不是完全被SiO₂/PDMS包裹。在加热固化工艺中，PDMS与固化剂交联速度加快，逐渐固化而不易变形。其中，水滴的存在起到球形模板的效果，并在后续加热过程中，水蒸发留下约为2/3球形的孔隙结构，证明了微流控方法制备三维多孔传感器的方案可行性。

传感器性能测试

研究团队探讨了不同树脂、固化剂质量比对柔性传感薄膜变形程度的影响。结果表明，树脂与固化剂的质量比为30：1时，制备的微米级厚多孔薄膜具有良好的拉伸性能，且多孔薄膜内的孔隙形成单层分布，孔径大小较为一致、分布较为均匀。基于该薄膜制备的多孔电阻式应变传感器具有较宽的响应范围、高灵敏度、低检测极限和令人满意的稳定性和耐用性。

传感器的人体生理和运动信号检测

利用该应变传感器既能对人体细微的生理信号和关节运动进行监测，也能对机械手抓取不同大小物体的抓握信号进行监测。因此，该传感器在可穿戴电子设备和软体机器人等领域存在一定的应用潜力。

延伸阅读：

《微流控技术及市场-2024版》

《印刷和柔性传感器技术及市场-2024版》

《可穿戴传感器技术及市场-2025版》

《面向可穿戴设备的传感器和执行器-2025版》