本研究由昆明理工大学机电工程学院的李颖、王颖、王曦、王怡文、张博凯、李仁涵、张成邦、孔令杰、张建以及通讯作者秦亚飞（Yafei Qin）共同完成。这项原创性研究成果于2025年8月21日在线发表于材料科学领域权威期刊 Advanced Functional Materials（论文编号e13480，DOI: 10.1002/adfm.202513480）。
柔性压力传感器作为可穿戴医疗设备、智能机器人和人机交互（human-computer interaction）系统的核心触觉感知元件，其性能优化一直是研究热点。根据传感机理，其可分为压阻式（piezoresistive）、电容式、压电式和摩擦电式等类型。其中，压阻式传感器因其结构简单、环境影响小和信号采集方便而得到广泛应用。一个理想的压阻传感器应同时具备宽量程、高线性度响应和高灵敏度（Sensitivity）。
然而，现有的大部分压阻传感器面临一个关键瓶颈：在宽检测范围内难以实现线性响应。现有的微结构设计（如金字塔形、半球形、圆柱形）尽管能通过应力集中提升灵敏度，但在较高压力下，柔性材料的结构硬化（structural hardening）会导致输出信号逐渐饱和，呈现出非线性、多段灵敏度的分段线性响应（segmented linear response）特性。这种多区间非线性要求在实际应用中引入复杂的信号调理电路和处理算法，严重限制了其实际应用性。
受瓦楞纸板（corrugated cardboard）的拱形波纹结构及其优异的承压和缓冲性能启发，本研究旨在开发一种新型传感器结构，通过优化应力传递和分布，从根本上解决高压力下的信号非线性问题，实现宽量程内的高度线性响应。
本研究的完整工作流程可分为四个主要步骤：传感器结构设计与有限元仿真优化、材料制备与传感器组装、微观形貌与成分表征、以及传感性能评估与应用验证。
1. 结构设计与仿真优化 研究团队首先提出了一个基于聚二甲基硅氧烷/多壁碳纳米管（PDMS/MWCNTs）复合材料的双层波纹结构（Double-layer Corrugated Structure）柔性压阻传感器（简称DCPS）。该结构将带有不同高度波纹的两层导电薄膜面对面组装，使波纹波谷相互接触。其等效电路表明，总电阻由电极界面的接触电阻（Contact Resistance, Rc）和薄膜自身电阻（Rf）构成，压力响应主要由Rc的变化主导。传感机理包括三个层面：波纹结构受压变形增大了与电极的接触面积；双层薄膜间的空气间隙被压缩，增大了层间接触面积；以及导电网络中MWCNTs间的隧道效应（tunneling effect）增强了导电通路。 为了验证并优化这一设计，研究者利用有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）进行了系列仿真。首先，他们仿真了单层与双层波纹结构在相同压力下的形变与接触面积变化，结果显示双层结构能维持更宽的线性范围。其次，为解决应力集中导致的线性度退化，他们仿真了四种不同高度比（4:1, 2:1, 4:3, 1:1）的双层结构应力分布，发现2:1的高度比能够实现更均匀的应力分布。此外，通过调控两层薄膜中MWCNTs的含量（上层0.5 wt.%，下层0.3 wt.%）实现了梯度弹性模量（gradient elastic modulus）设计，以进一步抑制低压下的非线性效应。
2. 材料制备与传感器组装 在实验制备阶段，其流程为： * 制备导电薄膜：将MWCNTs分散于正己烷（n-hexane）中超声处理，加入PDMS预聚体并磁力搅拌混合均匀。通过加热蒸发正己烷后，加入固化剂，最终将混合溶液浇铸到通过数字光处理（Digital Light Processing, DLP）3D打印技术制造的不同高度的波纹结构模具中。真空气泡消除后，在60°C下固化3小时，脱模得到单层PDMS/MWCNTs波纹导电薄膜。 * 组装双层结构：将具有不同高度和MWCNTs浓度的两层薄膜按波谷接触的方式对位组装，并在接触区域使用PDMS/MWCNTs混合溶液作为粘合剂，再次60°C固化0.5小时，形成完整的双层波纹压阻敏感层。 * 传感器集成：使用铜箔和导电银浆制作电极层，并用Ecoflex柔性弹性体作为封装层，最终制成完整的DCPS传感器。
3. 微观形貌与成分表征 为验证制备工艺的可靠性，研究者进行了多项表征。扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）图像显示了制备的结构具有周期性的波浪状形态，几何参数与设计模型（如单元间距160 μm，单层膜厚300 μm，总高1.3 mm）精确吻合。能量色散X射线光谱（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, EDS）面扫结果显示，硅（Si）、氧（O）、碳（C）元素在波纹结构横截面上均匀分布，证实了MWCNTs在PDMS基体中无团聚。拉曼光谱（Raman spectra）分析则通过显示MWCNTs的D带和G带特征峰，表明二者良好复合。
4. 性能评估与应用验证 研究者使用LCR测试仪和万能试验机（universal testing machine）对DCPS的传感性能进行了系统测试。测试内容包括：在0.002至500 kPa宽压力范围内的电流相对变化（ΔI/I0）、响应/恢复时间、不同循环压力与加载速度下的动态响应、以及6000次加载-卸载循环的耐久性。最后，将DCPS应用于人体生理信号监测（脉搏、喉部振动、吞咽、手指弯曲、行走/跑步）和乒乓球训练指导。在乒乓球应用中，除了将单个传感器贴附于运动员肘、腕、膝部监测击球动作，还设计了一个4×4的传感器阵列贴附于球拍表面，以实时监测和统计学分析击球点的分布热力图。
1. 线性响应性能的突破 实验结果显示，DCPS在0.002至500千帕斯卡（kPa）的极宽压力范围内，实现了灵敏度高达1.7 kPa⁻¹的线性响应，线性相关系数（r²）高达0.998。这一结果直接证明了双层波纹结合梯度模量的设计，成功地将原本在150 kPa左右即出现非线性的单层结构传感器的线性范围，显著扩展到了500 kPa。FEA仿真与实验结果相互印证，表明分层变形行为有效耗散了集中应力，使得接触面积变化与施加压力之间在全量程内保持了近似线性的关系。
2. 优异的综合传感性能 除了卓越的线性度和宽量程，DCPS还展现了其他关键性能指标的高度统一：具有极低的检测极限（2 Pa）和快速的响应/恢复时间（63毫秒/47毫秒）。在不同压力（5-200 kPa）和不同加载速率（20-80 mm min⁻¹）下，传感器均表现出稳定一致的动态响应。在30 kPa压力下进行了6000次循环加载-卸载测试，传感器仍能保持稳定的性能输出，证实了其长期机械耐久性。研究还发现，未粘合的双层薄膜在约3000次循环后便发生显著滑移和信号漂移，这反证了层间粘合设计对于长期稳定性的关键作用。
3. 环境稳定性与制约因素 环境测试表明，Ecoflex封装层有效屏蔽了湿度变化的影响。然而，传感器存在温度依赖特性，相对电流变化量随温度升高而逐渐增加，这是MWCNTs基压阻网络本征热敏性所致。这提示了在有显著温度波动的应用环境中需要设计温度补偿电路。
4. 应用验证成果 在可穿戴应用中，DCPS成功捕捉到运动前后清晰的脉搏波信号及其冲击波（P波）、潮汐波（T波）和舒张期波（D波）等特征峰，并清晰区分了“do”、“sensor”、“flexible”等不同单词发音的喉部振动信号，以及手指弯曲角度、行走与跑步的周期性运动模式。在乒乓球训练指导应用中，传感器阵列成功实现了对6名志愿者各200次击球落点的实时统计，并生成了直观的击球热点分布图。
本研究成功研制了一种受瓦楞纸板启发的双层波纹结构柔性压阻传感器（DCPS）。该创新设计通过结合不同高度的分层波纹与梯度弹性模量，实现了有效的压力分布与传递，避免了应力集中，从而在0.002–500 kPa的宽广压力范围内实现了高度线性响应（r²=0.998），同时兼具高灵敏度、快速响应和良好稳定性。本研究从结构工程角度为开发兼具宽量程和高线性度的柔性压阻传感器提供了宝贵的新思路和解决方案，具有重要的科学价值。在应用层面，该传感器在人体生理信号监测、运动姿态捕获及乒乓球训练指导等领域展现出的巨大潜力，验证了其在可穿戴电子和人机交互实际应用中的重要前景。