柔性壓力傳感器（FPS）是柔性電子設備的關鍵組件，如電子皮膚（e-skins）、人機交互和醫療監測設備。根據工作機理，壓力傳感器主要分為四種類型：壓阻式、電容式、壓電式、摩擦式。其中，將壓力輸入轉換為電阻變化的壓阻式壓力傳感器因其結構簡單、靈敏度高、易于制備而引起了更多的關注。為了提高傳感性能，一些凸微陣列結構（如微錐體、微半球結構、微孔和微柱等）通常設計在傳感層或電極上。近年來，人們提出了一些新型的微觀結構，包括梯度結構和層次結構。特別是，這些多級結構在每個應力區間都有相應的微觀結構尺寸，以提供變形和更多的接觸面積，從而擴展了壓力傳感器的線性范圍。在壓阻式壓力傳感器領域，靈敏度與傳感層和電極之間的接觸面積變化高度相關。具有這些多級結構的壓力傳感器具有較小的初始接觸面積和接觸電阻的多級變化。簡而言之，壓力傳感器的性能已經取得了實質性的進步。

集成傳感器通常需要外部設備來讀取數據和波形，這對于分析檢測結果非常重要。然而，傳統的外部設備體積龐大，限制了集成傳感器變得更小、更便攜。目前，隨著對多功能設備需求的快速增長，一些研究集中在將視覺單元與傳感器集成以進行實時監控，從而有效地減小傳感系統的尺寸。這些視覺傳感器的檢測結果可以直接用肉眼觀察到，無需任何其他設備。電致變色顯示器（ECD）在施加電勢時可以改變顏色，由于其結構簡單和功耗低，在數據可視化方面很受歡迎。它們允許在沒有額外設備的情況下直接觀察檢測結果。表S2比較了最近報道的電致變色集成傳感器的性能。例如，Bao和同事們通過集成電阻式壓力傳感器和交互式ECD開發了一種可拉伸的設備，ECD的顏色隨著施加的壓力從深紅色變為藍灰色。郭等人設計了一種集成壓力感知和可視化的交互式混合設備。二合一設備可以通過顏色變化定性地描繪不同的狀態。Bi等人報道了一種基于壓電致變色的觸感顯示器（PETSD），其中ECD通過從透明到深藍色的顏色變化來顯示手寫圖案。然而，大多數以前的交互式設備在壓力范圍內表現出連續的顏色變化，因此很難識別多個壓力水平。裸眼讀數缺乏空間和色度分辨率，導致數據呈現不準確和不清晰。因此，通常需要將色度信息轉換為數值數據以供進一步分析。

本文亮點

1. 本工作報告了一種柔性壓力傳感系統，該系統將壓力傳感器與圖案化的電致變色顯示器相結合。壓力傳感層具有凸形平行線微陣列結構，該結構是通過直接油墨書寫（DIW）印刷技術構建的。

2. 每個微陣列單元中的多層微結構使我們的傳感器具有20.25 kPa-1的高靈敏度、高達35 kPa的寬線性響應范圍以及出色的耐用性（約5000次循環）。

3. 電致變色顯示器設計為通過DIW印刷圖案化的普通陰極結構，具有快速著色時間（<0.4秒）和長期耐用性（>6000秒）。

圖文解析

圖1. 柔性壓力傳感系統概述。（a）完全DIW印刷的FPSS示意圖：壓力傳感器和ECD顯示器的整體結構。（b）感測層的制造步驟和（c）電致變色顯示器。（d）系統運行總體流程框圖。（e）傳感系統的攝影圖像。標尺，2 cm。（f）多級壓力值的視覺檢測。

圖2. 柔性壓力傳感系統的機理。（a）柔性壓力傳感器的照片。比例尺，5 mm。（b）頂面的SEM圖像和（c）SEBS/PEDOT:PSS薄膜的橫截面。（d）在感測層上具有不同間距的多層階梯狀微結構和具有平坦感測層的柔性壓力傳感器的靈敏度。（e）傳感層工作機制的圖示。（f）初始接觸電阻和微觀結構總數的比較。（g）PEDOT:PSS基電致變色顯示器工作機理示意圖。

圖3. FPSS的特征。（a）不同電壓下ECD的紫外-可見反射光譜。（b）兒童早期發展的反應和恢復時間。（c）ECD的著色效率。（d-i）在±1.5 V（開關頻率：0.5 Hz）下施加6600 s的ECD的原位反射響應（在650 nm處）。（d-ii）初始循環和（d-iii）3000個循環后的原位反射光譜。（e）不同靜壓下的電流-電壓（I-V）曲線。（f）在七種不同壓力下重復三個循環的動態響應。（g）壓力傳感器在不同頻率下的相對電流變化。（h）在150 kPa下進行約5000次循環的壓力耐久性試驗。

圖4. FPSS的應用。（a）FPSS在健康監測和運動檢測中的示意圖。（b）FPSS的仿真電路圖。（c）當壓力傳感器連接到頸部時對吞咽活動的反應。（d）手腕上的橈動脈脈搏為80次/分（插圖：手腕上的壓力傳感器）。（e）重量檢測和（f-i，ii）彎曲手指的顏色指示和視覺檢測。

審核編輯 黃宇