研究背景：

近年来，基于液态金属（Liquid Metal, LM）的柔性电容式应变传感器在可穿戴电子、软体机器人和人机交互等领域展现出广阔应用前景。液态金属凭借优异的导电性和超高延展性，在大形变条件下仍能保持稳定电学性能，是构建高性能柔性应变传感器的理想材料。然而，LM极高的表面张力使其难以在PDMS、Ecoflex等柔性基底上实现稳定润湿与高精度图案化，现有制备方法多依赖飞秒激光或 MEMS微加工等高成本工艺。同时，传统拉伸应变传感器易受法向力干扰，信号耦合显著，测量精度与工程可靠性受限。如何以低成本、高效率实现高质量液态金属图案化，并有效抑制法向力干扰，仍是柔性传感领域的重要挑战。

文章概述：

针对上述难题，西安工业大学于婷婷课题组联合中国运载火箭技术研究院唐鸿尧团队与西安科技大学杨嘉怡团队，提出了一种基于气流辅助激光消融的液态金属叉指电极（LMIE）制备策略，并构建了一种法向力高度解耦的电容式柔性拉伸应变传感器（LMIE-CFTSS）。该方法采用工业级纳秒激光（355 nm）对氧化液态金属进行选择性消融，并引入切向气流实时清除烧蚀碎屑，实现了最小实际线宽约0.1 mm、厚度约100μm的高质量叉指电极结构，显著降低了对飞秒激光和MEMS工艺的依赖。

基于该结构，传感器对拉伸应变表现出稳定且高灵敏的电容响应，而对法向压力几乎不敏感。实验结果表明，其拉伸力灵敏度达到法向力灵敏度的2.9×10⁷倍；在器件厚度仅0.1 mm时，法向力灵敏度低至1.14×10^-8N^-1。同时，器件在80%以上大应变范围内保持良好线性与可重复性，并在10000次循环拉伸测试后仍无明显信号衰减，展现出优异的机械稳定性与长期可靠性。上述结果验证了该策略在实现低成本、高精度液态金属图案化以及拉伸—法向力有效解耦方面的显著优势，为高可靠柔性应变传感器的工程化应用提供了有力支撑。

图文导读：

图1.LMIE-CFTSS的制造工艺和照片。(A)LMIE-CFTSS的示意图；(B)LMIE的激光烧蚀技术；(C)在拉伸应变和法向力作用下的LMIE-CFTSS的示意图；(D)制造的LMIE-CFTSS的照片

图2.激光消融LM的技术。(A)LM激光烧蚀过程的示意图；(B)气流辅助和无辅助条件下的烧蚀结果；(C)激光烧蚀前后OLM与Ecoflex之间的附着力；(D)烧蚀的OLM叉指结构的照片，这些结构具有不同的设计线宽；(E)激光烧蚀OLM图案的设计线宽与实测线宽的比较；(F)计算机控制的OLM激光烧蚀工艺流程；(G)激光烧蚀OLM叉指电容器的显微照片

图3.LMIE-CFTSS的面内拉伸应变表征。(A)LMIE-CFTSS在不同拉伸变形下的照片；(B)LMIE-CFTSS与相同尺寸的纯Ecoflex弹性体的拉伸力-应变曲线；(C)具有不同叉指数量的LMIE-CFTSS的应变-电容变化率曲线；(D)手指长度-零应变电容关系曲线。(E)指宽-零应变电容关系曲线；(F)指距-零应变电容关系曲线；(G)不同指宽和指距组合下LMIE-CFTSS零应变电容的理论计算、实验测量和有限元模拟结果

图4.LMIE-CFTSS的法向力特性。(A)不同法向力条件下LMIE-CFTSS的实验照片；(B)不同厚度LMIE-CFTSS的法向力-电容变化率曲线图；(C)不同厚度LMIE-CFTSS的拉伸应变-电容变化率曲线图；(D)不同厚度LMIE-CFTSS的正向力和拉力-电容变化率曲线图；(E)不同厚度LMIE-CFTSS的拉力敏感度与法向力敏感度之比；(f，g)不同厚度LMIE-CFTSS的拉伸应变、法向力和电容变化率曲线图

图5.LMIE-CFTSS在复合荷载作用下的应变响应特性。(A)LMIE-CFTSS在复合加载条件下的试验照片；(B)LMIE-CFTSS对拉伸应变和法向力的响应曲线

图6. LMIE-CFTSS在复杂曲面动态机械结构监测和力场测试中的应用。(a，b)LMIE-CFTSS在机械抓手玩具变形过程中的实验照片和响应曲线；(c，d)硅橡胶充气气球表面附着的LMIE-CFTSS在充气/放气过程中的实验照片和响应曲线

图7. LMIE-CFTSS在人体运动和机械活动场景中的应用。(a，b)LMIE-CFTSS监测人体关节屈伸运动的实验照片和响应曲线；(c，d)LMIE-CFTSS在机械装置变形过程中的实验照片和响应曲线

研究结论：

研究团队提出了一种基于气流辅助激光消融的液态金属叉指电极制备方法，在不依赖MEMS或飞秒激光工艺的前提下，实现了液态金属在柔性基底上的高精度、低成本图案化。基于该电极结构，构建了一种法向力高度解耦的电容式柔性拉伸应变传感器。实验结果表明，该传感器的拉伸力灵敏度可达到法向力灵敏度的2.9×10⁷倍，在 0.1mm超薄条件下法向力灵敏度低至1.14×10^-8N^-1，并在10000次循环拉伸后仍保持稳定输出。该研究为实现高可靠、低串扰的柔性应变感知提供了一条可行的新路径，对液态金属柔性传感器的工程化应用具有重要参考价值。

论文信息：

Laser-Ablated Liquid Metal Interdigital Electrodes for a Normal Force-Decoupled Capacitive Flexible Tensile Strain Sensor

Tingting Yu*, Hongyao Tang, Jiayi Yang*

Advanced Materials Technologies

DOI:10.1002/admt.202502163

原文链接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.202502163

期刊介绍：

Advanced Materials Technologies是跨学科研究的家园，涉及材料科学、创新技术与现实世界应用。无论是能源、医疗保健、电子、光学、微流体、传感器还是环境技术，我们欢迎所有应用材料主题，特别强调先进设备的设计、制造与集成。