10 萬 + 循環耐用！超薄 Si 基彎曲傳感器助力機器人精準感知

研究背景

柔性彎曲傳感器在機器人、人機交互、醫療康復等領域需求迫切，但現有基于有機材料（碳基復合材料、導電彈性體等）的傳感器存在固有缺陷：粘彈性導致信號漂移、長期循環彎曲后易失效，且機械強度不足，難以承受大應力和高頻次形變，限制了實際應用。而無機硅（Si）雖具備高靈敏度和彈性響應，但傳統集成方式（粘合劑、導電漿料）易導致基板脆弱、連接不可靠，無法發揮其性能優勢。

第一作者    Hao Liu    

通訊作者    Seiichi Takamatsu    

通訊單位    東京大學精密工程系；紐約州立大學賓漢姆頓分校系統科學與工業工程學院；曼徹斯特大學機械、航空與土木工程系等    

DOI 號    https://doi.org/10.1038/s41528-025-00498-1    

研究亮點

創新結構設計：采用 5μm 超薄單晶硅應變片（ piezoresistive 層 150nm）作為傳感核心，搭配 5μm 高韌性聚酰亞胺（PI）基板，通過水蒸氣等離子體輔助（WVPA）鍵合技術實現 Au-Au 直接連接，無粘合劑和導電漿料，避免粘彈性帶來的信號漂移；

性能突破：可承受 10 萬 + 次 5mm 半徑彎曲循環，信號穩定無衰減；最小彎曲半徑僅 0.4mm，機械極限達 300MPa，工作應力≤94MPa（應變 <3%）；靈敏度系數 0.08 (1/mm?¹)，線性度 R²>0.997， gauge factor（GF）35 左右；

環境適應性強：在 0-100℃溫度、20%-90% 濕度范圍內性能穩定，濕度導致的電阻變化僅 0.16%，溫度影響可通過校準補償；

批量制備兼容：基于 SOI 晶圓和 MEMS 工藝，4 英寸晶圓可產出 250 + 個 Si 應變片，鍵合和轉移流程適配低成本大面積加工。

應用場景

機器人領域：集成于機械手指關節，實時監測彎曲角度，輔助抓取不同尺寸物體（杯子、馬克筆等），耐受高頻次開合循環；

人機交互（HMI）：用于可穿戴設備的運動捕捉，精準識別肢體關節形變；

醫療康復：監測人體關節活動或器官微小形變，提供穩定的長期監測數據；

工業自動化：適用于復雜工況下的設備形變監測，耐受機械應力和環境波動。

一句話概括

東京大學團隊開發的 “10 萬 + 循環耐用彎曲傳感器（100k+ CRBS）”，通過超薄 Si 應變片、WVPA 直接鍵合技術與 PI 基板的協同設計，解決了傳統傳感器壽命短、信號漂移的痛點，實現高彈性、高線性度和強環境適應性，為機器人精準感知與人機交互提供可靠方案。

圖文解讀

圖 1：傳感器概念與結構對比

核心：左側明確傳感器的兩大應用形變（拉伸 / 壓縮、彎曲）及 10 萬 + 循環的核心目標；右側對比傳統結構（粘合劑 + 導電漿料）與本研究結構（WVPA 鍵合 + Si 應變片 + PI 基板），凸顯無粘彈性連接的優勢；

關鍵：點出傳統結構的失效根源（粘合劑分子鏈重排、導電漿料微裂紋），為本研究的結構創新提供依據。

圖 2：傳感器結構與彎曲機制

核心：展示傳感器分層結構（Si 應變片 + PI 基板 + Au 布線），及 PA、PI、AR 三種基板的柔性驗證（可貼合 1mm 半徑圓柱）；

關鍵：通過力學模型推導彎曲半徑與電阻變化的關系，說明 Si 應變片的 piezoresistive 傳感機制，解釋 “中性軸位置” 對彎曲靈敏度和最小彎曲半徑的影響。

圖 3：核心性能測試結果

核心：全面驗證傳感器性能 ——① 靈敏度：電阻變化與彎曲曲率線性相關（R²>0.997）；② 彎曲極限：最小彎曲半徑 0.4mm（Si 應變片應變≤0.56%）；③ 機械強度：PI 基板傳感器可承重 1.5kg，機械極限 300MPa；④ 循環穩定性：10 萬次 5mm 半徑彎曲后信號無衰減；⑤ 環境穩定性：溫濕度變化下電阻波動??；

關鍵：通過 AFM 和 SEM 驗證 WVPA 鍵合界面無空隙，表面粗糙度僅 0.7nm 級，解釋高連接強度的根源。

圖 4：機器人應用案例

核心：將傳感器集成于耶魯 Open Hand 機械手指關節，實時監測手指屈伸、握持狀態；

關鍵：展示實際應用場景 ——① 120° 彎曲保持 20 分鐘信號無漂移；② 120 + 次開合循環信號穩定；③ 成功抓取不同尺寸物體（杯子、馬克筆），為機械臂精準控制提供反饋。