10 万 + 循环耐用！超薄 Si 基弯曲传感器助力机器人精准感知

研究背景

柔性弯曲传感器在机器人、人机交互、医疗康复等领域需求迫切，但现有基于有机材料（碳基复合材料、导电弹性体等）的传感器存在固有缺陷：粘弹性导致信号漂移、长期循环弯曲后易失效，且机械强度不足，难以承受大应力和高频次形变，限制了实际应用。而无机硅（Si）虽具备高灵敏度和弹性响应，但传统集成方式（粘合剂、导电浆料）易导致基板脆弱、连接不可靠，无法发挥其性能优势。

第一作者    Hao Liu    

通讯作者    Seiichi Takamatsu    

通讯单位    东京大学精密工程系；纽约州立大学宾汉姆顿分校系统科学与工业工程学院；曼彻斯特大学机械、航空与土木工程系等    

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

研究亮点

创新结构设计：采用 5μm 超薄单晶硅应变片（ piezoresistive 层 150nm）作为传感核心，搭配 5μm 高韧性聚酰亚胺（PI）基板，通过水蒸气等离子体辅助（WVPA）键合技术实现 Au-Au 直接连接，无粘合剂和导电浆料，避免粘弹性带来的信号漂移；

性能突破：可承受 10 万 + 次 5mm 半径弯曲循环，信号稳定无衰减；最小弯曲半径仅 0.4mm，机械极限达 300MPa，工作应力≤94MPa（应变 <3%）；灵敏度系数 0.08 (1/mm⁻¹)，线性度 R²>0.997， gauge factor（GF）35 左右；

环境适应性强：在 0-100℃温度、20%-90% 湿度范围内性能稳定，湿度导致的电阻变化仅 0.16%，温度影响可通过校准补偿；

批量制备兼容：基于 SOI 晶圆和 MEMS 工艺，4 英寸晶圆可产出 250 + 个 Si 应变片，键合和转移流程适配低成本大面积加工。

应用场景

机器人领域：集成于机械手指关节，实时监测弯曲角度，辅助抓取不同尺寸物体（杯子、马克笔等），耐受高频次开合循环；

人机交互（HMI）：用于可穿戴设备的运动捕捉，精准识别肢体关节形变；

医疗康复：监测人体关节活动或器官微小形变，提供稳定的长期监测数据；

工业自动化：适用于复杂工况下的设备形变监测，耐受机械应力和环境波动。

一句话概括

东京大学团队开发的 “10 万 + 循环耐用弯曲传感器（100k+ CRBS）”，通过超薄 Si 应变片、WVPA 直接键合技术与 PI 基板的协同设计，解决了传统传感器寿命短、信号漂移的痛点，实现高弹性、高线性度和强环境适应性，为机器人精准感知与人机交互提供可靠方案。

图文解读

图 1：传感器概念与结构对比

核心：左侧明确传感器的两大应用形变（拉伸 / 压缩、弯曲）及 10 万 + 循环的核心目标；右侧对比传统结构（粘合剂 + 导电浆料）与本研究结构（WVPA 键合 + Si 应变片 + PI 基板），凸显无粘弹性连接的优势；

关键：点出传统结构的失效根源（粘合剂分子链重排、导电浆料微裂纹），为本研究的结构创新提供依据。

图 2：传感器结构与弯曲机制

核心：展示传感器分层结构（Si 应变片 + PI 基板 + Au 布线），及 PA、PI、AR 三种基板的柔性验证（可贴合 1mm 半径圆柱）；

关键：通过力学模型推导弯曲半径与电阻变化的关系，说明 Si 应变片的 piezoresistive 传感机制，解释 “中性轴位置” 对弯曲灵敏度和最小弯曲半径的影响。

图 3：核心性能测试结果

核心：全面验证传感器性能 ——① 灵敏度：电阻变化与弯曲曲率线性相关（R²>0.997）；② 弯曲极限：最小弯曲半径 0.4mm（Si 应变片应变≤0.56%）；③ 机械强度：PI 基板传感器可承重 1.5kg，机械极限 300MPa；④ 循环稳定性：10 万次 5mm 半径弯曲后信号无衰减；⑤ 环境稳定性：温湿度变化下电阻波动小；

关键：通过 AFM 和 SEM 验证 WVPA 键合界面无空隙，表面粗糙度仅 0.7nm 级，解释高连接强度的根源。

图 4：机器人应用案例

核心：将传感器集成于耶鲁 Open Hand 机械手指关节，实时监测手指屈伸、握持状态；

关键：展示实际应用场景 ——① 120° 弯曲保持 20 分钟信号无漂移；② 120 + 次开合循环信号稳定；③ 成功抓取不同尺寸物体（杯子、马克笔），为机械臂精准控制提供反馈。