柔性传感器在海洋监测中承担着重要责任。然而，传统海洋波浪监测技术虽已形成体系，但在原位化、精细化、低成本化及与新型海洋装备集成方面仍面临挑战。针对以上问题，山东省智能感知芯片与系统重点实验室李俊漾副教授与温琦教授团队，联合厦门大学高立波教授团队提出了一种基于梯度微柱结构的柔性压力传感器设计方法，成功研发面向智能浮标海浪实时监测的高灵敏柔性压力传感器件，为波浪监测提供了前沿的解决方案，同时也展示了柔性压力传感在海洋装备中应用的潜力。相关研究工作以“Highly Sensitive Flexible Pressure Sensor Based on Gradient Microcolumn Structure for Ocean Wave Monitoring”为题，发表在Applied Physics Letters，实验室在读硕士研究生唐心颖为第一作者。

该传感器由封装层、敏感层、间隔层和叉指电极层构成，核心部件敏感层通过翻模工艺制备，在提高批次一致性的同时，有效降低规模化制作成本（见图1）。仿真结果表明，梯度微柱结构传感器具有最高灵敏度与最佳线性响应特性，能够在宽压力范围内维持高灵敏感知能力（见图2）。测试数据显示，该传感器在空气中的灵敏度达到3848.57 kPa^-1（0-300 kPa），最小检测限为7.8Pa，响应与恢复时间分别为17 ms和5 ms，历经3500次以上加载-卸载循环无明显漂移与衰减，稳定性出众（见图3）。

面向海洋场景，传感器水下灵敏度达3393.62 kPa⁻¹，能够识别1 cm水深变化，并且具备水下浸泡30天性能无衰减的超长耐久性。将传感器集成至浮标系统，模拟海浪观测场景，能够实现多方位波浪变化实时监测（见图4），充分证实了该技术在海洋监测领域的实用价值与广阔前景。

论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0298672

图1 传感器的结构设计、制作流程和形态表征。(a) 传感器的概念图；(b) 传感器的制作流程；(c) 敏感层表面的SEM图像；(d) 敏感层截面的SEM图像。

图2 传感器的有限元分析、结构对比和材料配比。(a) GCS、SGCS和UCS的有限元分析(H)；(b)  UCS(M)和UCS(L)的有限元分析；(c) 敏感层结构对传感器灵敏度的影响。(d)  敏感层中CNT 掺杂浓度对传感器灵敏度的影响；(e) 传感器的工作原理示意图。

图3 传感器的特性。(a) 表征传感器特性的实验装置；(b) 传感器的灵敏度；(c) 传感器的最小检测限；(d)传感器性能对比；(e) 传感器的重复性；(f) 在 3.2 kPa压力下传感器的快速响应时间；(g) 传感器在500 kPa压力下连续加载和卸载超过3500次循环下的长期稳定性。

图4 传感器的水下应用测试。(a) 水下特性测试的实验装置；(b) 传感器在水中的灵敏度；(c) 传感器在水下的最小检测限；(d) 传感器长时间浸水后灵敏度的变化；(e-g) 附着在浮标底部的传感器的输出；(h-j) 附着在浮标侧面的传感器的输出。