综述：具有高分辨率和高密度的柔性传感器阵列

柔性传感器阵列研究进展及挑战

Jinrong Huang|Jiahui Liu|Guoyi Zhang|Lanyu Nie|Yao Xiong|Yutian Zhu|Zhong Lin Wang|Qijun Sun

材料、化学与化学工程学院，教育部有机硅化学与材料技术重点实验室，杭州师范大学有机硅材料技术重点实验室，中国浙江省杭州市311121

摘要

作为高精度感知和分布式信号采集的核心组件，柔性传感器阵列正在迅速发展，朝着更高的分辨率和更大的集成度迈进。高分辨率的阵列能够实现精细的空间映射，而密集集成的布局则提升了整体的感知覆盖范围和功能。然而，这些进步也带来了新的挑战，如复杂的互连路由、信号串扰增加以及信号保真度的下降。本文总结了过去五年在高分辨率、高集成度柔性传感器阵列设计方面的进展，重点讨论了提高空间分辨率的结构策略、微结构工程化的感知机制以及可扩展的互连架构。此外，还探讨了通过材料、电路设计和算法的协同优化来保持信号完整性的多层次方法。代表性研究展示了高密度阵列如何实现类似皮肤的触觉反馈、多模态感知和生物医学监测。最后，本文概述了可扩展阵列制造、智能信号解耦和人工智能驱动的触觉系统等新兴方向。总体而言，本文全面概述了最新的技术趋势，并系统地探讨了柔性电子与体感智能的融合。

引言

在过去十年中，柔性电子技术从材料层面的创新发展到系统层面的架构，推动了从刚性设备向仿生和类生命系统的转变[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。这些技术以其机械柔顺性、结构可伸展性和功能可调性为电子平台提供了适应复杂曲面、动态变形以及与生物界面无缝交互的能力。因此，柔性电子已广泛应用于可穿戴设备、电子皮肤、智能假肢和软体机器人领域，成为体感智能的基础平台[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。

在柔性电子的众多分支中，柔性传感器阵列已成为感知界面的核心组成部分。凭借高信息密度、广泛覆盖范围和多样的布局配置，它们逐渐取代了传统的单点传感器，成为从电子皮肤和医疗监测到人机交互（HMI）和软体机器人等应用中不可或缺的前端模块[12]、[13]、[14]、[15]。通过采用可伸展的互连技术和高度兼容的集成策略，这些阵列系统能够实现对多种外部刺激（包括应力、温度、湿度、气体和应变）的空间分辨检测，从而接近人类皮肤神经末梢的密度和感知能力[16]、[17]、[18]。

在仿生感官系统中，人类皮肤的神经网络通过密集的空间分布实现了多点并行感知和快速响应[19]。为了模仿这种能力，类似皮肤的柔性传感器阵列必须在有限的区域内实现高像素密度、高空间分辨率和高灵敏度的协同集成[20]、[21]。最近的进展在仿生触觉反馈、多模态感知融合和神经形态编码输出等领域取得了关键突破。在软体机器人和多自由度操纵系统中，高密度阵列的集成已成为感知、决策和执行闭环的基础模块[22]、[23]、[24]。

然而，柔性传感从离散传感器单元向高度集成阵列的转变仍面临诸多挑战。首先，像素数量的持续增加大大复杂化了电极路由和互连，限制了可扩展性和制造效率。其次，像素间距的减小显著提高了串扰和读出干扰的风险，从而影响了信号准确性和解码可靠性。最后，微结构的密集集成和异质材料的堆叠可能会损害设备输出性能和长期稳定性，同时引入了封装、可伸展性和变形适应性方面的系统性问题。

图1和表S1概述了本文的内容，重点介绍了过去五年在高分辨率和高集成度柔性传感器阵列方面取得的进展。本文系统地梳理了像素设计、微结构增强策略、信号读出架构和系统级集成方面的最新进展。通过这个多维分析框架，研究了代表性研究，以阐明实现高密度阵列的关键技术路径，这些阵列能够进行微尺度刺激检测、多模态信号解耦和空间分布重建。此外，本文还强调了这些阵列在电子皮肤、可穿戴电子设备、机器人触觉界面和医疗监测系统等应用中的性能。最后，本文展望了未来的发展方向，包括大规模制造、可编程设计、人工智能驱动的智能感知和跨模态系统集成，旨在为类似皮肤的智能感知平台的发展提供系统性的见解和技术指导。

性能指标和评估框架

柔性传感器阵列的评估不仅涉及材料本身的特性和单点响应，还需要全面表征阵列的整体行为和系统级协调性。高密度集成不再仅仅是像素数量的累积，而是一个涉及空间分辨率、信号保真度、能效和实时交互的多维挑战。理想的柔性传感器阵列应在

微结构工程和阵列架构设计

柔性传感器阵列的性能从根本上依赖于两个层面的协同优化：(i) 像素级的结构工程，通过定制的微结构提高灵敏度、线性和响应均匀性；(ii) 阵列级的架构设计，旨在实现高像素密度、广泛的空间覆盖范围和系统级别的信号完整性。随着柔性电子技术向更高分辨率和多模态集成发展，同时实现这些目标变得至关重要

高分辨率传感器阵列中的串扰抑制

随着柔性传感器阵列的空间分辨率不断提高和像素密度的迅速增加，信号耦合和寄生干扰等问题变得不可避免。这些问题表现为电场扩散、寄生电容以及相邻像素之间的反射伪影，严重影响了感知准确性和系统可扩展性。在二维矩阵架构和电极重用情况下，这一挑战尤为严重

高密度传感器阵列的应用

作为仿生感知系统的核心基础，柔性高密度传感器阵列的价值不仅体现在像素级别的性能指标上，更重要的是它们适应多样环境并在系统层面实现功能集成的能力[120]。在现实应用场景中——从体感智能和类人交互到健康监测和工业防护——这些阵列必须同时平衡空间

挑战与未来展望

尽管过去五年取得了显著进展，但高分辨率和高集成度柔性传感器阵列的发展仍面临制造、系统性能和智能信号处理方面的根本性挑战。这些问题与本文讨论的结构、电气和算法方面密切相关。

结论

柔性高密度传感器阵列已从孤立的设备概念发展成为支撑先进电子皮肤和智能感知技术的系统级平台。除了在各个技术路线上的渐进式改进外，最近的进展揭示了几种趋同的研究趋势，这些趋势预计将在未来几年定义该领域的发展方向。关键趋势包括微结构、材料、阵列架构和算法之间的协同优化

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家科技部国家重点研发计划（2023YFB3208102）、国家自然科学基金（52073031、52273070）、中国科学院“****”和浙江省自然科学基金（LRG25E030003）以及中国博士后科学基金（2025M780511）的财政支持。

Jinrong Huang于2024年获得南京大学博士学位，目前是杭州师范大学的助理研究员。他的研究方向是基于深度学习的多模态感知融合和人机交互。