傳感器技術之柔性壓力傳感器

傳感器技術是機器人技術持續(xù)發(fā)展的重要推手，隨著機器人技術的發(fā)展，面對越來越多的特殊信號和特殊環(huán)境，對各種傳感提出更高的要求，同時希望傳感器還能夠具有透明、柔韌、延展、可自由彎曲甚至折疊、便于攜帶、可穿戴等特點。隨著柔性基質(zhì)材料的發(fā)展，滿足上述各類趨勢特點的柔性傳感器在此基礎上應運而生。

作為傳感器界的“元老”，壓力傳感器是其領域內(nèi)的重要組成。而柔性壓力傳感器具有出色的機械和電氣特性，例如高靈活性，高靈敏度，高分辨率和快速響應等，因此具有廣泛的應用。

根據(jù)壓力傳感器的工作機制，可以將其大致分為以下幾類：壓阻式、電容式、壓電式和其它類型的壓力傳感器。

壓阻式柔性壓力傳感器

壓阻式柔性壓力傳感器基于壓阻效應的傳感器在外力作用下活性材料會變形，并間接改變內(nèi)部導電材料的分布和接觸狀態(tài)，從而導致活性材料的電阻有規(guī)律變化。

壓阻式傳感器常見的傳感機理及代表性裝

與電容式和壓電式壓力傳感器相比，它們不需要復雜的傳感器結構，且功耗較低，測試壓力范圍廣，制造過程簡單。它們可用于醫(yī)學檢查、密封檢查、體育鍛煉等。市場上已經(jīng)有一些商業(yè)化的產(chǎn)品如智能衣服，它可以通過電阻變化來監(jiān)測心跳，以預防心臟病等疾病的發(fā)生。

Kim型壓阻式壓力傳感器（來源［3］）

Kim 等人提出了一種基于 PDMS 矩陣的壓阻式壓力傳感器。這種壓力傳感器靈敏度高、

結構簡單且具有可穿戴功能。這個傳感器展現(xiàn)了良好的傳感性能，其靈敏度高達0.3 kPa-1，響應時間為162 ms，這保證了其可以用來檢測人體關節(jié)的運動［3］。

電容式柔性壓力傳感器

電容式柔性壓力傳感器是一種基于平行板電容原理的裝置，具有靈敏度高、響應快、動態(tài)范圍廣等優(yōu)點。其工作機理是在施加外力時，通過改變平板電容器之間的距離來改變傳感器的電容，其傳導機理及代表性裝置示意圖如下圖。

電容式傳感器常見的傳感機理及代表性裝

近年來，精密電容傳感器的發(fā)展引發(fā)了人們很大的關注。對這種器件的設計、特性、操作和可能的應用做了不同的研究。

由 Kentaro Noda等人提出柔性的可檢測三維壓力的電容式傳感器，傳感器可檢測出正向力或是剪力。當傳感器被拉伸或壓縮時，會改變傳感器的輸出狀況，此傳感器是由 4 個壓力感測單元與有導電液體的拉伸感測單元所組成，傳感器不僅能檢測壓力也能顯示出目前傳感器被拉伸的情形，可由電容得知力量大小，由電阻得知傳感器拉伸的情形，所示，所以就能對傳感器拉伸的部分進行補償，因此可應用于會隨動作不同而有拉伸或壓縮情況的機器人關節(jié)［4］。

kentaro電容式柔性傳感器（來源［4］）

壓電式柔性壓力傳感器

當某些介電材料沿某一特定方向上受到外界的作用力時，其內(nèi)部就會發(fā)生極化，導致在它的兩個相反的表面上會出現(xiàn)相反的電荷，或者產(chǎn)生潛在的差異，這種現(xiàn)象就被稱為正/逆壓電效應。依據(jù)電介質(zhì)壓電效應研制的一類傳感器稱為壓電傳感器。

壓電式傳感器常見的傳導機理及代表性裝

壓電材料在發(fā)生形變時能發(fā)電，反之亦然。壓電材料的這種雙重功能為越來越多的應用特別是可穿戴或植入式系統(tǒng)提供了基礎。具體的例子包括消費電子產(chǎn)品中的可持續(xù)電源和用于測量血壓的傳感器等生物醫(yī)學設備。材料科學、力學和制造業(yè)的發(fā)展促使超薄的、柔性的和機械可伸縮的壓電器件的構造成為可能。

Chen 等人提出了一種具有納米線/Graphene 異質(zhì)結構的新型靜態(tài)測量壓力傳感器。與傳統(tǒng)的單純納米線或 Graphene 基壓電壓力傳感器相比，該器件可測量靜壓力，靈敏度可達9.4×103kPa，響應時間低至 57 ms。該壓力傳感器在電子皮膚和可穿戴設備上有著十分廣闊的應用潛力。

新型靜態(tài)測量壓力傳感器 （來源［6］）

在過去的十年中，對柔性可穿戴傳感器設備的研究迅速增長，隨著智能機器人和可穿戴電子設備的蓬勃發(fā)展，各種順應任意曲線曲面的基于柔性壓力傳感器的新型設備研究也正在快速進行，未來柔性傳感技術會發(fā)揮著越來越重要的作用。

［1］Xu F.， Li X.， Shi Y.， et al. Recent developments for flexible pressure sensors： A review.

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［4］highly flexible carbon composite conductors with irregular surface morphology. ACS Appl.

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［5］Zhu B， Niu Z， Wang H，et al. Microstructured graphene arrays for highly sensitive flexible tactile sensors［J］。 Small， 2014， 10（18）： 3625-3631.

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