彈性壓力傳感器的原理及應(yīng)用場景展望

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編輯：感知芯視界 Link

在這個日新月異的科技時代，傳感器技術(shù)正逐漸成為推動社會進(jìn)步的重要力量。今天，我們就來一起探索一種神秘而又神奇的傳感器——彈性壓力傳感器，看看它如何成為我們感知世界的“觸覺”神器！

彈性壓力傳感器的原理

壓力傳感器是傳感器界中的重要組成部分，對彈性壓力傳感器來說， 機(jī)械與電氣等性能極好，有著高靈活性，高靈敏度，高分辨率以及快速響應(yīng)等特點(diǎn)，應(yīng)用范圍很廣。結(jié)合彈性壓力傳感器工作機(jī)制的不同，主要包括壓阻式、電容式和壓電式等類型。

01壓阻式彈性壓力傳感器

壓阻式彈性壓力傳感器利用單晶硅材料的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制成。當(dāng)受到壓力作用時，單晶硅產(chǎn)生應(yīng)變，使得直接擴(kuò)散在上面的應(yīng)變電阻發(fā)生變化，從而將被測壓力轉(zhuǎn)換為電信號。這種傳感器具有靈敏度高、精度高等優(yōu)點(diǎn)，但易受溫度影響，需要采取溫度補(bǔ)償措施。

02壓電式彈性壓力傳感器

壓電式彈性壓力傳感器則是基于壓電效應(yīng)原理工作的。某些離子型晶體電介質(zhì)在受到機(jī)械變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，并在某些表面上產(chǎn)生電荷。壓電式傳感器利用這種效應(yīng)將被測壓力轉(zhuǎn)換為電信號。這種傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但通常需要特殊的壓電材料，成本可能較高。

03電容式彈性壓力傳感器

電容式彈性壓力傳感器則利用被測物體受壓時產(chǎn)生的微小形變來改變電容量的原理進(jìn)行壓力測量。通常由金屬彈片和電極組成，當(dāng)受到壓力時，金屬彈片發(fā)生形變，導(dǎo)致電容值的變化，從而反映被測壓力的大小。這種傳感器具有精度高、響應(yīng)速度快、溫度補(bǔ)償能力好等優(yōu)點(diǎn)，且非接觸式測量方法避免了傳統(tǒng)傳感器的測量誤差。

彈性壓力傳感器的未來應(yīng)用展望

01人工電子皮膚

當(dāng)前在人工智能方面彈性壓力傳感器發(fā)揮的作用巨大，其中人工電子皮膚最有代表性，這是一種基于人體皮膚的科技產(chǎn)物，能夠?qū)θ梭w感知體感信號的過程進(jìn)行模擬。在遇到溫度、壓力、張力以及振動等外界刺激后，通過及時的感應(yīng)與響應(yīng)，采取電信號方式傳輸各種體表刺激，由仿生受體信號接收部分進(jìn)行接收，從而模擬人類感受外界刺激并向大腦傳遞生物信號的過程?，F(xiàn)階段人工電子皮膚主要在假肢、皮膚類藥物研制等領(lǐng)域應(yīng)用，受益人群是重度殘疾與皮膚受損患者，極大推動了生物醫(yī)用材料的發(fā)展。缺乏觸覺的患者使用該傳感器，能夠具有與正常人相同的感知能力。

02智能服裝

在斯皮爾伯格的大作《頭號玩家》中就構(gòu)想一種基于彈性壓力傳感器的游戲服飾裝備，能全方位的實(shí)現(xiàn)觸覺感知，完美溝通二次元與三次元之間的信息傳遞。隨著智能可穿戴產(chǎn)品的快速發(fā)展，在投入市場后備受消費(fèi)者關(guān)注，在此背景下智能服裝也逐步發(fā)展起來。現(xiàn)在服裝功能性與智能性越來越強(qiáng)，在智能服裝中所用紡絲不再以棉線、化纖等為主，更多的采用纖維狀器件和電極，發(fā)揮其光學(xué)、電學(xué)等性質(zhì)。分析彈性壓力傳感器應(yīng)用現(xiàn)狀可知，在檢測應(yīng)變范圍與靈敏度等方面存在較大缺陷，特別是難以實(shí)現(xiàn)對人體全尺度應(yīng)變的檢測。但是在未來，隨著材料技術(shù)的發(fā)展，目前所遇到的困難應(yīng)該都是可以逐步解決的。

03運(yùn)動防護(hù)

對彈性壓力傳感器來說，在運(yùn)動防護(hù)中應(yīng)用后，可以避免運(yùn)動不當(dāng)引起的人體損傷現(xiàn)象。彈性壓力傳感器能夠?qū)⑷梭w四肢關(guān)鍵肌腱群之間與皮膚的壓力測量出來，并科學(xué)評估肌肉收縮緊張度與肢體位置。傳感器還可以對運(yùn)動員的姿態(tài)進(jìn)行測量，有效判斷姿態(tài)是否正確，在及時反饋后有利于運(yùn)動員調(diào)整訓(xùn)練方案，實(shí)現(xiàn)成績的提高。借助加速度傳感器、陀螺儀將髖部、膝蓋和腳踝等屈伸角度測量出來，再與攝像機(jī)采集系統(tǒng)完成對照，并對比左右腳部位檢測情況，結(jié)合角度曲線診斷人體姿態(tài)。

04可穿戴設(shè)備

可穿戴智能設(shè)備的發(fā)展與應(yīng)用，將廣泛應(yīng)用于生理參數(shù)、運(yùn)動、動作姿態(tài)、語音識別和環(huán)境等檢測中。將壓力傳感器應(yīng)用到地毯中，有利于醫(yī)護(hù)人員與家人第一時間掌握老人、孩子等摔倒信息，便于盡快采取解救措施，防止出現(xiàn)更嚴(yán)重事故。借助三維微電極，能夠加強(qiáng)對人工智能設(shè)備的靈敏控制。兒童體溫貼內(nèi)附柔性壓力傳感器，便于實(shí)時監(jiān)測嬰幼兒體溫。現(xiàn)在用最小的成本投入，提高彈性壓力傳感器的分辨力、靈敏度，保證響應(yīng)更加迅速，能夠完成對復(fù)雜信號的檢測。

結(jié)語

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的快速發(fā)展，彈性壓力傳感器的應(yīng)用前景將更加廣闊。未來，這些傳感器有望實(shí)現(xiàn)更高的靈敏度、更低的功耗和更小的體積，同時通過與人工智能技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更高級別的智能化和自動化，讓我們期待彈性壓力傳感器在未來的更多創(chuàng)新和突破！

韌和科技是中國科學(xué)院寧波材料所，中國科學(xué)院磁性材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室孵化的科技型企業(yè)，是國內(nèi)首家從事彈性電子材料與器件產(chǎn)業(yè)化的高新技術(shù)企業(yè)，公司專注于彈性電容式傳感系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用，產(chǎn)品涉及智慧醫(yī)療、智能家居/家紡等領(lǐng)域，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平，其中彈性拉伸傳感器、彈性壓力傳感器、彈性壓力陣列傳感器都已具備批量化生產(chǎn)能力，并已跟相關(guān)企業(yè)達(dá)成合作，未來希望與更多企業(yè)、公司溝通交流，深入合作 。

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審核編輯 黃宇