柔性壓力傳感器了解一下

當(dāng)今，隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，傳感器技術(shù)的發(fā)展前景也變得越來(lái)越廣闊了。不得不說(shuō)，傳感器技術(shù)對(duì)于機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展來(lái)說(shuō)是十分重要的。當(dāng)前，隨著機(jī)器人柔性基質(zhì)材料的發(fā)展，柔性傳感器的需求量變得越來(lái)越大了。

作為傳感器界的"元老"，壓力傳感器是其領(lǐng)域內(nèi)的重要組成。而柔性壓力傳感器具有出色的機(jī)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(yīng)等，因此具有廣泛的應(yīng)用。

根據(jù)壓力傳感器的工作機(jī)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(yīng)的傳感器在外力作用下活性材料會(huì)變形，并間接改變內(nèi)部導(dǎo)電材料的分布和接觸狀態(tài)，從而導(dǎo)致活性材料的電阻有規(guī)律變化。

與電容式和壓電式壓力傳感器相比，它們不需要復(fù)雜的傳感器結(jié)構(gòu)，且功耗較低，測(cè)試壓力范圍廣，制造過(guò)程簡(jiǎn)單。它們可用于醫(yī)學(xué)檢查、密封檢查、體育鍛煉等。市場(chǎng)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(guò)電阻變化來(lái)監(jiān)測(cè)心跳，以預(yù)防心臟病等疾病的發(fā)生。

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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且具有可穿戴功能。這個(gè)傳感器展現(xiàn)了良好的傳感性能，其靈敏度高達(dá)0.3 kPa-1，響應(yīng)時(shí)間為162 ms，這保證了其可以用來(lái)檢測(cè)人體關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)[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(yīng)快、動(dòng)態(tài)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。其工作機(jī)理是在施加外力時(shí)，通過(guò)改變平板電容器之間的距離來(lái)改變傳感器的電容。

近年來(lái)，精密電容傳感器的發(fā)展引發(fā)了人們很大的關(guān)注。對(duì)這種器件的設(shè)計(jì)、特性、操作和可能的應(yīng)用做了不同的研究。

由 Kentaro Noda等人提出柔性的可檢測(cè)三維壓力的電容式傳感器，傳感器可檢測(cè)出正向力或是剪力。當(dāng)傳感器被拉伸或壓縮時(shí)，會(huì)改變傳感器的輸出狀況，此傳感器是由 4 個(gè)壓力感測(cè)單元與有導(dǎo)電液體的拉伸感測(cè)單元所組成，傳感器不僅能檢測(cè)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(duì)傳感器拉伸的部分進(jìn)行補(bǔ)償，因此可應(yīng)用于會(huì)隨動(dòng)作不同而有拉伸或壓縮情況的機(jī)器人關(guān)節(jié)。

壓電式柔性壓力傳感器

當(dāng)某些介電材料沿某一特定方向上受到外界的作用力時(shí)，其內(nèi)部就會(huì)發(fā)生極化，導(dǎo)致在它的兩個(gè)相反的表面上會(huì)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(yīng)。依據(jù)電介質(zhì)壓電效應(yīng)研制的一類傳感器稱為壓電傳感器。

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

Chen 等人提出了一種具有納米線/Graphene 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的新型靜態(tài)測(cè)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(cè)量靜壓力，靈敏度可達(dá)9.4×103kPa，響應(yīng)時(shí)間低至 57 ms。該壓力傳感器在電子皮膚和可穿戴設(shè)備上有著十分廣闊的應(yīng)用潛力。

在過(guò)去的十年中，對(duì)柔性可穿戴傳感器設(shè)備的研究迅速增長(zhǎng)，隨著智能機(jī)器人和可穿戴電子設(shè)備的蓬勃發(fā)展，各種順應(yīng)任意曲線曲面的基于柔性壓力傳感器的新型設(shè)備研究也正在快速進(jìn)行，未來(lái)柔性傳感技術(shù)會(huì)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。