传感器技术之柔性压力传感器

传感器技术是机器人技术持续发展的重要推手，随着机器人技术的发展，面对越来越多的特殊信号和特殊环境，对各种传感提出更高的要求，同时希望传感器还能够具有透明、柔韧、延展、可自由弯曲甚至折叠、便于携带、可穿戴等特点。随着柔性基质材料的发展，满足上述各类趋势特点的柔性传感器在此基础上应运而生。

作为传感器界的“元老”，压力传感器是其领域内的重要组成。而柔性压力传感器具有出色的机械和电气特性，例如高灵活性，高灵敏度，高分辨率和快速响应等，因此具有广泛的应用。

根据压力传感器的工作机制，可以将其大致分为以下几类：压阻式、电容式、压电式和其它类型的压力传感器。

压阻式柔性压力传感器

压阻式柔性压力传感器基于压阻效应的传感器在外力作用下活性材料会变形，并间接改变内部导电材料的分布和接触状态，从而导致活性材料的电阻有规律变化。

压阻式传感器常见的传感机理及代表性装

与电容式和压电式压力传感器相比，它们不需要复杂的传感器结构，且功耗较低，测试压力范围广，制造过程简单。它们可用于医学检查、密封检查、体育锻炼等。市场上已经有一些商业化的产品如智能衣服，它可以通过电阻变化来监测心跳，以预防心脏病等疾病的发生。

Kim型压阻式压力传感器（来源［3］）

Kim 等人提出了一种基于 PDMS 矩阵的压阻式压力传感器。这种压力传感器灵敏度高、

结构简单且具有可穿戴功能。这个传感器展现了良好的传感性能，其灵敏度高达0.3 kPa-1，响应时间为162 ms，这保证了其可以用来检测人体关节的运动［3］。

电容式柔性压力传感器

电容式柔性压力传感器是一种基于平行板电容原理的装置，具有灵敏度高、响应快、动态范围广等优点。其工作机理是在施加外力时，通过改变平板电容器之间的距离来改变传感器的电容，其传导机理及代表性装置示意图如下图。

电容式传感器常见的传感机理及代表性装

近年来，精密电容传感器的发展引发了人们很大的关注。对这种器件的设计、特性、操作和可能的应用做了不同的研究。

由 Kentaro Noda等人提出柔性的可检测三维压力的电容式传感器，传感器可检测出正向力或是剪力。当传感器被拉伸或压缩时，会改变传感器的输出状况，此传感器是由 4 个压力感测单元与有导电液体的拉伸感测单元所组成，传感器不仅能检测压力也能显示出目前传感器被拉伸的情形，可由电容得知力量大小，由电阻得知传感器拉伸的情形，所示，所以就能对传感器拉伸的部分进行补偿，因此可应用于会随动作不同而有拉伸或压缩情况的机器人关节［4］。

kentaro电容式柔性传感器（来源［4］）

压电式柔性压力传感器

当某些介电材料沿某一特定方向上受到外界的作用力时，其内部就会发生极化，导致在它的两个相反的表面上会出现相反的电荷，或者产生潜在的差异，这种现象就被称为正/逆压电效应。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为压电传感器。

压电式传感器常见的传导机理及代表性装

压电材料在发生形变时能发电，反之亦然。压电材料的这种双重功能为越来越多的应用特别是可穿戴或植入式系统提供了基础。具体的例子包括消费电子产品中的可持续电源和用于测量血压的传感器等生物医学设备。材料科学、力学和制造业的发展促使超薄的、柔性的和机械可伸缩的压电器件的构造成为可能。

Chen 等人提出了一种具有纳米线/Graphene 异质结构的新型静态测量压力传感器。与传统的单纯纳米线或 Graphene 基压电压力传感器相比，该器件可测量静压力，灵敏度可达9.4×103kPa，响应时间低至 57 ms。该压力传感器在电子皮肤和可穿戴设备上有着十分广阔的应用潜力。

新型静态测量压力传感器 （来源［6］）

在过去的十年中，对柔性可穿戴传感器设备的研究迅速增长，随着智能机器人和可穿戴电子设备的蓬勃发展，各种顺应任意曲线曲面的基于柔性压力传感器的新型设备研究也正在快速进行，未来柔性传感技术会发挥着越来越重要的作用。

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

Micromachines-Basel， 2018， 9 （11）： 580.

［2］刘伟杰。 基于压力传感器和致动器的智能感知器件研究［D］。华中科技大学，2019.

［3］90Kim K.-H.， Hong S. K.， Jang N.-S.， et al. Wearable resistive pressure sensor based on

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

Mater. Interfaces， 2017， 9 （20）： 17500~17508.

［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.

［6］Chen Z.， Wang Z.， Li X.， et al. Flexible piezoelectric-induced pressure sensors for static measurements based on nanowires/graphene heterostructures. ACS Nano， 2017， 11 （5）： 4507~4513.