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摘要：柔性压力传感器是一种用于感知物体表面作用力大小的柔性电子器件，一般采用平面结构，可以通过点或者阵列的形式完成高密度、高柔韧性下的测量。柔性压力传感器能否兼具柔韧性和准确测量压力分布信息等功能成为人们关注的焦点。因此，构建微结构是提高柔性压力传感器综合性能的有效途径，成为学术界和工业界的关注重点。本文以专利分析为基础，对柔性压力传感器的应用于发展进行了简单的归纳和分析。
关键词：柔性；压力；传感器；电容；电阻；压电；压阻
一、柔性压力传感器概述
1.1柔性压力传感器
压力传感器是使用最为广泛的一种传感器。传统的压力传感器结构尺寸大、质量重，不能提供电学输出。随着半导体技术的发展，半导体压力传感器逐步发展，特别是MEMS技术的发展成熟，半导体传感器向着微型化发展，而且其功耗小、可靠性高。
随着材料科学、制作工艺和应用需求的迅猛发展，尤其是人体运动智能可穿戴设备中的柔性传感器己成为研究的热点。柔性压力传感器是一种用于感知物体表面作用力大小的柔性电子器件，能贴附于各种不规则物体表面，在医疗健康、机器人、生物力学等领域有着广泛的应用前景[1]。为了满足柔性界面、曲面和不规则形状界面上作用力测量的需求，柔性压力传感技术是在柔性的基板上形成具有轻、薄、小巧、可挠性特点的压力传感技术[2]。
1.2柔性压力传感器的类型
柔性压力传感器按照感应材料可分为电容式传感器、电阻式传感器、压阻式传感器和压电式传感器。
电容式传感器由一个悬浮结构极板电容器组成，当极板或电极区域之间的距离在外力作用下时距离被缩短，从而产生两个电极之间的电容的变化。适用于检测小挠度变化下的检测，其具有高空间分辨率、良好的频率响应、低功耗和大量程的动态范围。图1（a）为电容式柔性压力传感器结构简图。
电阻式传感器通常由导电聚合物力敏电阻构成，当施加压力时导电层变化，两个电极之间的电阻变小、电流增加。图1（b）为电阻式柔性压力传感器结构简图。
压阻式传感器是由基于半导体材料的压电材料构成，压电材料受力的影响产生形变，电阻率会随之发生变化，它具有成本低、灵敏度高、结构相对简单、长期稳定性低、噪声低、准确度高、可靠性高、技术成熟等优点，尤其适用于测量一个固定点压力。图1（c）为压阻式柔性压力传感器结构简图。
压电式传感器是将施加的应力或力转化为电压的传感器，因其压电材料可作为传感器和执行器的特性故被认为一种智能材料，它具有机械柔性、高压电系数、尺寸固定、重量轻、工作稳定等特性，尤其适用于动态力的检测。图1（d）为压电式柔性压力传感器结构简图。
图4柔性压力传感器
二、柔性压力传感器相关领域发展分析
针对不同类型的传感器，其应用领域与发展方向存在各自的特点，下面将以专利申请为基础分析基础，采用INCOPAT专利数据库对上述四类传感器类型的发展领域进行分析。
（一）电容柔性式传感器
电容式柔性压力传感器的主要研发与应用领域为：绝对压力传感、传感阵列、接触应力传感器、无线压力传感器以及相对压力传感器。
意法半导（STMICROELECTRONICSSRL）的专利DE60011445D1公开了一种用于织物的电容式压力传感器，可用于检测在一柔软物体的不同点上施加的压力。罗伯特博世有限公司（ROBERTBOSCHGMBH）的专利CN103261844A公开了一种柔性的能够被安置在机器或者机器零件的表面上的传感器系统。西安交通大学的专利CN106441073A公开了一种用于大变形和触觉压力测量的介电柔性传感器，能够很好地与人交互，测量人体与外界物体的接触压力；也可设计成感知源，在测量压力的同时定位接触位置，在可穿戴设备中具有较好的应用前景。
（二）电阻柔性式传感器
电容式柔性压力传感器的主要研发与应用领域为：足底压力测量、压力传感器、触觉传感器、触控按键以及采摘机器人等领域。
霍尼韦尔公司（HANEYWELLCOLTD）的专利KR1020010026485A公开了一种具有橡胶聚合物隔膜的半导体压力传感器。香港纺织及成衣研发中心的专利CN102410895A公开了一种织物型压力传感器的制造方法，可将传感织物进行裁剪。清华大学的专利CN105606291A公开了一种热式压力传感器及柔性电子皮肤，结构简单、范围和灵敏度方便可调。
（三）压阻柔性式传感器
压阻式柔性压力传感器的主要研发与应用领域为：集成压力传感器、陶瓷压力传感器、生理传感器、压力流量传感器以及压力敏感等领域。
清华大学的专利CN102313818A公开了一种基于单壁碳纳米管阵列的柔性压阻流场传感器，具有灵敏度高、尺寸小、柔韧性强以及功耗低的优点。广东省自动化研究所的专利CN104535229A公开了一种基于压阻压电柔性传感器复合的压力检测装置，具有低功耗、耐用性强、动态性能好的优点。阿克伦大学（TheUniversityofAkron）的专利US20170234745A1公开了一种柔性传感器，可以应用于柔性结构，通过3D打印技术提高检测系统的集成度。
（四）压电柔性式传感器
如图8所示，压电式柔性压力传感器的主要研发与应用领域为：拉伸测量、接触应力传感器以及应变传感器等领域。
米其林技术公司的专利CN1619954A公开了一种具有谐振器构可在预定谐振器频率范围内产生电输出的传感装置。清华大学的专利CN102163687A公开了一种高压电响应氧化锌柔性压力传感器，可应用于表面不规则物体的压力测量，而且可以随意弯折。东南大学的专利CN108072464A公开了一种仿人手指端滑动触觉传感器，可以安装在仿生假手或机械手的指端，用于获取接触对象的接触状况等信息。
三、结论
通过上述分析，我国针对柔性压力传感器的研究和开发较晚，虽然产业应用需求旺盛、领域扩展广，但在规模化应用还需提高，在研究所和高校投入研究的同时，还需要注重企业的研发投入，在关键领域和核心技术上形成自己的专利，促进我国柔性传感器技术快速发展及其科研成果的快速产业化发展。
参考文献：
[1]杨敏，陈洪，李明海.2009.柔性阵列式传感器的发展现状简介[J].航天器环境工程，26（s1）：115-118.
[2]杨先军.2012.柔性力敏传感器及其应用技术研究[D]：中国科学技术大学.
论文作者:路林
论文发表刊物:《基层建设》2019年第5期
论文发表时间:2019/4/29
标签：柔性论文; 传感器论文; 压力传感器论文; 压力论文; 专利论文; 测量论文; 结构论文; 《基层建设》2019年第5期论文;