柔性阵列式压力传感器的发展现状简介
航天器环境工程第26卷增刊112 SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING 2009年12月柔性阵列式压力传感器的发展现状简介
杨 敏，陈 洪，李明海
（中国工程物理研究院总体工程研究所，绵阳 621900）
摘要：文章在介绍柔性阵列式压力传感器工作原理的基础上，概述了其国内外发展现状。着重介绍了美国Tekscan公司开发的基于矩阵的传感器技术和应用实例，以及中科院合肥智能机械研究所有关柔性传感器的研究现状、产品的性能指标等。文章的工作旨在为层合结构预紧接触压力/间隙测量选择有效、可行的测量系统。
关键词：压力传感器；柔性阵列；接触压力测量
中图分类号：V416.2 文献标识码：A
1 引言
物体间接触应力的测量与分析在许多行业的研究和发展中起着极其重要的作用，接触应力的理论与试验研究也一直是工程和力学的热门课题[1]。由于接触应力的理论分析很难准确，定量地应用于实际问题也有难度, 因而研制设计一种能直接测定接触界面力学参数的装置，实时地测量2个物体在接触面上的压力和应力的分布信息具有重要的意义。
柔性阵列式压力传感器，可用于任意2个柔性或柔/刚接触面表面作用力的分布检测，一般为平面结构。它不仅具有普通阵列式传感器的优点，还具有良好的柔韧性，可以自由弯曲甚至折叠，能够方便地对复杂表面形状的零件进行检测，广泛应用于接触式测量、无损检测、机器人、生物力学等领域[2]。
2 柔性阵列式压力传感器工作原理
柔性阵列式压力传感器属于电阻式传感器，其工作原理与普通电阻式传感器基本相同。即接触力作用在力敏电阻元件上，力敏电阻元件将物理量转化为电阻变化，通过变换电路又转换为电压变化从而得到相关的力信息[3]。现以美国Tekscan公司所研制的柔性阵列式压力传感器为例，对其工作原理进行简单介绍。标准的Tekscan压力传感器由2片很薄的聚酯薄膜组成，一片薄膜的内表面铺设若干行的带状导体，另一片内表面铺设若干列的带状导体；导体本身的宽度以及行间距可以根据不同的测量需要而设计；导体外表有特殊的压敏半导体材料涂层。当2片薄膜合为一体时，大量的横向导体和纵向导体的交叉点就形成了压力感应点阵列。当外力作用到这些感应点上时，半导体的阻值会随外力的变化而成比例变化，由此来反映感应点的压力值。当压力为0时，阻值最大；压力越大，阻值越小，从而可以反映出两接触面间的压力分布情况。通过扫描和测量每一个施力单元的电阻变化，确定表面力的幅值和时间特征，使用Tekscan的配套分析软件，得到实时二维或三维图像。传感器结构见图1，测量电路见图2[4]。
图1 Tekscan传感器结构
图2 测量电路简图
杨 敏等：柔性阵列式压力传感器的发展现状简介113
3 柔性阵列式压力传感器国内外发展现状3.1 概述
国外于20世纪80年代开始对检测接触点和区域、接触截面形状、压力分布的触觉阵列进行研究，研制出了能检测对象形状、尺寸、有无、位置、作用力模式和温度的传感器。90年代发展到了高密度多阵列，柔性材料也成为了重要的研究方面。近年来已从单纯的传感器设计研制发展成为对涉及触觉传感、控制、信息处理等较复杂的系统及其过程的研究，并在传感器柔性力敏材料、新型制造工艺和多功能传感器的研究等方面取得了较大进展[5-8]。Dargahi等[9]利用硅条和PVDF膜构成的夹层构造研制了一种用于腹腔镜外科的微加工压电触觉传感器。Gray等[10]用表面微机械加工技术研究了具有高分辨率的微触觉传感器阵列。Harris等对富士测压薄膜（Fuji pressure sensitive film）进行了研究，结果表明：富士测压薄膜具有方便及可接受的精度，成为测量关节表面接触面积及应力普遍使用的工具。但富士测压薄膜的生物力学的测量误差达到10％～15％，并且不能进行数据的实时测量和分析[11,13]。
我国关于柔性阵列式压力传感器的研究开始于1987年，在863计划支持下，90年代初在此研究上取得了进展。东南大学实现了压阻式16×16触觉敏感阵列及其数据处理和触觉图像识别。北京理工大学研制了有接触觉、滑觉和触觉图像识别功能的传感系统。杭州电子工业学院研制了用于多传感器手爪的接近觉、接触觉、滑觉复合传感器。中国科学院合肥智能机械研究所（下简称合肥智能所）、东南大学、北京理工大学、哈尔滨工业大学、华中理工大学、北京信息学院等都做了各有特色的研究。如罗志增等[14]用各向异性压阻材料CSA研究了一种高分辨率柔性阵列力传感器。李铁军等[15]采用由柔性硅橡胶与导电橡胶制成的整体薄膜作表皮，在皮下结合充满电流变流体的绝缘体泡沫结构研制了新型电流变流体柔顺触觉传感器。毛毳等研制了碳膜压力传感器（敏感面积2mm×3mm，厚0.9mm,工作温度范围15～300℃，灵敏度小于1MPa），可测铁基形状记忆合金管接头与被连接管的接触应变场。陈祥林等[16]采用柔性印刷电路板工艺以高性能聚酰亚胺薄膜为基底材料，制作了一种超薄柔性电涡流传感器阵列及其测试系统，以实现大面积曲面间微小间隙的测量。其制作的传感器阵列，整体平面尺寸达到400mm×200mm，厚度不超过0.15mm，单个敏感线圈的外径为10mm，实测的线圈电感值约为1μH，电阻值约为2.5?。由于传感器探头很薄而且是柔性的，使得它几乎能应用于任意几何形状形面的测量。试验结果表明：在2mm 的量程范围内，传感器的测量精度为±5％。金观昌等[17]应用新型导电橡胶材料的电阻-力特性研制了16×16点阵接触力传感器（厚0.5mm）及计算机测量系统用于牙齿咬合及关节接触的动态测试。
总之，经过30年特别是近10年的发展，阵列式柔性传感器的技术已经开始成熟，越来越广泛的应用于现代生物、医学工程，微机械加工与装配等工程[18-21]中。这里仅以美国Tekscan公司和合肥智能所有关研究为例，对柔性阵列式传感器的研究现状、产品的性能指标等进行进一步介绍。
3.2 美国Tekscan公司的相关研究[22-25]
美国Tekscan公司研制出一种快速、精确、高效、直观的压力分布测量系统。其独特之处在于其专利技术——柔性薄膜网格传感器。Tekscan生产接触力、压力测量系统，包括数据采集系统、带有数据显示的分析软件、压力或力传感器。测量系统的核心是其取得专利的接触力传感器，它是一种基于矩阵的压力传感器。
Tekscan最小的测试单元为0.14mm2，可以制作1600cm2超过100000个测试单元, 其虚拟系统结构可以将几个传感器构成一个整体。Tekscan传感器可以制成不同的形状、大小和空间分辨率，压力测量范围由0～15kPa到0～175MPa不等。根据试件的尺寸特征，Tekscan提供最佳的匹配、空间分辨率及压力量程。
Tekscan开发了用于工业（I-scan）、医学(K-scan)、牙科及Flexiforce等系列测量系统。图3是K-scan系统用于膝关节成形术试验[3]。
减小刹车噪音、振动是设计者面临的挑战，I-scan系统测量接触面的压力分布，评估作用于刹车片和转毂之间的动态力，见图4。
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图3 K-scan TM系统用于膝关节成形术试验
图4 I-scan在刹车结构压力测量中的应用
引擎设计者必须确保引擎燃烧口正确密封，为此要决定引擎材料、螺栓、扭矩等，I-scan系统可以测量引擎密封处的动态压力分布（图5）。
Tekscan还开发了Grip TM系统测量和评估手在抓物时的静、动态压力和合力（图6）。
图5 I-scan在引擎压力测量中的应用
图6 Tekscan的Grip TM系统3.3 合肥智能所的相关研究
合肥智能所在多项国家科研计划的支持下，先后研制了基于MEMS工艺平台的多维力触觉传感器，在机器人手爪触觉信息获取方面处于国内领先地位。基于具有自主知识产权的压敏导电硅胶和压阻电子浆料的柔性阵列压力传感器，开创了局部压力分布测量这一新的研究方向，在机器人精密装配作业、机电部件密封和配合性能测试等领域得到了良好的应用。通过柔性阵列传感器和塑胶材料的复合成型工艺，研制了数字跑鞋、足蹬压力检测分析仪、步伐敏捷度测试仪和数字跑道单元模板。由于采用独创的印刷和柔性成型工艺，批量生产后成本将远低于国外产品。
该所研制的柔性压力传感器阵列基本单元最大尺寸可达到1m×1.2m，点阵密度为4个压力敏感点/cm2，单点采样频率250Hz，压力综合测量误差≤5%F.S.，测量范围是10～5000kPa。根据客户不同需要可定制各种形状、各类量程、不同厚度、不同尺寸的柔性压力传感器产品，厚度从0.1～0.5 mm，量程从400～5000kPa，面积从2.5×10-5～1m2，形状可为长方形、圆形、圆环形或其他可展开的任意平面形状，可以检测回转曲面作用力。图7为合肥智能机械研究所研制的阵列触觉传感器实物照片。
图7 阵列触觉传感器实物照片
4 讨论与展望
柔性阵列式压力传感器具有薄、柔软的特点，提供了测试接触面的接触应力、压力及其分布的技术手段，也为研究曲面球壳之间的接触特性提供了可能的途径，故可选择作为层合结构预紧接触压力/间隙测量系统。目前，柔性阵列式压力传感器正沿着功能多样化、材料新型化、系统复杂化的道路前进。
由于柔性传感器的工作范围由传统领域日益扩展到非传统领域，其长期可靠性、温湿度稳定性、
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重复性、零点漂移等静态特性仍需进一步研究。针对层合结构预紧接触压力/间隙测量，传感器的厚度及其力敏材料的力学性能仍是制约其应用的重要因素。
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SI4-G柔性压力传感器
?已通过ROHS 认证 笔尖柔性压力传感器 SI4-G SI4-G 柔性压力传感器是苏州能斯达电子科技有限公司融合了纳米敏感材料和先进印刷制程，采用自主独立知识产权最新开发并可以满足客户需求的标准型压力传感器。 标识 尺寸（mm） 长度16敏感区外径5敏感区内径 3.4Pin 脚距离 1.0 尺寸表 尺寸图 产品特性
SI4-G 柔性压力传感器由机械性能优异的超薄膜、优异导电材料和纳米压力敏感层组成。当传感器感知到外界压力时，传感器电导率发生变化，外界压力越大传感器电导率就越高。即传感器零负载时为高阻值显示，当传感器感知外界压力后，阻值会相应变化，力度越大阻值越小。采用简单的电路即可将这种电导率的变化转化为与外界压力相匹配的输出电信号。 力敏特性 注意： 图表中曲线是由在实验室条件下测得的数据绘制而成，曲线关系仅供参考，实际数据请根据具体应用情况安装后测试。 性能参数量程0-500g 厚度<0.25mm 外观尺寸见尺寸表响应点<30g 重复性<±7.7%(50%负载) 一致性±10%耐久性＞100万次初始电阻＞10M Ω(无负载) 响应时间<1ms 恢复时间<15ms 测试电压典型值DC 3.3V 工作温度-20°C -60°C 电磁干扰EMI 不产生静电释放EDS 不敏感 参数表 产品特性
参考电路 参考电路一： 采用分压方式测量。将压力变化在 传感器上产生的电阻值的变化，转 换为电压的变化，Vout为输出电 压，可接到后端电路。 ●根据实际情况选择R1，通常 可取47kΩ~1MΩ； ●无压力时，传感器阻值在 10MΩ以上，等效于断路。 参考电路二： 在分压测量的基础上，增加运算放 大器电路，可提高电压测量分辨 率；增大驱动电流。 ●根据实际情况选择电路参数； ●无压力时，传感器阻值在 10MΩ以上，近似断路。 注意事项 传感器使用时尽量使所受负载均匀，避免尖锐物体直接接触传感器； 超量程使用会降低传感器性能甚至破坏传感器； 力敏特性曲线仅供参考； 传感器端子为铜镀锡材质，可根据需求自行焊接引线。需注意，焊接温度不宜太高，建议不超过300℃，接触时间不超过1秒，以免高温使薄膜衬底融化变形。
柔性可穿戴电子传感器常用材料
毕业论文设计
柔性可穿戴电子传感器常用材料 摘要随着智能终端的普及，可穿戴电子设备呈现出巨大的市场前景。传感器作为核心部件之一，将影响可穿戴设备的功能设计与未来发展。柔性可穿戴电子传感器具有轻薄便携、电学性能优异和集成度高等特点，使其成为最受关注的电学传感器之一。经过分析近年来柔性传感器的研究、设计和制造现状后，综述了柔性可穿戴电子传感器的常用材料，最后并提出了柔性可穿戴电子传感器面临的挑战与未来的发展方向。 关键词可穿戴电子;柔性传感器 The Common Materials of Flexible Wearable Electronic Sensors Abstract With the development of intelligent terminals, wearable electronic devices show a great market prospect. As one core component of the wearable electronic device, the sensor will exert a significant influence on the design and function of the wearable electronic device in the future. Compared with the traditional electrical sensors, flexible wearable sensors have the advantages of being light, thin, portable, highly integrated and electrically excellent. It has become one of the most popu-lar electronic sensors. This review focused on recent research advances of flexible wearable sensors, including signal trans-duction mechanisms, general materials, manufacture processes and recent applications. Piezoresistivity, capacitance and pie-zoelectricity are three traditional signal transduction mechanism. For accessing the dynamic pressure in real time and devel-oping stretchable energy harvesting devices, sensors based on the mechanoluminescent mechanism and triboelectric mecha-nism are promising. Common materials used in flexible wearable electronic sensors, such as flexible substrates, metals, inor-ganic semiconductors, organics and carbons, are also introduced. In addition to the continuously mapping function, wearable sensors also have the practical and potential applications, which focused on the temperature and pulse detection, the facial expression recognition and the motion monitoring. Finally, the challenges and future development of flexible wearable sen-sors are presented. Keywords wearable electronics; flexible sensor; printing manufacture; body monitoring 目录 1 引言 (4)
触觉传感器
触觉传感器 触觉传感器是用于机器人中模仿触觉功能的传感器。按功能可分为接触觉传感器、力－力矩觉传感器、压觉传感器和滑觉传感器。 触觉传感器- 触觉传感器 触觉传感器- 正文 用于机器人中模仿触觉功能的传感器。触觉是人与外界环境直接接触时的重要感觉功能，研制满足要求的触觉传感器是机器人发展中的技术关键之一。随着微电子技术的发展和各种有机材料的出现，已经提出了多种多样的触觉传感器的研制方案，但目前大都属于实验室阶段，达到产品化的不多。触觉传感器按功能大致可分为接触觉传感器、力－力矩觉传感器、压觉传感器和滑觉传感器等。 接触觉传感器用以判断机器人(主要指四肢)是否接触到外界物体或测量被接触物体的特征的传感器。接触觉传感器有微动开关、导电橡胶、含碳海绵、碳素纤维、气动复位式装置等类型。①微动开关：由弹簧和触头构成。触头接触外界物体后离开基板，造成信号通路断开，从而测到与外界物体的接触。这种常闭式（未接触时一直接通）微动开关的优点是使用方便、结构简单，缺点是易产生机械振荡和触头易氧化。②导电橡胶式：它以导电橡胶为敏感元件。当触头接触外界物体受压后，压迫导电橡胶，使它的电阻发生改变，从而使流经导电橡胶的电流发生变化。这种传感器的缺点是由于导电橡胶的材料配方存在差异，出现的漂移和滞后特性也不一致，优点是具有柔性。③含碳海绵式：它在基板上装有海绵构成的弹性体，在海绵中按阵列布以含碳海绵。接触物体受压后,含碳海绵的电阻减小,测量流经含碳海绵电流的大小，可确定受压程度。这种传感器也可用作压力觉传感器。优点是结构简单、弹性好、使用方便。缺点是碳素分布均匀性直接影响测量结果和受压后恢复能力较差。④碳素纤维式：以碳素纤维为上表层，下表层为基板，中间装以氨基甲酸酯和金属电极。接触外界物体时碳素纤维受压与电极接触导电。优点是柔性好，可装于机械手臂曲面处，但滞后较大。⑤气动复位式：它有柔性绝缘表面，受压时变形，脱离接触时则由压缩空气作为复位的动力。与外界物体接触时其内部的弹性圆泡(铍铜箔)与下部触点接触而导电。优点是柔性好、可靠性高，但需要压缩空气源。
柔性阵列式压力传感器的发展现状简介
航天器环境工程第26卷增刊112 SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING 2009年12月柔性阵列式压力传感器的发展现状简介 杨 敏，陈 洪，李明海 （中国工程物理研究院总体工程研究所，绵阳 621900） 摘要：文章在介绍柔性阵列式压力传感器工作原理的基础上，概述了其国内外发展现状。着重介绍了美国Tekscan公司开发的基于矩阵的传感器技术和应用实例，以及中科院合肥智能机械研究所有关柔性传感器的研究现状、产品的性能指标等。文章的工作旨在为层合结构预紧接触压力/间隙测量选择有效、可行的测量系统。 关键词：压力传感器；柔性阵列；接触压力测量 中图分类号：V416.2 文献标识码：A 1 引言 物体间接触应力的测量与分析在许多行业的研究和发展中起着极其重要的作用，接触应力的理论与试验研究也一直是工程和力学的热门课题[1]。由于接触应力的理论分析很难准确，定量地应用于实际问题也有难度, 因而研制设计一种能直接测定接触界面力学参数的装置，实时地测量2个物体在接触面上的压力和应力的分布信息具有重要的意义。 柔性阵列式压力传感器，可用于任意2个柔性或柔/刚接触面表面作用力的分布检测，一般为平面结构。它不仅具有普通阵列式传感器的优点，还具有良好的柔韧性，可以自由弯曲甚至折叠，能够方便地对复杂表面形状的零件进行检测，广泛应用于接触式测量、无损检测、机器人、生物力学等领域[2]。 2 柔性阵列式压力传感器工作原理 柔性阵列式压力传感器属于电阻式传感器，其工作原理与普通电阻式传感器基本相同。即接触力作用在力敏电阻元件上，力敏电阻元件将物理量转化为电阻变化，通过变换电路又转换为电压变化从而得到相关的力信息[3]。现以美国Tekscan公司所研制的柔性阵列式压力传感器为例，对其工作原理进行简单介绍。标准的Tekscan压力传感器由2片很薄的聚酯薄膜组成，一片薄膜的内表面铺设若干行的带状导体，另一片内表面铺设若干列的带状导体；导体本身的宽度以及行间距可以根据不同的测量需要而设计；导体外表有特殊的压敏半导体材料涂层。当2片薄膜合为一体时，大量的横向导体和纵向导体的交叉点就形成了压力感应点阵列。当外力作用到这些感应点上时，半导体的阻值会随外力的变化而成比例变化，由此来反映感应点的压力值。当压力为0时，阻值最大；压力越大，阻值越小，从而可以反映出两接触面间的压力分布情况。通过扫描和测量每一个施力单元的电阻变化，确定表面力的幅值和时间特征，使用Tekscan的配套分析软件，得到实时二维或三维图像。传感器结构见图1，测量电路见图2[4]。 图1 Tekscan传感器结构 图2 测量电路简图
浅谈柔性可穿戴传感器
浅谈柔性可穿戴传感器 随着人们进一步深入信息时代，5G通讯、大数据、云计算、万物互联的物联网、工业4.0等许多高新技术、新概念纷纷被提出。随着信息时代的应用需求越来越高，随之而来的是对于各种信息的广泛需求，这就对被测量信息的围、精度和稳定情况等各性能参数的期望值和理想化要求逐步提高。针对特殊环境与特殊信号下气体、压力、湿度的测量需求，普通传感器已经远远不能满足需求。新材料、新工艺和开发新型传感器与其它学科的交叉整合的传感器层出不穷。随着柔性基质材料的发展，具有透明、柔韧、延展、可自由弯曲甚至折叠、便于携带、可穿戴等特点的柔性传感器由于在医疗保健、健身运动、安全生产等领域的巨大潜力受到越来越大的关注。 可穿戴技术的新领域近年来发展迅速，已成为消费电子市场的重要竞争者。目前，全球可穿戴市场价值约300亿美元，估计到2023年和2026年分别增长100亿美元和150亿美元。大多数可用的可穿戴产品采用智能手表如Apple Watch和健身带的形式。可以为消费者提供有关活动、身体动作和一些消费者使用生命体征的信息。尽管取得了这些成功，但可穿戴设备在实际临床应用中的使用受到限制，主要是由于它们的准确性，有效性和可靠性有限。此外，现有设备的体积刚性和不灵活性质限制了使用的舒适性和持续时间。此外，传感器和数据处理以及分析硬件的高功耗限制了长期可操作性，并迫使开发人员牺牲精度以延长电池寿命。其他重要的限制包括用于传感器放置的有限位置，运动伪像以及处理/解释大量生成的数据。 一、柔性可穿戴传感器的材料 传统的传感器多是在刚性不可弯曲的衬底上制成的，其中具有硅衬底的传感器是最常见的传感器。尽管这些传感器具有广泛的应用领域，但有一些难以避免缺点，如刚度、不敏感、不可弯折等。而柔性可穿戴传感器则需要采用一些可弯折的柔性材料，得益于新材料、新工艺的发展，诸如可弯折的石墨烯、导电纱线或纤维纺织、有机高分子聚合物被纷纷采用。 传感器的材料取决于传感器的应用，可用性，制造总成本等因素。有机电子材料是材料方面的一个主要部门，已经大量被用于制造柔性可穿戴设备设备。用于柔性可穿戴设备的有机器件具有灵活性、体积可变、良好的稳定性、生物适应性良好等优点。这些类型的传感器已用于制造薄膜晶体管，离子泵，聚合物电极等。有机和大面积电子设备（OLAE）是使用功能性油墨开发以薄层印刷的电子器件的方法。用于这些操作的基材是主要的PET和PEN，因为它们与其它有机聚合物相比具有透明性和较低的成本。OLAE流程目前用于开发可穿戴的健康和医疗设备。PDMS、PEN、PI，P（VDF-TrFE），Parylene和Polypyrrole 的使用已经普遍用于开发柔性传感器针对不同的应用。传感器的电极部分也采用新型的导电材料，如碳基纳米材料和金属纳米颗粒。碳基纳米材料包括石墨烯，碳纳米管（CNTs）碳纤维等。在金属纳米粒子中银、金和镍是柔性可穿戴传感器中最常用的一些金属纳米材料。聚二甲基硅氧烷（PDMS），聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN），聚酰亚胺（PI）是通常用于开发柔性传感器的一些绝缘基板。这些聚合物材料的差异在于它们的氏模量，折射率等。有一些导电聚合物如聚（3,4-亚乙二氧基噻吩）、聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT：PSS）、聚乙炔、聚苯胺与绝缘聚合物相比，由于其较低的带隙而导电。这些聚合物主要用于开发太阳能电池、电池。在碳纳米管CNT中，使用单壁碳纳米管（SWCNT）和多壁碳纳米管（MWCNT）在不同的传感器件也得到部分应用。制造柔性传感器的工艺有很多，其中光刻，丝网印刷，喷墨印刷，激光切割是一些常见的方法。根据柔性传感器的的尺寸来确定制造传感器原型的工艺。 二、感测指标类型
COMSOL在压阻式柔性压力传感器中的应用
COMSOL在压阻式柔性压力传感器中的应用 王宗荣1, 王珊1 1浙江大学 Abstract 引言：柔性压力传感器在电子皮肤、智能假肢以及医疗监测诊断等领域发挥着十分重要的作用。因此压力传感器需要很高的灵敏度、宽的敏感区间及稳定的性能。利用典型的有机硅 PDMS 作为支撑层，聚合物 PEDOT: PSS 作为导电感应层制得的高度不均一的微突结构的双压敏机制压阻传感器灵敏度达到了 851kPa-1，探测范围广，表现出了优异的性能，为解决目前压阻传感器中灵敏度低、敏感压力区间窄的难题提供了新思路。 COMSOL MULTIPHYSICS? 软件的使用：本文利用COMSOL软件建立了不均匀微突结构的压阻式传感器模型，采用了结构力学与电流场两个物理场，通过电子接触对进行多物理场的耦合。研究在指定位移情况下，压阻式传感器电阻与电流的变化，从而得到灵敏度，验证不均匀微突结构压阻式压力传感器的双作用机制。同时，建立了均一微金字塔结构的压力传感器进行比较，对比得出性能更好的压阻式传感器结构。 结果：通过COMSOL模拟的结果，在相同位移的情况下，不均匀微突结构压力传感器的灵敏度比均一金字塔结构高的多。模拟结果如图1,2,3 。 结论：模拟均一微金字塔结构和不均匀微突结构的压阻式传感器，通过指定位移，得出电阻电流随位移的变化情况，从而得出灵敏度，验证不均匀微突结构压阻式压力传感器的双作用机制。结果表明不均匀微突结构的压力传感器灵敏度要大大高于均一微金字塔结构。 Reference 1.Wang, ZR et.al, High Sensitivity, Wearable, Piezoresistive Pressure Sensors Based on Irregular Microhump Structures and Its Applications in Body Motion Sensing. Small , 12 (28), 3827-36(2016). 2.Choong, C. L et.al, Highly stretchable resistive pressure sensors using a conductive elastomeric composite on a micropyramid array. Advanced materials , 26 (21), 3451- 8(2014).
机器人触觉传感器行业分析
机器人触觉传感器行业 传感器作为一种检测装置，通过接收被测量的信息，按一定规律变换成电信号或其他方式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化；它是实现自动检测和自动控制的首要环节。因为传感器的存在，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等器官。随着物联网技术的发展，传感器在物联网发展中所扮演的角色越来越重要，目前传感器产品需求大幅增加，并且重心逐渐转向技术含量较高的MEMS 传感器领域，MEMS 传感器的精确度决定了所收集信息的品质。物联网2017 市场规模为1.16 万亿，同比增长26%；预计物联网的高增长将带来传感器市场的行业景气，2017 年传感器销售额125.71亿元，同比增长16%；预计2018 年传感器销售额将达到133.06 亿元。 触觉传感器的主要功能 检测功能 检测功能包括对操作对象的状态、机械手与操作对象的接触状态、操作对象的物理性质进行检测。 识别功能 识别功能是在检测的基础上提取操作对象的形状、大小、刚度等特征，以进行分类和目标识别。
触觉传感器的发展历程 70 年代国外的机器人研究已成热点，但触觉技术的研究才开始且很少。当时对触觉的研究仅限于与对象的接触与否接触力大小，虽有一些好的设想但研制出的传感器少且简陋。 80 年代是机器人触觉传感技术研究、发展的快速增长期，此期间对传感器设计、原理和方法作了大量研究，主要有电阻、电容、压电、热电磁、磁电、力、光、超声和电阻应变等原理和方法。从总体上看80 年代的研究可分为传感器研制、触觉数据处理、主动触觉感知三部分，其突出特点是以传感器装置研究为中心主要面向工业自动化。 90年代对触觉传感技术的研究继续保持增长并多方向发展。按宽的分类法，有关触觉研究的文献可分为：传感技术与传感器设计、触觉图像处理、形状辨识、主动触觉感知、结构与集成。 2002年，美国科研人员在内窥镜手术的导管顶部安装触觉传感器，可检测疾病组织的刚度，根据组织柔软度施加合适的力度，保证手术操作的安全。 2008年，日本Kazuto T akashima等人设计了压电三维力触觉传感器，将其安装在机器人灵巧手指端，并建立了肝脏模拟界面，外科医生可以通过对机器人灵巧手的控制，感受肝脏病变部位的信息，进行封闭式手术。 2009年，德国菲劳恩霍夫制造技术和应用材料研究院的马库斯-梅瓦尔研制出新型触觉系统的章鱼水下机器人，可精确地感知障碍物状况，可以自动完成海底环境的勘测工作。 触觉传感器分类 机器人感知能力的技术研究中，触觉类传感器极其重要。触觉类的传感器研究有广义和狭义之分。广义的触觉包括触觉、压觉、力觉、滑觉、冷热觉等。狭义的触觉包括机械手与
基于机器学习的柔性触觉传感器设计
第32卷第3期2019年3月 传感技术学报 CHINESE JOUＲNAL OF SENSOＲS AND ACTUATOＲS Vol.32No.3 Mar．2019 项目来源：常州市科技计划项目（CJ20180016）；江苏省重点研发计划项目（BE2017007－1）；常州高技术重点实验室项目 （CM20183004） 收稿日期：2018－08－30修改日期：2019－01－14 Design of Flexible Tactile Sensor Based on Machine Learning * HAO Zhiliang 1，MA Gang 2，DONG Shuai 2，WANG Caiping 2，WANG Xiaojie 1， 2* （1．Engineering Ｒesearch Center of Automotive Electronics and Embedded System ，Chongqing University of Posts and Telecommunications ，Chongqing 400065，China ； 2．Institute of Advanced Manufacturing Technology ，Hefei Institute of Physical science ，Chinese academy of sciences ，Changzhou Jiangsu 213164，China ） Abstract ：A flexible tactile sensor that can effectively detect the pressure position is proposed and designed．A pres-sure sensitive soft material with large area are fabricated by using carbon nanotubes as conductive filler and polyure-thane as substrate．Meanwhile ， the signal acquisition circuit is set up based on the microprocessor STM32F103，multi-channel analog switch CD4051and impedance detection chip AD5933．The internal resistance information of the flexible material is collected by the electrodes placed at the boundary ， and the pressure position is detected by the machine learning classification algorithm．Experimental results indicate that the flexible sensor can detect the pressure position effectively ， the spatial resolution is 2．5cm ，and the accuracy is 83．63%．In addition ，the proposed flexible tactile sensor has no internal conductor ，simple structure ，and low cost that can be produced massively for practical applications． Key words ：flexible tactile sensor ；position detection ；carbon nanotube ；impedance measurement ；machine learning EEACC ：7230doi ：10．3969/j．issn．1004－1699．2019．03．005 基于机器学习的柔性触觉传感器设计 * 郝志良1 ，马 刚2 ，董 帅2，王彩萍2，王晓杰 1，2* （1．重庆邮电大学汽车电子与嵌入式系统工程研究中心，重庆400065；2．中国科学院合肥物质科学研究院先进制造技术研究所，江苏常州213164） 摘要：提出了一种有效检测压力位置的柔性触觉传感器设计方案。以碳纳米管为导电填料，以聚氨酯为基体，制备了一种 可大面积成型的柔性压敏材料。同时，采用微处理器STM32F103、多路模拟开关CD4051和阻抗测量芯片AD5933搭建了信号采集电路， 通过放置在边界的电极采集柔性材料内部的阻抗信息，利用机器学习分类算法检测压力位置。实验结果表明：柔性传感器能有效检测压力位置，空间分辨率为2．5cm ，准确率为83．63%。此外，提出的传感器内部无导线分布，结构简单，成本较低，易于大规模生产和应用。 关键词：柔性触觉传感器；位置检测；碳纳米管；阻抗测量；机器学习 中图分类号：TP212．1文献标识码：A 文章编号：1004－1699（2019）03－0346－05柔性传感器是一种用于感知表面作用力分布的 柔性器件， 因其优良的柔软性与伸展性，适用于贴附各种不规则表面， 在机器人皮肤、可穿戴设备、医疗检测等领域有广泛的应用前景 ［1－3］ 。随着机器人技术的不断发展， 应用于机器人皮肤的柔性触觉传感器引起了人们的广泛关注，其中阵列式柔性触觉传感器应用最为广泛 ［4－5］ 。Chang 等人［6］采用丝网印 刷技术将有机电阻印制在聚酰亚胺衬底上，成功研 发了一种用于多点触摸检测的柔性传感器。由于设计了具有凸起结构的顶膜， 该传感器具有较大的挠度和快速灵敏的响应特性。Tee 等人［7］ 利用压敏薄片和印刷环形振荡器制备一种可以将压力直接转化 为数字信号的机械感受器， 这种感受器可以集成在大面积柔性基体上， 其灵敏程度与人类皮肤可以相
DF9-40柔性薄膜压力传感器规格书
苏州能斯达电子科技有限公司 ?已通过ROHS 认证 柔性薄膜压力传感器 DF9-40系列 超薄，厚度小于0.3mm 响应速度快 寿命长，通过100万次以上按压测试 检测电路简单，易于集成应用 可定制传感器外形 可定制传感器量程参数 DF9-40系列柔性薄膜压力传感器是苏州能斯达拥有自主知识产权的柔性压力传感技术在柔韧轻薄材料上印刷附着力强、耐弯折、灵敏度高的柔性纳米功能材料，使其实现对压力的高灵敏度检测。 柔性薄膜压力传感器是一种电阻式传感器，输出电阻随施加在传感器表面压力的增大而减小，通过特定的压力-电阻关系，可测量出压力大小。适用于柔性面的压力测量场景，可广泛应用于智能家居、消费电子、汽车电子、医疗设备、工业控制、智能机器人等领域。 DF9-40系列目前有500g、2kg、5kg、10kg、20kg 等不同量程型号产品。 尺寸规格 标识尺寸（mm） 长度40.0敏感区外径10.0敏感区内径7.5Pin 脚距离 2.54公差 0.2 尺寸表 尺寸图 产品特点 产品描述
性能指标 型号DF9-40@500g DF9-40@2kg DF9-40@5kg DF9-40@10kg DF9-40@20kg 量程500g2kg5kg10kg20kg 厚度<0.3mm 外观尺寸见尺寸表 响应点20g20g150g150g200g 重复性<±9.7%(60%负载) 一致性±10%（同一型号批次） 迟滞+10%(RF+-RF-)/RF+ 耐久性＞100万次 初始电阻＞10MΩ(无负载) 响应时间<1ms 恢复时间<15ms 测试电压典型值DC3.3V 工作温度-20℃-60℃ 电磁干扰EMI不产生 静电释放ESD不敏感 力敏特性 以下为DF9-40系列各型号柔性薄膜压力传感器的压力-电阻值曲线图。左侧图表显示了全部电阻范围内的压力-电阻值关系；右侧图表为左侧图标的局部细节展示，显示了电阻值在30kΩ以下的压力-电阻关系。 注意： 图表中曲线是在特定条件下测得的数据绘制而成，曲线关系仅供参考，实际数据请根据具体应用情况安装后测试。 DF9-40@500g DF9-40@2kg
触觉传感器种类
触觉传感器 用于机器人中模仿触觉功能的传感器。触觉是人与外界环境直接接触时的重要感觉功能，研制满足要求的触觉传感器是机器人发展中的技术关键之一。随着微电子技术的发展和各种有机材料的出现，已经提出了多种多样的触觉传感器的研制方案，但目前大都属于实验室阶段，达到产品化的不多。触觉传感器按功能大致可分为接触觉传感器、力－力矩觉传感器、压觉传感器和滑觉传感器等。 接触觉传感器用以判断机器人(主要指四肢)是否接触到外界物体或测量被接触物体的特征的传感器。接触觉传感器有微动开关、导电橡胶、含碳海绵、碳素纤维、气动复位式装置等类型。 ①微动开关：由弹簧和触头构成。触头接触外界物体后离开基板，造成信号通路断开，从而测到与外界物体的接触。这种常闭式（未接触时一直接通）微动开关的优点是使用方便、结构简单，缺点是易产生机械振荡和触头易氧化。 ②导电橡胶式：它以导电橡胶为敏感元件。当触头接触外界物体受压后，压迫导电橡胶，使它的电阻发生改变，从而使流经导电橡胶的电流发生变化。这种传感器的缺点是由于导电橡胶的材料配方存在差异，出现的漂移和滞后特性也不一致，优点是具有柔性。 ③含碳海绵式：它在基板上装有海绵构成的弹性体，在海绵中按阵列布以含碳海绵。接触物体受压后,含碳海绵的电阻减小,测量流经含碳海绵电流的大小，可确定受压程度。这种传感器也可用作压力觉传感器。优点是结构简单、弹性好、使用方便。缺点是碳素分布均匀性直接影响测量结果和受压后恢复能力较差。 ④碳素纤维式：以碳素纤维为上表层，下表层为基板，中间装以氨基甲酸酯和金属电极。接触外界物体时碳素纤维受压与电极接触导电。优点是柔性好，可装于机械手臂曲面处，但滞后较大。 ⑤气动复位式：它有柔性绝缘表面，受压时变形，脱离接触时则由压缩空气作为复位的动力。与外界物体接触时其内部的弹性圆泡(铍铜箔)与下部触点接触而导电。优点是柔性好、可靠性高，但需要压缩空气源。
触觉传感器大作业
机器人触觉传感器概况 姓名：徐乾荣学号：140231 1.1背景介绍 触觉是人与外界环境直接接触时的重要感觉功能，研制满足要求的触觉传感器是机器人发展中的技术关键之一。随着微电子技术的发展和各种有机材料的出现，已经提出了多种多样的触觉传感器的研制方案，但目前大都属于实验室阶段，达到产品化的不多。 现代工业的高度自动化以及电子工业的迅猛发展，使得机器人在各领域的应用更加广泛和深入。实现机器人智能化的关键是模拟人类五官感知功能的传感器的研究设计。触觉传感技术作为实现智能机器人技术的关键因素之一，不仅仅是视觉的一种补充，它与视觉一样，都是模拟人的感觉，是实现机器人与环境直接作用的必须媒介。 1.2机器人触觉传感器国外研究现状 国外学者对机器人触觉传感技术较系统的研究开始于上世纪70年代，目前国外触觉传感技术研究已经取得很大成果。 2002年，美国科研人员在内窥镜手术的导管顶部安装触觉传感器，可检测疾病组织的刚度，根据组织柔软度施加合适的力度，保证手术操作的安全。2008年，日本Kazuto Takashima等人设计了压电三维力触觉传感器，将其安装在机器人灵巧手指端，并建立了肝脏模拟界面，外科医生可以通过对机器人灵巧手的控制，感受肝脏病变部位的信息，进行封闭式手术。2009年，德国菲劳恩霍夫制造技术和应用材料研究院的马库斯-梅瓦尔研制出新型触觉系统的章鱼水下机器人，可精确地感知障碍物状况，可以自动完成海底环境的勘测工作。 1.3机器人触觉传感器国内研究现状 国内对机器人触觉传感技术的研究起步较晚，受到客观条件的限制，在1987年国家863计划开始实施以后才加快研究步伐。在863计划的支持下，东南大学、北京理工大学，中科院合肥智能所等单位在90年代初相继开展了各有特色的研究，并取得了一定的成果。1.4触觉传感器分类 机器人感知能力的技术研究中，触觉类传感器极其重要。触觉类的传感器研究有广义和狭义之分。广义的触觉包括触觉、压觉、力觉、滑觉、冷热觉等。狭义的触觉包括机械手与对象接触面上的力感觉。从功能的角度分类，触觉传感器大致可分为接触觉传感器、力－力矩觉传感器、压觉传感器和滑觉传感器等。