传统压力传感器大多为金属、半导体和压电晶体等刚性材料研制而成，虽然技术上非常成熟，可以精确测量较大范围内的压力值。但是随着科技水平的不断提升，器件表现出体积大、重量大等缺点，承受的形变也不足。而发展柔性压力传感器，可以实现便携式检测目标，在柔性人机交互、智能机器人等领域得到广泛应用。

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柔性压力传感器是一种新型电子器件，相比于传统刚性传感器，其在人机交互、医疗健康和机器人触觉等方面将发挥更大作用。柔性压力传感器制备材料要求很高，构成器件的材料必须质地较薄，有柔软的特性，在特殊情况下需要与人体皮肤表面贴合或直接向体内植入。可见柔性压力传感器所用材料必须有较好的生物相容性，与生物组织保持较好力学匹配，且器件性能应该有高灵敏度、响应时间快、检测限高和稳定性强等特点，并关注响应范围、压力分辨率、空间分辨率和拉伸性能等，这让柔性压力传感器有了更广应用前景。

柔性压力传感器的原理

压力传感器是传感器界中的重要组成部分，对柔性压力传感器来说， 机械与电气等性能极好，有着高灵活性，高灵敏度，高分辨率以及快速响应等特点，应用范围很广。结合柔性压力传感器工作机制的不同，主要包括压阻式、电容式和压电式等类型。

第一，压阻式柔性压力传感器。基于压阻效应的传感器受到外力作用后，将导致活性材料变形，促使内部导电材料分布与接触状态发生变化，活性材料电阻也将呈有规律变化状态。

第二，电容式柔性压力传感器。主要设置了平行板电容原理的装置，有着较广的动态范围，响应速度快，灵敏度也高。从工作机理上看，这类传感器受到外力作用后，平板电容器之间的距离将发生变化，电容也会相应改变。

第三，压电式柔性压力传感器。在某些介电材料朝着某个特定方向遇到外界作用力后， 内部将出现极化现象，造成两个相反表面形成相反的电荷，容易引起潜在的差异，即正/逆压电效应。基于电介质压电效应，可以研制出压电式柔性压力传感器。

柔性压电传感器是一种压电型传感器，使用能够形成压电效应的压电元件，分析工作原理可知，主要借助压电材料被外界载荷影响下形成的极化现象。对压电效应来说，在存在电场力条件下，外界载荷作用让石英晶体等电介质出行形变，电介质形变后将导致内部正负电荷出现偏移情况，表面上 也会带有极化电荷。压电效应包括正压电效应和逆压电效应两种，其设计原理流程图分别如图1和图2所示。

图1 正压电效应设计原理流程图

图2 逆压电效应设计原理流程图

柔性压力传感器的未来应用展望

01人工电子皮肤

当前在人工智能方面柔性压力传感器发挥的作用巨大，其中人工电子皮肤最有代表性，这是一种基于人体皮肤的科技产物，能够对人体感知体感信号的过程进行模拟。在遇到温度、压力、张力以及振动等外界刺激后， 通过及时的感应与响应，采取电信号方式传输各种体表刺激，由仿生受体信号接收部分进行接收，从而模拟人类感受外界刺激并向大脑传递生物信号的过程。现阶段人工电子皮肤主要在假肢、皮肤类药物研制等领域应用，受益人群是重度残疾与皮肤受损患者，极大推动了生物医用材料的发展。缺乏触觉的患者使用该传感器，能够具有与正常人相同的感知能力。

人造电子皮肤

02智能服装

在斯皮尔伯格的大作《头号玩家》中就构想一种基于柔性压力传感器的游戏服饰装备，能全方位的实现触觉感知，完美沟通二次元与三次元之间的信息传递。随着智能可穿戴产品的快速发展，在投入市场后备受消费者关注，在此背景下智能服装也逐步发展起来。现在服装功能性与智能性越来越强，在智能服装中所用纺丝不再以棉线、化纤等为主，更多的采用纤维状器件和电极，发挥其光学、电学等性质。分析柔性压力传感器应用现状可知，在检测应变范围与灵敏度等方面存在较大缺陷，特别是难以实现对人体全尺度应变的检测。但是在未来，随着材料技术的发展，目前所遇到的困难应该都是可以逐步解决的。

《头号玩家》剧照 《头号玩家》剧照

03运动防护

对柔性压力传感器来说，在运动防护中应用后，可以避免运动不当引起的人体损伤现象。柔性压力传感器能够将人体四肢关键肌腱群之间与皮肤的压力测量出来，并科学评估肌肉收缩紧张度与肢体位置。传感器还可以对运动员的姿态进行测量，有效判断姿态是否正确，在及时反馈后有利于运动员调整训练方案，实现成绩的提高。借助加速度传感器、陀螺仪将髋部、 膝盖和脚踝等屈伸角度测量出来，再与摄像机采集系统完成对照，并对比左右脚部位检测情况，结合角度曲线诊断人体姿态。

柔性压力传感器矩阵在智能跑步鞋上的应用

04可穿戴设备

可穿戴智能设备的发展与应用，将广泛应用于生理参数、运动、动作姿态、语音识别和环境等检测中。将压力传感器应用到地毯中，有利于医护人员与家人第一时间掌握老人、孩子等摔倒信息，便于尽快采取解救措施， 防止出现更严重事故。借助三维微电极，能够加强对人工智能设备的灵敏控制。儿童体温贴内附柔性压力传感器，便于实时监测婴幼儿体温。现在用最小的成本投入，提高柔性压力传感器的分辨力、灵敏度，保证响应更加迅速，能够完成对复杂信号的检测。

睡姿检测

结语

总之，柔性压力传感器作为一种新型柔性电子器件，能够对物体表面作用力大小进行有效的感知，并能够在各种不规则物体表面贴附，在应用于医疗健康、机器人和生物力学等方面后发挥着重要作用。近年来科学技术发展速度很快，柔性压力传感器因为具备较强的柔韧性，压力分布信息测量准确可靠，因而备受社会各界关注。因为微结构可以促使传感器灵敏度提升，有利于传感器弹性形变的快速恢复，快速响应能力也将提升。可见在柔性压力传感器未来发展过程中，可以采用微结构形式，提高其综合性能。

柔性压力传感器特性及应用

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