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2.5Ω。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。