日本科學家研發(fā)在測量應變和壓力時可拉伸的硅膠傳感器

　　最近可穿戴電子領(lǐng)域的創(chuàng)新加大了對柔性和可拉伸電子系統(tǒng)的研究。

　　雖然傳統(tǒng)的基于CMOS的元件領(lǐng)域數(shù)十年來的工作使其大幅小型化，但這些器件仍然是脆性和不靈活的。雖然它們可以被放置在柔性PCB基板上以實現(xiàn)一定程度的靈活性，但這種解決方案不會很快實現(xiàn)真正的體形器件。

　　因此，全球的研究人員和設計工程師一直在尋找不同的方法，在設備層面創(chuàng)建完全柔性的電子元件，特別是可穿戴式傳感器，它們在消費、工業(yè)、國防和醫(yī)療技術(shù)等一系列領(lǐng)域都有一些有用的應用。

　　拉伸式傳感器

　　不過，可拉伸物理傳感器有一個固有的問題--彈性。當可拉伸傳感器的彈性太大，拉伸太遠時，不必要的相互作用會導致一個軸的測量結(jié)果在另一個軸上產(chǎn)生誤差。這可能會阻礙先進電氣系統(tǒng)（如可穿戴設備和軟機器人）的關(guān)鍵發(fā)展進度。

　　例如，一個完全正常和有規(guī)律的運動，如肘部或膝蓋的彎曲，可能足以將傳感器推到超出其結(jié)構(gòu)完整性。這就會在壓力運動測量上產(chǎn)生很大的誤差，使傳感器無法同時測量壓力和應變。

　　壓力和應變傳感由每個運動獨立控制

　　壓力傳感器（傳感器）的工作原理是利用恒定面積的傳感元件，對流體壓力施加的力作出反應。施加的力使傳感器的膜片發(fā)生偏轉(zhuǎn)，然后進行測量并轉(zhuǎn)換為電輸出。

　　如果傳感器的其中一個軸偏離了足夠大的系數(shù)（例如，因為它被拉伸得太遠），這將導致不準確的讀數(shù)，因為壓力(P)是通過將力(F)除以面積(A)來計算的-P=F/A.

　　在消費類可穿戴設備中，這些不準確的數(shù)據(jù)會給用戶帶來困擾。在醫(yī)療或安全關(guān)鍵型應用中，它們可能是危險的。

　　讓傳感器回彈

　　日本橫濱國立大學(YNU)的研究人員聲稱已經(jīng)找到了解決這一問題的方法，他們提出了一種 “壓力和應變傳感器的單片陣列”，能夠同時并獨立地檢測運動的力和彎曲變形。

　　在發(fā)表的論文中，研究人員描述了使用兩種不同的材料，一種是軟的，一種是硬的，來保護傳感器既能拉伸又能精確測量運動的能力。在陣列上沿著電極放置了一個硬硅膠（PDMS），在每個放置的核心位置，他們放置了能感知壓力的軟多孔硅膠。

　　硅膠基板，是由兩種不同類型的硅制成，一種是硬硅，一種是軟硅。較硬的硅膠（PDMS）可以抑制壓力傳感元件在應變下的變形。圖片使用由橫濱國立大學Hiroki Ota提供。

　　"壓力感應元件周圍的PDMS可以防止元件在開發(fā)裝置張力過程中出現(xiàn)大的變形。"論文作者、YNU工程學院副教授Hiroki Ota說。

　　PDMS核心的軟性多孔硅膠壓力中心受到PDMS硬殼的保護。這使得它可以測量壓力的力，而不會被過度拉伸超過可靠的誤差范圍。它還允許傳感器測量壓力和應變，作為運動的獨立貢獻者。

　　通過可彎曲傳感器了解人體運動

　　此外，在映射陣列的矩陣中，列電極和行電極的電阻比壓力傳感器的電極低?！斑@種基質(zhì)和電極電阻的控制可以防止設備的拉伸變形影響壓力的傳感。”O(jiān)ta補充道。

　　可拉伸陣列中的電極可以以低于檢測壓力所需的速率測量應變，從而實現(xiàn)壓力和應變的獨立感應。

　　研究人員計劃將他們的傳感器應用于物理鍵盤，并將其安裝在人體上。他們表示，這種鍵盤將能夠隨著人體的彎曲而彎曲，并且仍然能夠檢測到指尖的壓力。他們還希望利用該傳感器進一步了解人類手部的觸摸和運動。