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2 mm×3 mm，厚0.9 mm,工作温度范围15～300 ℃，灵敏度小于 1 MPa），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400 mm×200 mm，厚度不超过0.15 mm，单个敏感线圈的外径为10 mm，实测的线圈电感值约为1 µH，电阻值约为2.5 Ω。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2 mm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0.5 mm）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0.14 mm

2，可以制作

1 600 cm2超过100 000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0～15 kPa到0～175 MPa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。 114 航 天 器 环 境 工 程 2009年第26卷增刊 图3 K-scanTM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GripTM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GripTM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1 m×1.2 m，点阵密度为4个压力敏感点/cm2，单点采样频率250 Hz，压力综合测量误

差≤5%F.S.，测量范围是10 ～5

000 kPa。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400～5 000 kPa，面积从2.5×10-5～1 m2，

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、