可穿戴電子設(shè)備領(lǐng)域已增加了對(duì)柔性和可拉伸電子系統(tǒng)的研究。

盡管在傳統(tǒng)的基于CMOS的組件領(lǐng)域中數(shù)十年的工作價(jià)值導(dǎo)致了極大的小型化，但這些設(shè)備仍然脆弱且不靈活。盡管可以將它們放置在柔性PCB基板上以實(shí)現(xiàn)一定程度的靈活性，但該解決方案不會(huì)很快實(shí)現(xiàn)真正與人體貼合的設(shè)備。

因此，全球的研究人員和設(shè)計(jì)工程師一直在尋找在設(shè)備級(jí)別創(chuàng)建完全靈活的電子組件的不同方法，特別是可穿戴式傳感器，這些傳感器在一系列消費(fèi)，工業(yè)，國防和醫(yī)療技術(shù)中具有多種有用的應(yīng)用。

“可拉伸”式傳感器

可拉伸的物理傳感器存在一個(gè)固有的問題——彈性。當(dāng)可伸縮傳感器的彈性太強(qiáng)且延伸得太遠(yuǎn)時(shí)，不必要的相互作用會(huì)導(dǎo)致在一個(gè)軸上進(jìn)行測(cè)量，而在另一個(gè)軸上產(chǎn)生誤差。這可能會(huì)阻礙高級(jí)電氣系統(tǒng)（如可穿戴設(shè)備和軟機(jī)器人）的關(guān)鍵開發(fā)的進(jìn)展。

例如，完全正常且規(guī)則的運(yùn)動(dòng)（例如肘部或膝蓋的彎曲）足以將傳感器推到其結(jié)構(gòu)完整性之外。這會(huì)在壓力運(yùn)動(dòng)測(cè)量中產(chǎn)生很大的誤差，并使傳感器無法同時(shí)測(cè)量壓力和應(yīng)變。

壓力傳感器（換能器）通過使用恒定面積的傳感元件來工作，并對(duì)流體壓力施加到其上的力做出響應(yīng)。施加的力使換能器的膜片偏轉(zhuǎn)，然后對(duì)其進(jìn)行測(cè)量并將其轉(zhuǎn)換為電輸出。

如果換能器的一根軸偏離了足夠大的倍數(shù)（例如，因?yàn)樗呀?jīng)被拉伸得太遠(yuǎn)了），這將導(dǎo)致讀數(shù)不準(zhǔn)確，因?yàn)閴毫Γ≒）是用力（F）除以面積（A）來計(jì)算的， P = F / A。

在消費(fèi)者可穿戴設(shè)備中，這些不準(zhǔn)確之處將給用戶帶來煩惱。在醫(yī)療或安全至關(guān)重要的應(yīng)用中，它們可能很危險(xiǎn)。

使傳感器具有柔性

日本橫濱國立大學(xué)（YNU）的研究人員聲稱找到了一種解決該問題的方法，提出了一種“壓力傳感器和應(yīng)變傳感器的整體陣列”，該傳感器能夠同時(shí)獨(dú)立地檢測(cè)運(yùn)動(dòng)的力和彎曲變形。

研究人員使用兩種不同的材料（一種軟材料和一種硬材料）來保護(hù)傳感器伸展和準(zhǔn)確測(cè)量運(yùn)動(dòng)的能力。將硬硅樹脂（PDMS）沿著電極放置在陣列上方，并且在每個(gè)放置的核心處，他們都放置了可感知壓力的柔軟的多孔硅樹脂。

YNU工程學(xué)院副教授Hiroki Ota表示：壓力感應(yīng)元件周圍的PDMS可以防止在產(chǎn)生的設(shè)備張力期間元件發(fā)生大的變形。

PDMS核心處的柔軟的多孔硅壓力中心受PDMS的硬殼保護(hù)。這樣就可以測(cè)量壓力，而不會(huì)超出可靠的誤差范圍。它還允許傳感器測(cè)量壓力和應(yīng)變，這是運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立因素。

通過可彎曲傳感器了解人體運(yùn)動(dòng)

映射陣列矩陣中的列電極和行電極的電阻低于壓力傳感器的電極。這種基板和電極電阻的控制可以防止器件的拉伸變形影響壓力感測(cè)。

可拉伸陣列中的電極可以以比檢測(cè)壓力所需的速率更低的速率測(cè)量應(yīng)變，這使得能夠獨(dú)立感測(cè)壓力和應(yīng)變。

研究人員計(jì)劃將他們的傳感器應(yīng)用于物理鍵盤，并將其安裝到人體上。他們說，這種鍵盤將能夠隨著身體彎曲而仍能檢測(cè)到指尖的壓力。他們還希望使用傳感器進(jìn)一步了解人手的觸摸和運(yùn)動(dòng)。
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