文 献 综 述
1、 引言
随着科学技术和现代化水平的提升，人们对压力的监测要求越来越高，不再局限于对规整刚性表面的压力监测，形式也多种多样，普通的刚性传感器已无法达到人们的实际需求。例如人们希望通过可穿戴，可贴敷甚至可植入等方式，实现对诸如心跳，脉搏，血压，呼吸等生理指标的实时监测，这些产品除了要兼顾准确性和安全性，也要考虑到人体佩戴的舒适性，能够承受人体各种日常动作，甚至大负荷运动而不过度影响传感器的性能指标[1-7],又如机器人仿生皮肤应用中，首先其厚度不能太大，一般在毫米级，其次必须具有较好的柔性才能适应机器人的各种动作，机器人通过它感知外部压力，识别接触物材质，检测外部湿度，温度等参数，以调节自身状态，完成各种复杂的任务，仿生机器人交互和认知能力的提升，极大依赖于仿生皮肤性能的提高[8-15]。而柔性压力传感器由于其可随意弯曲甚至折叠，体积小，厚度薄，柔性材料基本无毒无害，与人体具有良好的相容性，近年来柔性传感器阵列在医疗设备，智能机器人仿生皮肤，可穿戴设备等领域得到了大量的研究。柔性导电材料在多次循环载荷的作用下，性能不会出现明显下降，且具有可拉伸性、良好的导电性、高灵敏度以及可穿戴等特性[16]，突破传统材料对于电子产品的约束，因此各种柔性电子产品应运而生，例如柔性传感器[17,18]、柔性电子触摸屏[19]、电子皮肤[20]等。柔性应变传感器件一般可用于检测人体的某些生理活动，包括较大幅度的四肢弯曲运动以及较小幅度的脉搏和呼吸等，相关研究已经引起全球范围的广泛关注[21,22]。
在传感器研究中，传感器的敏感材料当属最重要的基础之一，敏感材料的性能对传感器的性能起决定性作用[23]。近年来在研究与开发传感器材料方面取得了较大的进步，特别是利用复合材料研制各种性能优良的新型传感器，这种材料将是敏感材料今后主要的发展方向之一。其中导电橡胶材料因其具有的良好柔韧性和优异导电性能逐渐受到研究者的广泛关注。通常橡胶高分子材料具有优异的电绝缘性，但在某些场合这种优越性却变成其不足之处[24]。为了使橡胶高分子材料满足既导电又弹性要求高的电气应用场合的需求，导电橡胶材料开始诞生；它是由具有导电性能的粒子作为填料，填充到橡胶基体中，通过一定工艺方法制备的一种复合型功能材料[25]。由于导电橡胶既具有橡胶本身的柔韧性又具有一种独特的导电性能，因此，导电硅橡胶材料这种优异的性能可以用来作为一种测量装置，能够检测物体表面作用力大小及分布情况。由于导电橡胶既具有橡胶本身的柔韧性又具有一种独特的导电性能，因此，导电硅橡胶材料这种优异的性能可以用来作为一种测量装置，能够检测物体表面作用力大小及分布情况。
2、 柔性压力传感器简介
压力传感器通常用于测量两个刚性表面间接触力大小。组成压力传感器的敏感材料和导电电极都为刚性的。但随着工作环境不断趋于复杂多样化，普通的刚性压力传感器无法测量复杂形状物体表面接触应力分布，已经无法再满足人们的某些特殊的生产生活需求（例如人工皮肤等），而柔性压力传感器除了拥有刚性压力传感器的特点，同时具备着很好的柔韧性，能够随意卷曲或是弯折，它可以检测任意两个柔性接触面或者一刚一柔两个接触面之间表面作用力的分布，一般为平面结构，质软，较薄。目前国内外学者研究的柔性压力传感器类型主要集中在：压阻式，压电式和电容式，它们的基本原理如图 2.1 所示，除了以上较常见的三种类型，柔性传感器还有超声波式[26]，电磁式[27]，光电式[28]等，由于这些类型的传感器需要较高的制作成本，制作工艺复杂并且柔韧性不够，不适合大面积集成开发，对此类柔性传感器的研究相对较少，随着应用越来越广泛，目前柔性压力传感器已不再局限于对单点的压力监测，正由点到面朝着大面积，高密度，集成化，透明化等方向发展[4]。
图2.1 压电式、压阻式、电容式传感器基本原理
2.1 压电式柔性压力传感器[29-31]
依据压电原理，对某些压电材料施加一定的压力而使其发生形变时，材料内部会发生极化现象，即在材料两个表面上，出现一定的电位差。当压力的方向改变时，材料两个表面的电荷极性也将随之改变，这称为正压电效应，根据电位差的大小，即可推算出外部压力的大小。当在材料的极化方向上，施加一定的电场，材料会发生一定的形变，当电场撤销后，随即恢复原形，这称为逆压电效应。基于压电效应而研制的一类传感器称为压电式传感器。
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