可穿戴電子設(shè)備領(lǐng)域已增加了對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)行測量，而在另一個(gè)軸上產(chǎn)生誤差。這可能會(huì)阻礙高級電氣系統(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)測量中產(chǎn)生很大的誤差，并使傳感器無法同時(shí)測量壓力和應(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)，然后對其進(jìn)行測量并將其轉(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)。這樣就可以測量壓力，而不會(huì)超出可靠的誤差范圍。它還允許傳感器測量壓力和應(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。

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