超越人类的“电子皮肤”——触觉传感器
2016-11-03 21:16:39   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

超越人类的“电子皮肤”

触觉是接触、滑动、压觉等机械刺激的总称。多数动物的触觉器是遍布全身的，像人类皮肤位于人的体表，并且遍布全身，触觉器有很多种，有的感觉冷热，有的感觉痛痒，还有的感觉光滑或是粗糙，不同部位的皮肤对不同个东西的触觉不一样，这是因为不同感受器分布的数量和种类不同。人类的脸部、嘴唇、手指等部位的各种感受器很多，所以这些部位的感觉很敏感。

人类皮肤的感知都是定性却无法定量。而触觉传感器可以模仿人类皮肤，更让人惊叹的是，还可以把温度、湿度、力等感觉用定量的方式表达出来，甚至可以帮助伤残者获得失去的感知能力。比如今年韩国首尔大学开发出一款新型毛状电子皮肤，能使机器人快速分辨出呼吸引起的轻微空气波动或者微弱地心跳震动。这款传感器甚至比人类皮肤更敏感，能够广泛应用于假肢、心率监视器以及机器人。

韩国首尔大学开发的新型毛状电子皮肤

细说各种触觉传感器

触觉传感器的种类很多，如湿度传感器、温度传感器、力传感器、触摸屏等，它们都可以模拟皮肤的某一方面的感知功能。但是它们是怎么工作的呢？接下来我们就一一道来。

湿度传感器

湿度传感器基于不同的原理有多种类别：电容式、电阻式、重力测量式、微波式等；而基于敏感材料的不同又可分为：半导体氧化物、高分子材料、多孔的有机或无机材料等。湿敏元件是最简单的湿度传感器，主要有电阻式和电容式两大类。

电阻式湿敏传感器：湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电阻的优点是灵敏度高，缺点则是线性度和产品的互换性差。湿敏电阻的种类很多，例如金属氧化物湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等。其湿敏材料以多孔陶瓷种类最多。

多孔硅湿敏电阻元件结构示意图和传统多孔陶瓷湿敏电阻元件结构示意图

电容式湿敏传感器：湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酞亚胺、酪酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。

电容式湿敏传感器结构及特性

温度传感器

温度是与人类生活息息相关的物理量，温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件，在种类繁多的传感器中，温度传感器是应用最广泛、发展最快的传感器之一。温度传感器的物理原理很多种：随物体的热膨胀引起的体积变化、蒸汽压温度变化、电极温度变化、热电偶电动势、光电效应、热点效应、介电常数和导磁率的温度变化、物质变色、热放射、热噪声等等。常见的有热电阻、热敏电阻、热电偶、红外温度传感器等。

金属热敏电阻传感器简称热电阻传感器，自然界多数纯金属导体的电阻会随着温度的变化而变化，作为测量用的热电阻材料则必须满足电阻温度系数高、物理化学稳定性高、自身电阻率高和输出特性好等特点。市场上常用的金属有铂（Pt）、铜（Cu）、镍（Ni）等。

镍薄膜金属热电阻传感器结构示意图

热敏电阻是由一些金属氧化物的粉末（NiO、MnO、CuO、TiO等）为基体原料，加入一些添加剂，采用陶瓷工艺制成。通过不同材质的混合，能得到不同电阻值的热敏电阻和不同的温度特性。按电阻随温度变化的典型分为正温度系数热敏电阻（PTC）、负温度系数热敏电阻（NTC）和临界温度系数热敏电阻（CTR）三种。

热敏电阻的电阻-温度特性

热电偶：两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同，则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。

热电偶结构示意图

红外温度传感器：任何物体表面都会辐射红外线。红外温度传感器原理可参考此文中：超越人类的电子眼——视觉传感器。

力传感器

力传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。

固体受到作用力后，电阻率会发生变化，这种效应称为压阻效应，半导体材料的这种效应特别强。制作工艺为在硅膜片上利用集成电路工艺方法扩散出四个阻值相等的电阻，形成平衡电桥。硅膜片的四周用圆硅环固定，其下部是与被测系统相连的高压腔，上部一般可与大气相通。在压力的作用下，膜片发生应力和应变，通过电阻值变化测试出压力的大小。

压阻式压力传感器结构示意图

触摸屏

触摸屏按原理分为电容式触摸屏和电阻式触摸屏。

电阻式触摸屏是利用压力感应进行控制，将矩形区域中触摸点（X, Y）的物理位置转换为代表X坐标和Y坐标的电压。电阻式触摸屏的主要部分是一块与显示器表面非常配合的电阻薄膜屏，这是一种多层的复合薄膜。它以一层ITO（铟锡氧化物）玻璃或塑料平板作为基层，表面涂有一层导电层，上面再盖一层经过硬化处理、光滑防擦的塑料层，它的内表面也涂有一层透明导电层。当手指触摸屏幕时，两层导电层在接触点就有了接触，从而发生电阻变化。

电阻式触摸屏结构示意图

电容式触摸屏是利用人体电场，当手指触摸时，屏幕表面行/列交叉处感应单元的互电容（耦合电容）发生变化，则检测出该点位置。

双面ITO投射电容触摸屏示意图单面ITO投射电容触摸屏示意图

应用领域花样百出，叹为观止

人体皮肤的触觉的多样性和复杂性决定了触觉传感器的品种多样性，应用方式一直推陈出新，你永远无法预测下一种应用方式会是哪种新奇的玩法！

温湿度传感器的传统除了用在车间、高铁车厢、无线冷链车、空调电器等身边的传统领域，我们还看到一些的新奇特应用。比如2015年，英国研究人员最新研制出一个精确性极高的体温传感器，这项技术已经在医学领域显示出巨大的应用潜能，尤其是可以用来开发一种帮助女性怀孕的工具。荷兰爱因霍芬科技大学的研究人员开发出一种无线温度传感器，可利用同样用于通讯的毫米波波长进行供电。利用这款传感器特别开发的无线路由器，在芯片上搭载一根天线，可从毫米波讯号中同时获取能量与信息。

如今大热的工业互联网（lloT）中重要的角色就是工业机器人。著名汽车制造商比如特斯拉、宝马等等的车间几乎见不到一个人，全靠工业机器人实现组装、喷漆、检测等工作。今年富士康在国内引进数千机器人取代工人更是证明了未来制造业采用工业机器人是大势所趋。力传感器赋予机器人的手腕触觉。力传感器安装在机器人和它操作的机台之间，这样两者间的所有力都能被机器人和机台感知和监控。

特斯拉汽车生产线采用工业机器人实现自动化

你是否想拥有一款键盘可以自由定制，根据你对电脑的使用需求来更改键盘布局？2015年问世的一款新型的键盘产品“101touch”，其特色在于键盘完全是一块可定制的触摸屏，你可以根据电脑使用需求来更改键盘布局，来适应不同的需求，如打字、游戏操作、视频播放编辑等等，甚至变成一款专为儿童设计的卡通键盘。

可以自由定制的“触摸屏”键盘

触觉传感器的应用领域不乏很多成熟的领域，大量概念成熟待应用的领域，当然还存在无穷无尽的未开垦的领域。11月8日，在上海新国际博览中心举办的『第二十届“微言大义”研讨会：超越人类的电子五官』，将带你领略触觉传感器的无穷魅力。届时，烨映电子创始人徐德辉、芯什达电子CEO丁俊将分别带来《隔空测温，冷暖先知》和《感知触摸屏，iPens新时代书写利器》的精彩演讲。如果你想了解更详细的信息，请登录会议官网报名参会：www.MEMSeminar.com