1、，.，.基金项目：国家自然科学基金（；）；重庆市教委项目科学技术研究项目（重点项目）（）；重庆市科技局项目（自科）重庆市技术创新与应用示范专项（重点项目）（）（，），（），（）；：.电阻式柔性触觉传感器的研究进展杨平安，刘中邦，李 锐，屈正微，黄 鑫，寿梦杰，杨健健，熊雨婷 重庆邮电大学自动化学院，重庆 中国人民解放军军事科学院防化研究院，武汉 电阻式柔性触觉传感器具有柔韧灵敏、简单可靠、检测范围广、易于集成化等特点，在触觉感知、人机交互、医疗健康等传感应用领域占据着极其重要的地位，具有广阔的应用前景。随着电阻式柔性触觉传感器的发展，其制备技术和结构设计愈加精密成熟，打印技术的应用以及各类微结
2、构的设计使传感器柔韧性和灵敏性得到了极大的提高。然而，目前高性能电阻式柔性触觉传感器的制作工艺仍旧十分复杂，严重限制了其批量生产的能力。再加上电阻式柔性触觉传感器不能实现剪裁拼接、高效低耗等功能，因而无法满足人们对其大面积覆盖和高密度触觉感知的期望。此外，就性能而言，电阻式柔性触觉传感器也难以实现高柔与高敏的兼顾效果，在传感上仍有局限性。为了解决这些难点，众多国际学者在柔性衬底材料、导电敏感材料的选择，以及敏感单元、阵列结构的设计上进行了大量的研究，搭建电子皮肤触觉感知系统。如今，电阻式柔性触觉传感器已经朝着微型化、集成化、自愈合、自清洁、生物适应、生物降解、神经接口控制等方向发展，并在多功能
3、传感上取得了卓越成果。本文首先介绍了电阻式柔性触觉传感器的检测原理和性能指标，然后从材料选择、结构设计和性能优化方面概述了电阻式柔性触觉传感器的研究现状和关键技术，讨论了其在触觉感知、人机交互、医疗健康等领域的相关应用，最后指出了目前电阻式柔性触觉传感器研究所存在的技术难题，并对其未来发展进行了展望。关键词 电阻式柔性触觉传感器 柔性衬底 敏感材料 结构设计 性能优化中图分类号：文献标识码：，；，引言传感器作为一种采集检测、转换传递信息的装置，能够将不可被直接测量的目标信号按照特定的规律方式转换成可测量的电信号或其他信号输出。而作为智能设备感知外界环境的核心基础元件，触觉传感器的主要任务便是为
4、设备在工作中与目标对象、外界环境相互作用时，感知检测其诸如位置、形状、大小、刚度、粗糙度等一系列的物理特征量。然而，传统的触觉传感器主要以各种刚性材料为敏感元件，因此即使技术已经成熟，能够满足高精度和宽量程 的需求，但依旧存在笨重、硬脆的缺点，无法应用于柔性人机交互与便携可穿戴智能设备中。与“刚性”相对应，“柔性”是指触觉传感器具备类似于人类皮肤的特性，拥有可延展、可弯曲的柔韧性，可以适应任意载体形状，利于测量物体表面受力信息、感知目标物体性质特征。正是基于这些特点，柔性触觉传感器受到了国际社会的广泛关注。目前，柔性触觉传感器按工作原理可分为电阻式、电容式、电感式、压电式、摩擦生电式等。其中，
5、拥有高精度、高灵敏度、宽量程、结构简单、稳定可靠、易于小型化、过载承受能力强等优势的电阻式柔性触觉传感器早已成为众多学者们的研究重点。年，便利用电阻式柔性触觉传感阵列，制备出面向关节式机械手的触觉传感系统。虽然该触觉传感系统的单元模型较为简陋，柔韧性不高，但是迈出了研究电阻式柔性触觉传感器的重要一步。直到 年，等才采用一种压敏导电橡胶传感器来研究桡尺腕关节的压力分布。可以说，橡胶材料的引入极大增强了传感器的柔韧性，为后续几十年内的电阻式触觉传感器的发展起到关键的引领作用。之后，随着 打印技术的兴起，传感器的敏感单元制备也逐渐开始走向精细化、图案化发展，开始探索高性能电阻式柔性触觉传感器的新征程
6、。年，大阪府立大学的 等采用接触打印的方法，基于锗壳 硅核半导体纳米线阵列，制备出拥有 线性工作范围的高性能电子皮肤。如今，在电阻式柔性触觉传感器的研究上，学者们已经取得卓越显著的成果。不论是从衬底材料、敏感材料上的选择，还是从单元结构、集成阵列上的设计，电阻式柔性触觉传感器的制备技术逐渐成熟，功能也愈加多样化。除了能够检测压力、拉力之外，众多电阻式柔性触觉传感器还可以检测摩擦力、扭转力、弯曲力、温度、湿度、接近度等物理刺激，有的甚至还具备透明、磁敏、自愈合等特点。性能上的高精化和功能上的多样化，使其逐步从感知物体受力到监测姿势动作、面部表情、生理健康，再到建立触觉感知系统、防护外界环境干扰、
7、辅助医疗健康监测等方向迈进。本文主要综述了电阻式柔性触觉传感器的检测原理、性能指标、材料选择、结构设计及应用领域，最后指出了目前电阻式柔性触觉传感器研究所存在的技术难题，并展望了电阻式柔性触觉传感器的发展。电阻式柔性触觉传感器的原理及性能 电阻式柔性触觉传感器的检测原理电阻式柔性触觉传感器在检测原理方面可以大致分为压阻式柔性传感和电阻应变式柔性传感两种机制。虽然外界刺激都能导致二者产生电阻响应，且都能通过检测电阻值变化程度来测量输入信号大小，但是其原理并不相同。压阻式柔性传感压阻式柔性传感是指利用单晶硅材料的压阻效应制成的电阻式柔性触觉传感器。压阻效应是指当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形
8、，使载流子从一个能谷向另一个能谷散射，引起载流子的迁移率发生变化（见表 插图），扰动载流子纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化的现象。这种变化随晶体的取向不同而异，因此硅的压阻效应与晶体的取向有关。表 压阻式柔性传感与电阻应变式柔性传感的对比 原理原理示意图机制区别优点缺点压阻式柔性传感电阻随压力的变化主要取决于电阻率灵敏度与精度高；易于小型化和集成化；结构简单可靠，鲁棒性好；动态特性好压敏电阻漏电流稳定性差；不易实现微型化；功耗高；易受噪声影响；接触表面易碎电阻应变式柔性传感电阻随压力的变化主要取决于应变精度高，测量范围广；使用寿命长，性能稳定可靠；结构简单，体积小，质量小；频率响应
9、较好，可用于静态和动态测量；价格低廉具有较大非线性；输出信号较弱 与传统压阻式传感器不同的是，压阻式柔性触觉传感器虽然同样使用硅晶体作为敏感材料，但是选择更具有柔韧性的衬底，使之具有更好的变形能力。当压阻式柔性触觉传感器中的单晶硅材料在力的作用下，其电阻率会发生相应变电阻式柔性触觉传感器的研究进展 杨平安等 化，此时通过惠斯通电桥外接测量电路便可得到随着力变化的电信号输出。目前常见的压阻式柔性触觉传感器多利用导电复合材料的量子隧穿效应（即外界激励下复合材料电阻率的变化）来实现传感器电阻值变化的测量。压阻式柔性触觉传感器可用于检测压力、拉力以及可以转变为力的变化的其他物理量（例如质量、应变等）。
10、电阻应变式柔性传感电阻应变式柔性传感是以电阻应变计为转换元件的柔性触觉传感器。电阻应变式柔性传感由弹性元件和敏感单元组成，可根据具体测量要求设计成多种结构形式。敏感单元是指能将工程构件上的应变（即尺寸变化）转换成为电阻变化的变换器，即敏感单元发生的形变会使其不同区域产生不同程度的收缩或舒张，使得内部导电材料变得更加紧密或疏远，引起导电通路结构的变化，最终表现为整体电阻的降低或升高。其用公式可表述为：（）式中：为敏感元件的电阻值（），为敏感元件的电阻率（），为敏感元件的长度（），为敏感元件的横截面积（）。同样，相比于传统的电阻式应变传感器，电阻应变式柔性触觉传感器由于柔性材料的选择使用，具有更强
11、的柔韧灵活性。基于此，在工作时弹性元件受到力的作用而发生变形后，附着其上的敏感单元能够在较小的应变力下产生更大的形变，由此具有更高的传感能力。此时，敏感单元再将形变转换为电阻值的变化，从而可以测量压力、应力、加速度、温度等多种物理量。压阻式柔性传感与电阻应变式柔性传感的不同之处在于，前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化，而后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化（应变）。电阻式柔性触觉传感器的性能参数 柔韧性对电阻式柔性触觉传感器来说，最大的特点就是其可形变能力。通常学者们使用应变范围和断裂伸长率来作为评价其柔韧性的参数。应变通常用以下公式表示：（）（）式中：表示电阻式柔性触觉传感器变形
12、后的长度（）；表示传感器的原始长度（）。而应变范围是指电阻式柔性触觉传感器不发生断裂且维持传感性能的最大形变范围。其中，电阻式柔性触觉传感器发生断裂的应变被称为断裂伸长率 ，其公式如下：（）（）式中：表示电阻式柔性触觉传感器拉伸后的最大长度（）；表示传感器的原始长度（）。在电阻式柔性触觉传感器中，柔韧性主要取决于衬底材料的弹性。众多衬底材料中，柔韧性较为出色的衬底材料有聚二甲基硅氧烷（，）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（，）、聚氨酯（，）、共聚酯（）等。此外，降低传感器厚度、降低传感器杨氏模量、优化传感器结构设计等方法都可以提高电阻式柔性触觉传感器的柔韧性。灵敏性学者们常使用灵敏度 来评价电阻式柔性触
13、觉传感器的传感性能优劣，其由式（）表示：（）（）除此之外，还可用灵敏因子 来描述传感器的灵敏性，它体现了传感器在单位输入下的输出响应的变化程度，由式（）表示：（）（）式（）和式（）中：表示施加激励后传感器的物理响应；表示传感器的初始物理量；表示对传感器施加的激励大小。除了灵敏度外，学者们还会通过电阻式柔性触觉传感器的应变与电阻值变化的关系来描述其灵敏性，即应变因子（，）。的表达式如下：（）（）式中：表示传感器发生的应变（）；表示在应变下的物理响应（）；表示传感器的初始物理量（）。电阻式柔性触觉传感器中的敏感材料是决定其灵敏性的主要因素。通常，敏感材料的导电性越好，其灵敏度越高，对外界激励的响应
14、能力越强。众多敏感材料中，导电性能出众的敏感材料有银纳米线、石墨烯（）、碳纳米管（）、单晶硅（）等。此外，也可以通过改良导电填充物的质量配比、优化敏感单元的结构设计、降低初始电信号强度、采用新型的传感材料、引入非稳细小微裂纹等方法改善电阻式柔性触觉传感器的灵敏性。分辨率分辨率是指电阻式柔性触觉传感器可感受到的被测量的最小变化的能力。如果输入量从某一非零值缓慢变化，当输入值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生改变，则认为传感器对此输入量的变化无法分辨。只有当输入量的变化超过分辨率时，其输出才会发生变化。通常传感器在满量程范围内各点的分辨率并不相同，因此在传感器满量程 中，通常使用能使输出量产生
15、阶跃变化的输入量中的最小变化值 作为衡量分辨率的指标。该指标若用满量程的百分比表示，即 ，称为分辨率。对电阻式柔性触觉传感器而言，为了更好地模拟人体皮肤对环境空间、压力、应力等诸多因素的感应，则需要尽可能地提高其分辨率大小。对空间分辨率而言，学者们大多采用增加单元个数、缩小单元尺寸、制备阵列式触觉传感器的方法，。此外，在一些极低压和极高压环境中，为了更好分辨力的变化大小，对分辨率的要求也十分严苛。需要指出的是，分辨率是一个比灵敏度更为重要的参数，灵敏度只是一个相对量，而分辨率却能够直接反映传感器对刺激的响应能力。通常，学者们常在敏感单元的材料选择和微结构设计上做足研究，在不断提高传感器工作范围
16、的同时不断优化分辨率。稳定性稳定性是指电阻式柔性触觉传感器的性能随着时间或使用次数的增加保持不变的能力。传感器的稳定性可以用材料导报，（）：计量特性经过规定的时间或规定使用次数后所发生的变化量来进行定量表示。在四个月的时间间隔或 次的周期循环下，对电阻式柔性触觉传感器的性能进行检测，若其检测量之间的波动幅值极小，则可视其稳定性良好。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，还有传感器所处的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器还必须要有较强的环境适应能力。而传感器本身的环境适应能力也可以通过材料选择（疏水、耐腐、耐摩擦材料）和结构设计两方面来进行提高，使得传感器具有疏水性、抗氧化性、抗腐蚀性等。线性响应范围线性响应范围是指在电阻式柔性触觉传感器工作范围之内，能够输出线性度良好的信号的范围。而线性度则是描述电阻式柔性触觉传感器静态特性的一个重要指标，以被测输入量处于稳定状态为前提。在规定条件下，传感器校准曲线、拟合直线间的最大偏差（）与满量程输出（）的百分比被称为线性度，该值越小，表明线性特性越好，公式如下：（）此外，也可以用线性拟合系数 来描述线性特性，数值越大，代表线