編輯按：

本文作者John Jutila，是 Tekscan 公司的首席執(zhí)行官，Tekscan成立于1987年，是全球觸覺傳感領(lǐng)域的先驅(qū)和領(lǐng)先企業(yè)。Tekscan專注于柔性薄膜壓力傳感器技術(shù)，其核心產(chǎn)品采用壓阻式技術(shù)路線，技術(shù)源頭可追溯至麻省理工學(xué)院人工智能實(shí)驗(yàn)室。本文將從觸覺傳感的演變與發(fā)展軌跡、推動觸覺傳感器未來發(fā)展的應(yīng)用、創(chuàng)新/制造和路線圖、傳感器連接與分析等四部分，講述全球觸覺傳感器產(chǎn)業(yè)的最前沿發(fā)展，探討制造技術(shù)的突破、不斷增長的需求、新的應(yīng)用以及戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系將如何徹底改變觸覺傳感器的未來。

本文原標(biāo)題為《The Next Decade of Tactile Sensing》，發(fā)表于《ElectronicDesign》，本文僅做編譯，版權(quán)歸屬原作者及媒體所有，轉(zhuǎn)載本譯文請注明傳感器專家網(wǎng)來源。

專家檔案

John Jutila ， Tekscan 公司首席執(zhí)行官，該公司是觸覺傳感器解決方案的全球領(lǐng)導(dǎo)者。John 此前曾擔(dān)任 Ripley Tools（一家基礎(chǔ)設(shè)施安裝解決方案供應(yīng)商）和 Champion ONE（一家光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)公司）的首席執(zhí)行官，并在諾基亞擔(dān)任過多個職位，包括全球戰(zhàn)略聯(lián)盟戰(zhàn)略與運(yùn)營副總裁、歐洲、中東和非洲地區(qū)戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)部門首席運(yùn)營官以及北美光纖解決方案部門總裁。John亦在旭化成AK/Polypore、InterDigital和惠普/EDS等公司擔(dān)任重要高管職位。他擁有格勒諾布爾高等商學(xué)院的工商管理博士學(xué)位（DBA）、托萊多大學(xué)的工商管理碩士學(xué)位（MBA）以及沃頓商學(xué)院的風(fēng)險(xiǎn)投資管理學(xué)士學(xué)位（BBA）。

一、觸覺傳感的演變與發(fā)展軌跡

三十多年來，作為觸覺傳感領(lǐng)域的先驅(qū)，Tekscan始終處于市場創(chuàng)新和應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)先的前沿。Tekscan起源于麻省理工學(xué)院工程師開發(fā)的突破性薄膜柔性壓力傳感器原型（見圖），此后，Tekscan對市場動態(tài)和應(yīng)用需求有了深刻的理解。

▲這些是1983年由包括Tekscan創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官RobPodoloff在內(nèi)的團(tuán)隊(duì)開發(fā)的原始壓力映射觸覺傳感器原型，當(dāng)時Rob Podoloff是麻省理工學(xué)院人工智能實(shí)驗(yàn)室的一名工程系學(xué)生。(照片由Rob Podoloff提供)

這項(xiàng)專業(yè)知識凸顯了各種因素即將匯聚——一場“完美風(fēng)暴”——傳感器創(chuàng)新與制造技術(shù)的進(jìn)步相結(jié)合，滿足了由需求驅(qū)動的不斷增長的市場空間。

展望未來，在制造技術(shù)的突破和這些技術(shù)日益融入日常產(chǎn)品的推動下，觸覺傳感器行業(yè)正處于重大變革的邊緣。隨著我們不斷突破技術(shù)極限，創(chuàng)新研究與商業(yè)成功之間的差距有望縮小，從而開啟一個前所未有的更靈敏、更適應(yīng)、更集成化的傳感器技術(shù)新時代。

自誕生以來，觸覺傳感市場一直在穩(wěn)步發(fā)展。如同任何演進(jìn)過程一樣，其發(fā)展歷程也呈現(xiàn)出時而平穩(wěn)、時而劇烈波動的特點(diǎn)。這促使新的應(yīng)用領(lǐng)域迅速發(fā)展，隨后這些應(yīng)用領(lǐng)域逐漸成熟穩(wěn)定，直至下一次顛覆性變革的到來。 在此過程中出現(xiàn)的變革性變化包括導(dǎo)電油墨和電阻油墨的進(jìn)步、能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時可編程邏輯的改進(jìn)型FPGA 模塊，以及導(dǎo)致數(shù)據(jù)分析和用戶界面快速發(fā)展的開源軟件等等。

過去十年，商業(yè)應(yīng)用增長相對穩(wěn)定（不計(jì)全球疫情的影響），但這種情況即將發(fā)生變化。

觸覺傳感市場即將迎來技術(shù)和市場力量的融合，這將在未來十年顛覆并加速該行業(yè)的發(fā)展。這主要?dú)w因于以下幾個因素：

1）創(chuàng)新：在過去的十年里，觸覺傳感器創(chuàng)新引擎一直高速運(yùn)轉(zhuǎn)，以支持新興增長市場應(yīng)用，包括觸摸屏、游戲控制、機(jī)器人、醫(yī)療可穿戴設(shè)備和其他市場。

2）制造技術(shù)的進(jìn)步：制造更復(fù)雜的印刷柔性電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的能力，以及標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的更高效規(guī)模化生產(chǎn)能力，將與新的生產(chǎn)投資相結(jié)合，以推動增長。

3）市場接受度提高：隨著行業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大和觸覺傳感技術(shù)的商業(yè)化，可用性的提高和制造成本的降低將推動市場接受度更快地提升。
所有這些趨勢都有可能相互促進(jìn)，從而產(chǎn)生一種能量曲線效應(yīng)，在未來十年內(nèi)大幅加速增長。

觸覺傳感技術(shù)的市場應(yīng)用：規(guī)模超300億美金

觸覺傳感器通常被定義為測量“觸感”的某些方面，常被比作人類皮膚的觸覺。目前，主流應(yīng)用主要局限于感知表面的力和壓力。一些實(shí)驗(yàn)性技術(shù)也可用于感知其他表面或接觸特性，例如溫度、表面滑動、粗糙度等特性。

觸覺傳感器的功能已得到驗(yàn)證，并已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。僅Tekscan一家就已將觸覺傳感器應(yīng)用于數(shù)千種研究、應(yīng)用、基于觸覺傳感的系統(tǒng)解決方案以及各種設(shè)備的嵌入式傳感器中。隨著市場上新興企業(yè)的涌現(xiàn)，觸覺傳感器的應(yīng)用增長速度令人矚目。

目前，觸覺傳感器的市場規(guī)模普遍估計(jì)超過每年300億美元（約合2133.82億元人民幣）。觸覺傳感最大的市場領(lǐng)域當(dāng)然是觸摸屏顯示器和控制器，它們被嵌入到各種各樣的消費(fèi)品、醫(yī)療產(chǎn)品、軍用產(chǎn)品和工業(yè)產(chǎn)品中，占觸覺應(yīng)用總量的80%以上。

雖然觸摸屏技術(shù)相對成熟，但材料和制造工藝的進(jìn)步仍在不斷發(fā)展。為了提升屏幕的“觸感”，開發(fā)人員除了測量觸摸位置外，還致力于測量觸摸壓力或壓力分布，從而催生新的創(chuàng)新。印刷柔性傳感器的市場規(guī)模估計(jì)超過每年30億美元，其中觸覺傳感器占據(jù)了相當(dāng)大的份額。

二、推動觸覺傳感器未來發(fā)展的應(yīng)用

從醫(yī)療到交通運(yùn)輸，許多市場都在使用觸覺傳感器。

觸覺傳感在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用：從臨床環(huán)境到便攜式可穿戴設(shè)備
觸覺傳感器在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，從臨床環(huán)境中物理治療師使用觸覺傳感器作為評估患者足部壓力和步態(tài)的系統(tǒng)的一部分，到制造商將觸覺傳感器嵌入旨在改善足部功能的定制鞋墊中，都可見其身影。

大學(xué)研究人員正在利用這項(xiàng)技術(shù)來描述骨骼運(yùn)動和動力學(xué)，而制造商則在研究將其嵌入智能座椅和病床的可行性，這些座椅和病床能夠感知壓力和運(yùn)動。下圖展示了嵌入咬合分析系統(tǒng)中的觸覺傳感器，該系統(tǒng)在全球牙科診所廣泛使用，用于幫助評估患者的咬合力。
此外，醫(yī)療器械制造商已將觸覺傳感器嵌入到藥物輸送系統(tǒng)中。在運(yùn)動領(lǐng)域，柔性觸覺智能紡織品也越來越受歡迎，可用于測量足部位置動態(tài)、自行車座椅均勻性、車把握力、呼吸頻率，甚至馬鞍與馬匹之間的壓力分布。
交通運(yùn)輸：觸覺傳感技術(shù)的廣泛應(yīng)用及小眾和新興應(yīng)用

觸覺傳感器在汽車行業(yè)的市場應(yīng)用一直十分廣泛，隨著電動汽車的普及及其帶來的全新設(shè)計(jì)理念，市場需求也在不斷增長。觸覺傳感器被嵌入汽車座椅、儀表盤觸摸屏和其他控制裝置中，用于感知乘客的存在和體重。

觸覺傳感器在安全測試中用于測量安全帶壓力分布、車輛加速和減速過程中座椅的動態(tài)特性、方向盤握持壓力，以及用于配備傳感器的碰撞假人。汽車工程師還依靠觸覺傳感器來測量車門（如下圖）和發(fā)動機(jī)缸體的密封壓力、剎車片的接觸情況，甚至輪胎胎面的動態(tài)特性。這些只是觸覺傳感技術(shù)在汽車研發(fā)和設(shè)計(jì)中眾多應(yīng)用中的幾個例子。

▲觸覺傳感器使汽車工程師能夠驗(yàn)證車門密封壓力是否合適且均勻

類似的應(yīng)用也可見于其他交通運(yùn)輸領(lǐng)域，包括海洋和航空航天領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域，也涌現(xiàn)出許多獨(dú)特的應(yīng)用，例如測量破冰船船體受到的冰壓、了解穿著宇航服的人體所受的壓力分布，以及感知噴氣式飛機(jī)在高重力加速度下座椅所受的力。

了解鋰電池在充放電循環(huán)過程中的壓力分布對于從手機(jī)到電動汽車等各種設(shè)備的安全性和性能都至關(guān)重要。鋰電池技術(shù)的最新進(jìn)展與機(jī)械熱力學(xué)和壓力動力學(xué)密切相關(guān)，這需要在設(shè)計(jì)和制造過程中進(jìn)行觸覺測量（如下圖）。

▲Tekscan 壓力映射技術(shù)結(jié)合了觸覺傳感器、電子元件和軟件，用于測量鋰離子電池隨時間的膨脹情況

工業(yè)和研究中的觸覺傳感

在工業(yè)領(lǐng)域，觸覺傳感器被嵌入到工業(yè)機(jī)械中，用于測量接觸壓力分布，以應(yīng)用于各種反饋控制應(yīng)用。壓力分布對于維護(hù)和質(zhì)量控制也至關(guān)重要，可以用來測量一系列因素。

這些包括適當(dāng)?shù)纳崞鹘佑|、墊片和密封件的有效性、工業(yè)制動器接觸面分布、壓輥對準(zhǔn)（如下圖）、晶圓拋光表面接觸均勻性，以及動態(tài)測量電池和其他產(chǎn)品表面隨時間推移的壓力變化。

▲薄膜觸覺傳感器安裝在工業(yè)輥之間，用于驗(yàn)證對準(zhǔn)情況

在消費(fèi)市場中，觸覺傳感最常見于觸摸屏設(shè)備，但也應(yīng)用于各種其他領(lǐng)域。測量表面壓力的觸覺傳感器已被嵌入電動工具、游戲控制器、鎖具以及用于定制鞋靴的消費(fèi)者足部測量設(shè)備中（如下圖）。

▲可以將小型嵌入式觸覺傳感器設(shè)計(jì)到 OEM 設(shè)備中

觸覺傳感技術(shù)廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品研究中，用于測量虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）護(hù)目鏡面部接觸壓力、智能手機(jī)外殼的正確配合和密封性（用于設(shè)計(jì)或質(zhì)量控制），或分析高爾夫揮桿平衡和握桿壓力以提高技能等。

在機(jī)器人領(lǐng)域，觸覺傳感器提供觸覺信息，這對于正確處理物體至關(guān)重要，例如在工業(yè)制造應(yīng)用中，裝配過程中組件處理不當(dāng)可能會造成高昂的成本。因此，觸覺傳感器在機(jī)器人和無人機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，主要用于測量和控制機(jī)械手或機(jī)械臂的抓取力，或無人機(jī)的包裹拾取和運(yùn)輸。

機(jī)器人領(lǐng)域正在探索其他觸覺測量方法，包括抓握過程中的滑動感知，以及表面“粗糙度”和“柔軟度”的感知，例如，這些方法可用于區(qū)分不同種類的蔬菜或判斷其成熟度。此外，人們對用于自主“行走”機(jī)器人的足部和步態(tài)壓力及運(yùn)動感知也越來越感興趣。觸覺傳感器已被用于幫助機(jī)器人展現(xiàn)更好的平衡性和更接近人類的步態(tài)。

在國防市場，觸覺傳感器已被用于測量步兵作戰(zhàn)期間背包的負(fù)重和壓力以及鞋墊和步態(tài)壓力，應(yīng)用于防彈衣和頭盔進(jìn)行沖擊測試，以及測試彈射座椅的力分布，以測量平衡和抓握力，用于槍械研究和訓(xùn)練。

▲Tekscan 和 SEMI 正在合作開發(fā)柔性可拉伸傳感器，用于測量戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練中的手部握力

在傘兵快速繩降或醫(yī)療運(yùn)輸過程中，傳感器用于測量安全帶和擔(dān)架與身體的接觸壓力。在蓬勃發(fā)展的“士兵系統(tǒng)”領(lǐng)域，觸覺傳感器被應(yīng)用于智能紡織品中，用于實(shí)時監(jiān)測呼吸頻率和步態(tài)分析，從而感知生命體征，判斷潛在傷情是否導(dǎo)致功能障礙。
最后，研發(fā)部門一直是企業(yè)、政府和大學(xué)實(shí)驗(yàn)室積極采用新型傳感技術(shù)的領(lǐng)域，他們利用這些技術(shù)開展觸覺測量研究或?qū)⑵淝度胄屡d應(yīng)用。在這一領(lǐng)域，觸覺傳感技術(shù)已應(yīng)用于數(shù)以千計(jì)的應(yīng)用中。

傳感器和電子元件可以進(jìn)行修改或定制，以用于各種研究應(yīng)用，例如測量靜態(tài)接觸環(huán)境或?qū)崟r環(huán)境中的觸覺特性，并可與 LabVIEW 或 MATLAB 等實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)集成，以便進(jìn)行分析并與其他數(shù)據(jù)整合。
在壓力映射方面，這些薄膜柔性傳感器使研究人員能夠動態(tài)地可視化表面區(qū)域的接觸壓力——這一特性在其他情況下是無法直接觀察的。

三、創(chuàng)新/制造和路線圖

利用觸覺傳感器進(jìn)行的研究還可以用于其他用途。過去十年間，新型觸覺測量方法和設(shè)計(jì)領(lǐng)域涌現(xiàn)出大量創(chuàng)新成果和研究成果。盡管研究和探索不斷進(jìn)行，但大多數(shù)新技術(shù)尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

應(yīng)變計(jì)、壓阻式、壓電式和電容式傳感等成熟的傳感器技術(shù)一直占據(jù)主導(dǎo)地位，且相對成熟。盡管新型傳感器設(shè)計(jì)不斷創(chuàng)新，但相關(guān)新產(chǎn)品的商業(yè)化卻未能同步增長。

這個內(nèi)容豐富且不斷增長的潛在觸覺傳感器創(chuàng)新庫，涵蓋了從采用納米管或石墨烯結(jié)構(gòu)的新材料到模仿人體皮膚感知能力的深奧“電子皮膚”方法等方方面面。它們還延伸到滲流機(jī)制、量子隧穿、微流體傳感、光學(xué)布拉格光柵、折紙結(jié)構(gòu)、磁霍爾效應(yīng)、微結(jié)構(gòu)和電阻層析成像等概念。

觸覺傳感器的創(chuàng)新與商業(yè)應(yīng)用
主流觸覺傳感器研究通常由機(jī)器人、無人機(jī)、游戲控制器、虛擬現(xiàn)實(shí)、智能紡織品和觸摸顯示器等備受矚目的應(yīng)用所驅(qū)動。這催生了大量尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的新研發(fā)概念和原型。由于多種因素，這些不斷增長的創(chuàng)新成果將在未來十年內(nèi)轉(zhuǎn)化為商業(yè)應(yīng)用。

首先，一些新興的高知名度應(yīng)用將獲得廣泛應(yīng)用，從而催生對嵌入式觸覺傳感功能日益增長的需求。其次，盡管許多觸覺傳感技術(shù)最初是為了解決特定問題而開發(fā)的，但未來可能會發(fā)現(xiàn)其他用途，這些用途可能會引發(fā)新的需求并推動商業(yè)化進(jìn)程。

例如，最初的Tekscan壓阻式壓力映射傳感器是為了實(shí)現(xiàn)高分辨率的牙齒咬合壓力分析，用于咬合評估而開發(fā)的。商業(yè)化之后，幾十年來，基于這項(xiàng)基本壓阻式傳感器技術(shù)的各種新應(yīng)用層出不窮，從而推動了市場需求的大幅增長。
最后，大規(guī)模制造和生產(chǎn)新型觸覺傳感器創(chuàng)新產(chǎn)品可能面臨挑戰(zhàn)，尤其對于復(fù)雜或特殊的設(shè)計(jì)而言更是如此。近期制造技術(shù)的創(chuàng)新為生產(chǎn)工具箱增添了前景廣闊的新方法，使更多設(shè)計(jì)能夠比以往任何時候都更容易地從實(shí)驗(yàn)室走向工廠，即使是小批量生產(chǎn)也不例外。

印刷柔性電子器件的制造方法

用于印刷柔性電子器件的規(guī)模化生產(chǎn)技術(shù)將不斷發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模、更經(jīng)濟(jì)的傳感器制造。目前，印刷柔性電子器件市場規(guī)模估計(jì)超過每年100億美元，產(chǎn)品包括柔性傳感器、超薄射頻天線、智能紡織品和超薄柔性加熱條等。
過去幾十年間，多種新方法的出現(xiàn)使得薄膜柔性電子器件的可靠制造成為可能，而薄膜柔性電子器件正是觸覺傳感器的首選形式。印刷柔性電子器件能夠使觸覺傳感元件貼合各種表面，例如機(jī)器人抓取手指、鞋墊、橄欖球頭盔等等，從而在市場上具有廣泛的應(yīng)用前景。
笨重或不靈活的觸覺傳感器的應(yīng)用范圍要小得多，只能應(yīng)用于范圍更窄的應(yīng)用領(lǐng)域，從而限制了其需求增長量（如下圖）。

▲此圖表展示了Web of Science數(shù)據(jù)庫中每年以"柔性電子"為關(guān)鍵詞發(fā)表的研究論文數(shù)量。(圖表由Frontiers in Electronics提供，2020年)

最初，絲網(wǎng)印刷技術(shù)借鑒于圖書出版技術(shù)，使得在單張基材上靈活地生產(chǎn)印刷柔性傳感器成為可能。時至今日，這一工藝依然是主流，并得到了現(xiàn)代平板絲網(wǎng)印刷機(jī)的支持，例如Thieme 3000，它在自動送紙、清潔、對齊、檢測和輸送至干燥機(jī)等方面都進(jìn)行了改進(jìn)（如下圖）。

▲像 Thieme 3000 這樣的印刷機(jī)可以在單張紙上進(jìn)行自動平板絲網(wǎng)印刷，適用于各種工業(yè)和電子應(yīng)用

采用旋轉(zhuǎn)絲網(wǎng)印刷方法可以提高生產(chǎn)效率，但會犧牲印刷分辨率。而得益于直接絲網(wǎng)印刷技術(shù)的進(jìn)步，傳感器類型的快速切換可以實(shí)現(xiàn)即時生成絲網(wǎng)乳劑掩模，從而縮短設(shè)置時間。

近年來，高速卷對卷印刷機(jī)（如下圖）已從出版業(yè)擴(kuò)展到印刷電子市場。然而，目前它仍僅限于印刷間差異極小的傳感器，而卷末批次測試（通常長達(dá)數(shù)公里）在出現(xiàn)故障時會給保證整體良率帶來挑戰(zhàn)。在承印卷材上進(jìn)行印刷的方法多種多樣，包括狹縫涂布、柔版印刷、凹版印刷、噴墨印刷、旋轉(zhuǎn)絲網(wǎng)印刷或其他方法。

▲高速卷對卷印刷線用于大規(guī)模生產(chǎn)柔性電子產(chǎn)品，但其生產(chǎn)會受到檢測困難和印刷差異的限制

在高速卷筒印刷條件下，在線進(jìn)行電氣或視覺圖像質(zhì)量測試既困難又昂貴；如果為了進(jìn)行此類在線測試而降低印刷速度，則會降低其相對于傳統(tǒng)絲網(wǎng)印刷的產(chǎn)量效率優(yōu)勢。此外，印刷分辨率也會隨速度而變化，更高的分辨率需要更低的生產(chǎn)速度。

增材打印技術(shù)，包括3D打印、氣溶膠噴射打印和脈沖打印，正越來越多地應(yīng)用于柔性電子印刷領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)更復(fù)雜的設(shè)計(jì)。借助增材打印技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)由各種基材、導(dǎo)電油墨和各種傳感材料組成的復(fù)雜層狀結(jié)構(gòu)。
柔性電子印刷是薄膜傳感器制造的核心工藝，但層壓、模切、引腳或連接器化、封裝和測試等二次加工環(huán)節(jié)仍是實(shí)現(xiàn)高通量規(guī)模化生產(chǎn)的關(guān)鍵難題。持續(xù)投資于自動化技術(shù)，例如自動引腳化、數(shù)字轉(zhuǎn)子模切、機(jī)器人組裝和測試、CCD圖像分析、在線飛針測試等，以及其他創(chuàng)新技術(shù)，將有助于提高效率和規(guī)模化生產(chǎn)。
Tekscan 等公司正與越來越多的設(shè)備供應(yīng)商和印刷電子合同制造商合作，將新設(shè)計(jì)與各種傳感器設(shè)計(jì)的適當(dāng)生產(chǎn)方法和產(chǎn)量進(jìn)行組合搭配。
制造技術(shù)的進(jìn)步使得傳感器設(shè)計(jì)種類更加豐富，從而能夠服務(wù)于更廣泛的市場。同時，它也促進(jìn)了特定類型傳感器的大批量、低成本、穩(wěn)定生產(chǎn)，這有利于大規(guī)模嵌入式應(yīng)用。
大批量生產(chǎn)中的創(chuàng)新

由于設(shè)計(jì)和生產(chǎn)簡單且成本低廉，應(yīng)變計(jì)、電阻式、壓阻式和電容式薄膜傳感器目前在大批量市場中占據(jù)主導(dǎo)地位（如下圖）。

▲像 Tekscan 的 FlexiForce 傳感器這樣的微型傳感器越來越多地被設(shè)計(jì)成緊湊型產(chǎn)品和可穿戴系統(tǒng)，這些產(chǎn)品和系統(tǒng)需要低功耗和靈活的集成

觀察到的傳感器性能趨勢包括：
1）對較小和較大傳感器表面積的需求
2）更高和更低的傳感分辨率（后者旨在以犧牲分辨率為代價(jià)來降低成本）
3）簡化信號處理或電子元件，以降低成本和功耗
4）更廣泛的運(yùn)行環(huán)境（溫度、濕度、惡劣環(huán)境等）
創(chuàng)新的制造方法將使新興的、更為復(fù)雜的技術(shù)在市場應(yīng)用中站穩(wěn)腳跟，并具有進(jìn)一步增長的潛力。例如，能夠同時測量壓力和溫度的多模態(tài)傳感器在工業(yè)和能源領(lǐng)域需求旺盛，而“微型傳感器”則越來越多地被應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品或醫(yī)療電子產(chǎn)品中。
柔性可拉伸傳感材料市場需求日益增長，這類材料可集成到智能紡織品中，并能貼合汽車座椅等不規(guī)則或動態(tài)表面。然而，由于導(dǎo)電或電阻油墨的動態(tài)變化，柔性可拉伸傳感器的設(shè)計(jì)和制造極具挑戰(zhàn)性，因?yàn)殡S著時間的推移，這些變化可能導(dǎo)致滯后、漂移或其他性能問題。此外，可穿戴傳感器需要低功耗，因此壓阻式傳感等技術(shù)更具優(yōu)勢。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中嵌入傳感器
觸覺傳感技術(shù)在嵌入式應(yīng)用中的日益普及，正推動著集成度、連接性和應(yīng)用智能的進(jìn)一步提升。大規(guī)模傳感器部署需要標(biāo)準(zhǔn)化和易于集成，這需要采用簡化的電信號處理技術(shù)來降低成本，同時還需要適用于各種應(yīng)用的模塊化固件和軟件工具集。
對于映射傳感器（例如壓力或溫度映射剖面圖），現(xiàn)在已經(jīng)可以輕松獲得開源工具，用于圖像解析，這些工具借鑒了可見光和紅外相機(jī)圖像分析軟件。

壓力和力傳感器集成：注意事項(xiàng)和最佳實(shí)踐

將觸覺傳感器成功集成到商用設(shè)備中，最關(guān)鍵的因素之一是傳感器與整個系統(tǒng)的集成度——包括電氣和機(jī)械方面。工程師不僅要評估信號的精度和范圍，還要考慮功耗限制、電路復(fù)雜性、環(huán)境耐久性以及校準(zhǔn)和生產(chǎn)規(guī)模化的便捷性。
Tekscan公司建議工程師在集成其FlexiForce觸覺力傳感器時采用系統(tǒng)級思維方法，這便是一個例證。這些電阻式傳感器廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)和消費(fèi)電子領(lǐng)域的嵌入式力測量。
任何觸覺傳感器要想獲得穩(wěn)定可靠的結(jié)果，很大程度上取決于電氣和機(jī)械的正確集成。每種技術(shù)都有其自身的細(xì)微差別，傳感器制造商應(yīng)該能夠提供結(jié)構(gòu)化的解決方案，以幫助節(jié)省集成時間和成本。
初始階段包括傳感器特性分析，工程師需要確定傳感器在受控力輸入下的性能。一種方法是使用帶有已知稱重傳感器參考值的桌面加載夾具（如下圖）。
此步驟使團(tuán)隊(duì)能夠評估信號的穩(wěn)定性、滯后性、線性度和重復(fù)性。電路選擇也從這里開始，通常從簡單的分壓器入手。雖然在高負(fù)載下該電路并非線性，但它提供了一個快速且低成本的起點(diǎn)。

▲使用帶有已知稱重傳感器參考值的桌面加載裝置是確定觸覺傳感器在受控力輸入下性能的一種方法

有時，為了充分發(fā)揮傳感器的性能，設(shè)計(jì)人員會采用更先進(jìn)的電路，以在更大的動態(tài)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)線性度。雖然運(yùn)算放大器電路可以提高性能，但也會帶來一些弊端：增加系統(tǒng)電子元件的成本和復(fù)雜性（如下圖）。

▲雖然反相運(yùn)算放大器配置會增加設(shè)計(jì)的成本和復(fù)雜性，但如果需要寬范圍力下的高線性輸出，這可能是最佳選擇

例如，反相運(yùn)算放大器配置在零點(diǎn)附近具有出色的線性度，并且在較寬的力范圍內(nèi)表現(xiàn)良好；而同相運(yùn)算放大器則在偏移范圍內(nèi)具有較強(qiáng)的線性度，適用于較為適中的力范圍。這三種電路均支持通過電阻或電位器調(diào)節(jié)靈敏度，建議工程師將參考電壓保持在 0.25 V 至 0.75 V 之間，以優(yōu)化分辨率并最大限度地降低功耗。
一旦基本功能得到確認(rèn)，流程便進(jìn)入概念驗(yàn)證原型制作階段。在此階段，傳感器會被嵌入到預(yù)期的機(jī)械環(huán)境中，例如外殼、座椅或設(shè)備接口。工程師會評估在實(shí)際應(yīng)用的不同接口材料和外形尺寸下，電路的性能是否穩(wěn)定。這一階段至關(guān)重要，因?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)（例如負(fù)載集中、壓片材料，甚至粘合劑的選擇）都會顯著影響電輸出。
在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)通常會開發(fā)更高級的原型，并配備完整的校準(zhǔn)程序。例如，Tekscan 提供了一套原型制作套件，可以幫助簡化這一階段，使團(tuán)隊(duì)能夠施加已知的力值并構(gòu)建兩點(diǎn)或三點(diǎn)校準(zhǔn)曲線。

常見的最佳實(shí)踐是在校準(zhǔn)前，多次將傳感器加載至其最大預(yù)期力的 120%。這種“預(yù)處理”過程有助于穩(wěn)定傳感器的性能。靈敏度通常設(shè)置為：施加 100% 的力時，輸出約為滿量程的 90%，這樣信號范圍就留有足夠的余量，可以應(yīng)對力意外增加的情況。
校準(zhǔn)完成后，下一階段是應(yīng)用和現(xiàn)場測試，以驗(yàn)證其在實(shí)際環(huán)境中的性能。在一次輸液泵原型機(jī)的部署中，工程團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)傳感器輸出的不一致性并非由傳感器或電路本身引起，而是由一種對濕度敏感的粘合劑干擾了負(fù)載傳輸。這個例子凸顯了機(jī)械設(shè)計(jì)和電氣設(shè)計(jì)之間的關(guān)鍵聯(lián)系，以及在集成過程中進(jìn)行徹底的系統(tǒng)級驗(yàn)證的必要性。

應(yīng)用和現(xiàn)場測試完成后，就到了最終確定嵌入式設(shè)計(jì)以進(jìn)行量產(chǎn)的時候了。此時，團(tuán)隊(duì)會確定電阻值、記錄校準(zhǔn)程序，并確保所有單元的電氣輸出一致。這一步驟保證了長期可重復(fù)性，并能順利過渡到量產(chǎn)規(guī)模。
這種結(jié)構(gòu)化的集成流程體現(xiàn)了觸覺傳感器集成方面的最佳實(shí)踐，并強(qiáng)調(diào)了一個關(guān)鍵點(diǎn)：傳感器選擇固然重要，但集成和驗(yàn)證流程同樣至關(guān)重要。可靠的性能不僅取決于傳感器的規(guī)格，還取決于對系統(tǒng)級設(shè)計(jì)、電氣和機(jī)械集成、全面測試以及正確校準(zhǔn)的精心關(guān)注。

四、傳感器連接與分析

傳感器連接性是一個經(jīng)常被忽視的因素，但它卻能決定性能的好壞。

傳感器連接器在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中往往被忽視，成為事后才考慮的因素，但它們對應(yīng)用性能卻有著至關(guān)重要的影響。連接器會增加測量電路的電阻，連接器電氣性能的任何變化都會導(dǎo)致傳感器測量精度的波動。

由于制造公差或連接器放置和固定方式的差異，不同設(shè)備之間可能出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致傳感器輸出不同。這些組件差異可在制造測試和質(zhì)量控制過程中，通過組件或軟件補(bǔ)償來校正傳感器校準(zhǔn)，從而調(diào)整傳感器輸出。
此外，由于連接器彎曲、振動或熱應(yīng)力等原因，尤其是在智能紡織品等“高彎曲”環(huán)境中，隨著時間的推移，可能會出現(xiàn)偏差。必須充分了解這些預(yù)期的組件公差，并接受它們對整體輸出偏差的影響，或者嚴(yán)格控制這些公差，以減輕其對性能的影響。許多產(chǎn)品設(shè)計(jì)師低估了傳感器連接器工程設(shè)計(jì)的重要性，最終在現(xiàn)場出現(xiàn)問題時才后悔莫及。

連接器類型
傳統(tǒng)的ZIF、Tab和引腳連接器通常采用機(jī)械壓接的方式將傳感器導(dǎo)體與電路板電子元件連接起來，這些連接器通常位于導(dǎo)電走線和基板上。由于許多印刷柔性傳感器應(yīng)用具有高混合度、小批量生產(chǎn)的特點(diǎn)，此類連接器通常需要手動安裝到傳感器基板和導(dǎo)體上，這可能導(dǎo)致人為誤差。不過，這些誤差通常可以在校準(zhǔn)過程中得到糾正。

對于大批量應(yīng)用，投資昂貴的自動化連接器設(shè)備和定制夾具可能物有所值，這樣既能降低單位成本，又能確保連接重復(fù)性。對于因磨損或其他原因需要定期更換傳感器的應(yīng)用，彈簧針連接器可提供相當(dāng)可靠且可重復(fù)的連接。但是，它們需要足夠的空間來容納。
為了替代機(jī)械連接器，一些設(shè)計(jì)人員采用Z軸導(dǎo)電膠帶、粘合劑或?qū)щ姯h(huán)氧樹脂，將導(dǎo)電走線粘合到電子電路板上的其他電路元件。這些粘合劑固化后，即使在低機(jī)械應(yīng)力環(huán)境下也能提供可靠的電氣連接，并可簡化連接器設(shè)計(jì)，從而降低成本。這種方法在可穿戴消費(fèi)電子設(shè)備中也越來越常見，因?yàn)榭臻g限制和小型化要求使得機(jī)械連接器難以使用。

傳感器的應(yīng)用

在應(yīng)用印刷傳感器時，許多用戶受益于其外形尺寸的定制性和靈活性。然而，這些優(yōu)勢也帶來了傳感技術(shù)的一些細(xì)微差別，如果能夠理解并加以分析，這些差別是可以有效管理的。

對于需要長時間連續(xù)傳感的應(yīng)用，可能需要定期校準(zhǔn)以確保傳感器輸出值始終與預(yù)期測量值相符。在需要差值測量的應(yīng)用中，例如測量撥動開關(guān)方向和力的象限壓力差，校準(zhǔn)的重要性相對較低，因?yàn)樗袀鞲衅髟睦匣潭韧ǔＯ嗨啤?br />
對于絕對值至關(guān)重要的應(yīng)用，例如測量液體儲罐接地接觸板壓力隨時間的變化以估算液位變化，傳感器漂移可能造成問題，需要定期重新校準(zhǔn)。當(dāng)傳感器漂移隨時間變化相對可預(yù)測，并且可以使用基于使用年限的補(bǔ)償表進(jìn)行估算時，基于軟件的校準(zhǔn)即可滿足要求。

在傳感器可能面臨更劇烈環(huán)境變化的動態(tài)環(huán)境中，可以使用參考傳感器來建立參考測量值，該參考測量值的輸出用于自動重新校準(zhǔn)主傳感器或傳感器陣列。例如，每次消費(fèi)者站在地面測量亭的墊子上時，都可以使用低漂移力板傳感器重新校準(zhǔn)整個足底壓力映射陣列。

對于設(shè)計(jì)人員來說，了解傳感器設(shè)計(jì)中漂移的原因和性質(zhì)至關(guān)重要。例如，薄膜力傳感器承受恒定的靜態(tài)力載荷時，其漂移可能比承受波動載荷時更大。

互聯(lián)傳感器：推動物聯(lián)網(wǎng)和預(yù)測分析的發(fā)展

來自大量本地或遠(yuǎn)程位置的傳感器信號需要通過 Wi-Fi、藍(lán)牙或其他網(wǎng)絡(luò)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)連接，才能實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

對于通信數(shù)據(jù)速率有限的細(xì)路由網(wǎng)絡(luò)，邊緣計(jì)算的最新進(jìn)展可以利用嵌入式計(jì)算在本地處理和解讀傳感器圖像數(shù)據(jù)。因此，只需遠(yuǎn)程發(fā)送少量數(shù)據(jù)即可觸發(fā)操作，例如發(fā)出電梯制動器將在六個月內(nèi)需要維護(hù)的警告信號。

“傳感器無處不在”的趨勢預(yù)示著大量傳感器數(shù)據(jù)將逐漸積累，而這些數(shù)據(jù)正是高效機(jī)器學(xué)習(xí)所必需的。隨著觸覺傳感器的標(biāo)準(zhǔn)化和廣泛應(yīng)用，大規(guī)模收集和挖掘傳感器I/O數(shù)據(jù)的機(jī)會將為機(jī)器學(xué)習(xí)模型帶來新的洞見，從而進(jìn)一步提升傳感器的實(shí)用性。

例如，現(xiàn)在可以將行走時繪制壓力曲線的鞋墊壓力傳感器通過支持 Wi-Fi 或藍(lán)牙的智能手機(jī)應(yīng)用程序?qū)崟r或批量傳輸?shù)皆剖占鳎ㄈ缦聢D）。

▲F-Scan Go 可實(shí)時傳輸足底鞋墊壓力數(shù)據(jù)

展望未來：觸覺傳感的未來

未來十年將是觸覺傳感技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵時期，其特點(diǎn)是創(chuàng)新與實(shí)際應(yīng)用的雙重推動力。一方面，我們將看到各種新興技術(shù)被充分利用，解鎖新的功能，這標(biāo)志著一個實(shí)驗(yàn)與探索的時代即將到來。另一方面，我們將重點(diǎn)關(guān)注對一系列高性價(jià)比傳感器技術(shù)的改進(jìn)，這些技術(shù)有望成為主流市場和細(xì)分市場的中堅(jiān)力量。
這種融合有望促進(jìn)基于傳感器的應(yīng)用形成一個豐富的生態(tài)系統(tǒng)，并受益于印刷柔性電子和增材制造技術(shù)的進(jìn)步。這將使小批量生產(chǎn)即使是最復(fù)雜的傳感器成為可能，同時又不增加成本。
為了應(yīng)對這些變革性變化，企業(yè)必須加倍投入未來發(fā)展。行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者不僅應(yīng)致力于開拓新型傳感器設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，還應(yīng)在技術(shù)、市場和應(yīng)用等各個領(lǐng)域建立牢固的合作伙伴關(guān)系。

例如，像Tekscan這樣的公司正在為市場的下一個變革做好準(zhǔn)備：他們投資于研發(fā)和工程，以評估和孵化新的傳感器設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，同時通過Tekscan TactileLab與各種技術(shù)、市場和應(yīng)用合作伙伴繼續(xù)開發(fā)主流應(yīng)用。
這些合作努力至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈優(yōu)閷⒂|覺傳感技術(shù)整合到更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)，確保下一波創(chuàng)新不僅具有突破性，而且具有廣泛的適用性和可及性。