1．目的及意义

1.1选题研究背景、目的和意义

柔性传感器具有柔弹性特性，能贴附于不规则或者刚性物体表面、也能贴附于人体皮肤，在机器人、手持式消费电子产品、显示器、医疗健康监测设备等领域的应用越来越广泛^[1]。柔性传感器被认为是非常有前景的智能应用组件，其成本低、柔软度高、透明性好、制作工艺简单、生物相容性好、传感系统多样性等特点使得其未来的发展前景相当可观^[2]。然而如何提高传感器灵敏度受到越来越多的关注，但采用大面积、简单、低成本的方式制作出高灵敏度的弹性传感器仍是一大挑战。

本世纪初，为满足安全舒适驾驶体验的要求以及车辆减排的要求，“智能轮胎”的概念已经出现。因此，轮胎行业和轮胎研究越来越重视可以通过“智能轮胎”测量的物理量。在“智能轮胎”检测到的这些物理量中，轮胎表面和道路之间的摩擦力是轮胎行为的最重要物理量之一，并且对于车辆模拟，车辆的可操纵性和安全性起着重要作用的驾驶体验^[3]。最初，采用箔式应变传感器来测量轮胎的应变。然而，与轮胎橡胶相比，箔式应变传感器具有更高的刚度，因此它将不可避免地对轮胎的传感表面的应变行为产生显着影响，不能准确可靠地测量应变。传感器的刚度仍然是轮胎应变传感中的主要问题，本文的目的是探索一种简单、低成本且大面积制备的新型应变传感器，选择合适的薄膜材料，与轮胎橡胶相比具有足够低的刚度，并进行建模、仿真分析。期望设计出的柔性传感器刚度低，伸长率高，可以稳定可靠地测量轮胎中的应变，而且不会对传感产生任何影响。

1.2国内外研究状况

在传感器发展的过程中，人们利用不同的方法研究适合于应变测量的传感器。在国内，重庆大学的张玲等人的团队研制一种基于PVDF的仿生皮肤^[4]。南京航空航天大学自动化学院研究人员采用光波导原理设计出能检测三向力的触觉传感器^[5].清华大学金观昌等^[6]人利用压力敏感导电橡胶作为传感器敏感材料研制了用于人体足底压力分布的测量的251点阵系统。李铁军等^[7]人采用由-柔性硅橡胶与导电橡胶制成的整体薄膜作表皮，在皮下结合充游电流变流体的绝缘体泡沫结构研制了新型电流变流体柔顺触觉传感器。重庆大学的秦岚等^[8]人研制了一种基于导电橡胶的触觉传感服装技术，此技术也是利用导电橡胶所具有的压阻特性，来实现对触觉信息的采集识别，并且可以感知所受外力以及接触物外形轮廓，另外触觉分辨率也具有可调的特点。

在国外，Pohl^[9]提出了表面声波传感器，Palmer^[10]提出了用于监测轮胎应变的光纤传感器，Brandt ^[11]提出了一种使用GaAs芯片的胎面变形传感器。所有这些传感器均由高刚性材料制成。到目前为止开发的柔性传感器都是基于薄膜技术的，尽管它们的弯曲刚度很低，但它们的弯曲刚度高，伸长率低。Alexander和Rajamani^[12]等人开发了一种新型的基于PVDF的压电传感器，可以测量轮胎的横向变形^[13]。Matsuzaki等^[14]采用轮胎本身的钢丝作为传感元件的一部分。当轮胎偏转时，感应线之间的距离和感应线的长度将被压缩或扩大，导致电容和电阻的变化。通过测量变化，可以计算出感应区域的应变。 Matsuzki^[15]等人还开发了一种基于橡胶的电容式传感器，以减少传感器金属结构带来的影响。 Tuononen ^[16]采用位置敏感探测器（PSD）来测量轮胎胎体的变形。基于当轮胎偏转时计算胎面上的光点位置，轮胎的变形将是已知的。

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2. 研究的基本内容与方案

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2.1选题研究内容

本文通过车用轮胎应变传感器来研究新型柔性复合材料,了解车载柔性电子传感器应用背景与需求，学习柔性电子卷绕传送工艺原理、发展过程及工艺要求，找出符合刚度低、延展性高等特点的柔性应变传感器。研究了柔性传感器的制作过程和结构特点，学习实验中所用到的工艺方法、柔性处理以及器件的包裹处理等过程。根据车载柔性电子传感器多层结构叠层要求，开展单层、多层膜应力分析，研究柔性传感器在承压变形过程中，传感器的敏感性根据应力分析和力学建模，仿真分析各参数影响规律,从而分析柔性传感器的几个重要性能指标：灵敏度、器件性能、响应恢复特性。

2.2论文技术路线

基于以上研究内容，本文基于新型柔性薄膜材料，拟展开从材料制备到传感器设计并对器件进行仿真的系列工作。其技术路线图如图1所示：首先从传统车用传感器入手，对比分析柔性电子传感器的优缺点，然后对柔性薄膜的制备和性能进行研究，分析所制备薄膜的介电性、铁电性、压电性；根据符合要求的柔性薄膜材料进行建模和力学分析，并进行多参数影响分析，以此验证传感器的性能。通过仿真计算研究传感器阵列的工作状态、相邻电极之间的信号干扰材料对传感器性能的影响、压电层厚度对力电响应的影响、阵列尺寸对低应力状态响应的影响。3. 参考文献

[1] 邵琳. 柔性薄膜卷绕输送系统中张力控制的研究与应用[D]. 硕士学位论文，华中科技大学，2012.