米乐m6官方网站[理事长中钵良二]（以下简称“AIST”）柔性电子研究中心[研究中心主任 Toshihide Kamata] 印刷工艺团队研究员 Shusuke Kanazawa 和研究团队负责人兼研究中心副主任 Hiroshi Ushijima 开发了一种可以高密度测量风压分布的传感器薄膜。
新开发的传感器采用单一树脂薄膜剪纸它像工艺品一样被加工成一个小型的活动翼状结构，利用它的运动来测量风压的分布。通过将响应风压而移动的叶片状可移动结构布置成网格图案，施加到薄膜上的风压的分布可以被理解为每个可移动结构的移动。胶片表面高度敏感应变传感器采用印刷方法形成，并通过单独检测可移动结构的运动来测量风压的分布。除了能够以比以往更高的密度测量风压分布外，它还可以用于测量施加在车身等弯曲物体上的风压。此外，由于可以通过印刷和薄膜加工来制造，因此很容易增加传感器的面积。预计它将在移动领域有广泛的应用，包括提高汽车和飞机的燃油效率以及改善姿态控制。
使用该传感器薄膜的风压分布测量系统将于2018年2月14日至16日在东京国际展示场（东京江东区）举办的“Printable Electronics 2018”展览会上向公众展示。
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| 开发的传感器薄膜的外观图（左）和汽车挡风玻璃上的风压分布测量（右） |
当飞机遇到湍流时，每个人都会感到焦虑和不舒服。为了即使在这样的颠簸中也能保持稳定的飞行姿势，仿生学有人提出模仿鹰、游隼等鸟类的风压检测功能会有效1鸟类利用翅膀的每个叶片以平面方式接受风，通过确定风压的分布和流入的角度来选择最佳的飞行姿势。为了人工执行这种复杂的风压检测，需要能够测量高密度风压分布的传感器。此外，这种类型的传感器功能预计将在各个行业中具有广泛的技术应用，包括开发节能汽车车身。然而，传统的风压和风速检测传感器只能测量一个安装点，但要测量多个点，则需要并排安装单独的传感器，因此难以测量高密度分布。此外，为了在汽车或飞机的车身表面进行测量，需要将其安装在曲面上或增加面积，因此需要一种新的传感器装置来实现这一点。
1 A穆罕默德等人，《飞机杂志》 52, 827 (2015).
在产业技术研究院柔性电子研究中心，器件在树脂薄膜等薄型柔性基板上形成，具有轻质、柔性、拉伸性等特点。灵活的设备的开发另外，作为在薄膜基板上高效地制造器件的方法，有利用印刷法的器件制造技术，即所谓的印刷法。印刷电子，并一直致力于提高印刷技术和油墨技术的复杂程度。
此次，我们将利用树脂薄膜加工性的翼状可动结构与利用印刷方法在薄膜表面形成的高灵敏度应变传感器相结合，开发出模拟鸟翼风压分布检测功能的传感器薄膜。
新开发的传感器以剪纸方式加工树脂薄膜，在薄膜表面形成许多可响应风压而移动的可移动结构，并用高灵敏度应变传感器检测这些移动，以获得风压的分布。正如在许多消费品中所见，树脂薄膜具有优异的加工性能，可以通过切割或冲压加工成各种形状。它还具有出色的柔韧性，即使在弱风等小力的作用下也能表现出大的运动（偏转）。着眼于这些点，新开发的传感器薄膜的独特之处在于，通过在薄膜平面内加工并形成响应风压而移动的结构，该薄膜可以用作器件基板，同时作为检测风压的传感器功能的一部分。这种利用基板的方法对于使用玻璃或硅晶片等硬质基板的电子设备来说是困难的，这是迄今为止开发的柔性设备中从未见过的新尝试。上述想法源自仿生学的角度，我们使用树脂薄膜来创建能够响应弱力而单独移动的结构，例如构成鸟翼的羽毛或排列在稻田中的稻穗。
图1(a)显示了显影后的传感器薄膜的放大照片。通过切割薄膜并创建空隙，我们创建了一个翼状结构，其中接收风的平面区域通过薄手柄从薄膜主体突出。该结构用作当平面部分受到压力时薄手柄弯曲并且独立于传感器膜本身移动的结构。通过将这些结构排列在薄膜平面内的格子图案中，可以通过每个可移动结构的运动来测量风压的分布，就像鸟的各个羽毛一样。在新开发的传感器片中，厚度为50毫米的聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）薄膜采用激光加工，图1（a）所示的翼状可移动结构在X和Y方向上以10毫米的间隔排列，形成网格状的169个传感器。
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图 1 (a) 传感器薄膜的放大照片，(b) 传感器配置和操作的图像，
(c) 独立开发的导电油墨对应变的电阻变化率，
(d)仅风压检测单元的风压阻力变化率 |
为了对叶片状可动结构体因风压而产生的运动进行电测量，检测可动部表面产生的应变是有效的。然而，对于传统的应变传感器，应变引起的电阻变化率 (规格系数)较低，并且当像这种情况一样检测同时在多个点发生的应变时，存在无法准确测量各个可移动结构的变化的问题。为了解决这个问题，我们开发了自己的用于高灵敏度应变传感器的导电墨水。通过印刷该油墨形成的应变传感器的电阻值根据应变而发生极大的变化。如图1(c)中曲线图的斜率所示，作为应变传感器灵敏度指标的应变系数约为200，与市售金属箔相似应变计灵敏度的100倍当该应变传感器沿着可移动结构的偏转方向形成时，如图1(b)所示，根据偏转的大小，它显示出明显的电阻变化。如图1（d）所示，风压检测单元的电阻因风压而变化的速度从没有受到风压的状态持续变化到约200Pa，并且我们能够将在一般道路上行驶的汽车的限速60km/h时所经历的风压保持在测量范围内。常用于触摸屏等，多点检测风压检测器的动作。简单的矩阵驱动电路在同一薄膜表面上形成有多个应变传感器，每个应变传感器都与其连接。即使从多个点进行测量，也可以通过每个传感器显示的电阻的明显变化来单独确定可移动结构的运动。通过这种方式，我们开发了一种用于测量风压分布的传感器薄膜，它使用应变传感器来测量各个可移动结构响应风压的运动。
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| 图2 所开发的传感器薄膜的制造过程概述 |
新开发的传感器薄膜的另一个特点是它可以使用简单的方法制造。如图2所示，构成简单矩阵的X电极线和Y电极线、插入它们之间的点状绝缘层以及使用我们专有的高灵敏度应变传感器导电墨水的应变检测部分。丝网印刷组成通过对印刷有这些功能层的薄膜进行针对微加工而优化的激光加工，可以制造出集成有应变检测机构和可移动翼状结构的传感器薄膜。所有这些步骤都可以在大气中进行，因此不需要大型真空设备。此外，该制造过程中使用的热处理最高温度为130°C，这减少了制造所需的能量。由于在设备和能源方面都可以减少制造所需的负荷，因此认为所开发的传感器薄膜将很容易批量生产并扩展到大面积。
开发的传感器薄膜可以沿着轻微弯曲的表面固定，例如汽车挡风玻璃（图3（a））。当汽车在这种情况下以30公里/小时的速度行驶时，我们能够测量薄膜表面的风压分布（图3（b））。这一成果是世界上首次成功测量弯曲物体上风压的高密度分布，这在以前是很困难的。这种对风压的详细测量预计将在移动领域有广泛的应用，包括控制飞机的姿态和获取数据以提高汽车和飞机的燃油效率。
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图3(a)固定在汽车挡风玻璃边缘的传感器薄膜，
(b) 汽车以30公里/小时行驶时获得的风压分布 |
我们将广泛促进企业之间的合作，将开发的传感器投入实际应用。除了改进用于测量其他流体（气体、液体等）分布的传感器外，我们还将把高灵敏度应变传感器技术应用到人体运动分析等其他应用中。