（文章來源：AI科普驛站）
? ? ?? 人體具有壓覺，人體皮膚深層結構內存在大量壓力感受器。當機械刺激導致皮膚變形時，會引起感受器及神經末梢變形，壓力感受器進入興奮狀態(tài)，引起神經末梢發(fā)出神經沖動，傳入大腦皮層感覺區(qū)產生壓覺。

機器的壓覺來自各種壓力傳感器(Pressure Transducer)。壓力傳感器是能感受壓力信號，并能按照一定的規(guī)律將壓力信號轉換成可用的電信號的器件或裝置，通常由基于不同物理效應的壓力敏感元件和信號處理單元組成。下面介紹幾種常見的壓力傳感器。

1. 基于金屬電阻應變效應的壓力傳感器，我們知道，金屬導體的電阻值R與電阻率ρ和導體長度L成正比，與截面積S成反比。當金屬導體受力而產生拉伸或壓縮等機械變形時，L和S都會發(fā)生改變，從而引起電阻值發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為金屬的電阻應變效應。從圖中可以看出，當金屬導體受到拉力F作用時產生了拉伸變形，長度由L變?yōu)長+ΔL，面積由S縮小到S’，從而導致該導體電阻值增大。

利用金屬的電阻應變效應可以制作壓力傳感器的感壓元件——金屬電阻應變片，常用的有金屬絲式和金屬箔式兩種類型。下面的圖給出一種金屬絲電阻應變片的基本結構，由電阻絲式敏感柵、基底、覆蓋層和引線四部分構成。電阻應變式壓力傳感器的工作電流大，輸出信號也大，靈敏度就高。但工作電流過大會使應變片過熱，甚至燒毀應變片。金屬箔敏感珊與基底的接觸面積比金屬絲大，因此散熱條件好，工作電流可取得更大一些。

2. 基于壓阻效應的壓力傳感器，1954年美國材料學家C.S 史密斯在對硅和鍺的電阻率與應力變化特性測試時發(fā)現(xiàn)，當受到外力作用時電阻率會發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應。利用半導體的壓阻效應制作的壓力傳感器的感壓元件稱為半導體電阻應變片，其靈敏系數(shù)比金屬電阻應變片大幾十倍，且機械滯后小，但溫度穩(wěn)定性和線性度比金屬電阻應變片差得多。

在我們的日常生活中，隨處可以發(fā)現(xiàn)壓阻材料的應用。例如，一種稱為壓敏導電橡膠的壓阻材料，在不受力時如同絕緣體，但施壓時其電阻隨著壓力的增加而變小。利于這個特點，可以制作各種壓控開關。無壓力時壓敏導電橡膠是絕緣體，如同開關斷開；當壓力達到某閾值時，其電阻大大降低，壓敏導電橡膠轉變?yōu)閷w，如同開關接通。

金屬的電阻應變效應與半導體的壓阻效應都表現(xiàn)為感壓元件的電阻隨外力的變化而改變，兩者的區(qū)別是：前者的電阻變化是截面和長度等結構尺寸變化所致，而后者的電阻變化是電阻率變化所致。

3. 基于壓電效應的壓力傳感器，1880年，兩位年輕的法國科學家兄弟皮埃爾·居里（Pierre Curie）和他的哥哥雅克·居里（Jacques Curie）發(fā)現(xiàn)晶體具有一個特殊性質：當沿一定方向對滿足一定對稱性的晶體材料施加外力時，晶體材料會發(fā)生形狀改變，同時其兩個相對的表面上會出現(xiàn)正負相反的電荷，電荷量與受力大小成正比；當作用力的方向改變時，電荷的極性也隨著改變；當外力撤掉后，它又會恢復不帶電狀態(tài)。這個性質稱為晶體的壓電效應。

晶體是否具有壓電效應，是由晶體結構的對稱性所決定的。以石英晶體為例，從下圖以看出，當沒有外力作用時，石英晶體的結構對稱性使其內部正負電荷的作用相互抵消，對外呈不帶電狀態(tài)。當在外力的作用下發(fā)生形狀改變時，其結構對稱性發(fā)生改變，內部正負電荷的作用不再相互抵消，出現(xiàn)了電極化，對外呈現(xiàn)帶電狀態(tài)。

利用壓電效應可以制作壓電傳感器。常用的壓電材料有壓電陶瓷、壓電晶體、壓電復合材料等，其應用遍及我們日常生活和高新技術領域的方方面面。例如，打火機、煤氣灶、熱水器、汽車等的點火要用到壓電點火器，雷達、通信和導航設備中需要大量壓電陶瓷濾波器，醫(yī)學領域利用壓電材料進行免疫檢測、制作人工耳蝸等。
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