傳感器技術(shù)是一門涉及電磁學(xué)、力學(xué)、材料學(xué)以及生物醫(yī)學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的多學(xué)科交叉技術(shù)。傳感器技術(shù)在信息探測(cè)、生物傳感、材料測(cè)量以及化工等領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用，可以說目前幾乎所有的領(lǐng)域都可以見到傳感器技術(shù)的身影。傳感器在設(shè)計(jì)和研究過程中往往涉及到對(duì)多物理場(chǎng)的理解，而且由于大多數(shù)傳感器會(huì)把測(cè)量信號(hào)量準(zhǔn)換成電磁信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和傳遞，因此在傳感器多物理場(chǎng)分析時(shí)，對(duì)電磁場(chǎng)與其他物理場(chǎng)相互作用的分析非常重要。理解這些物理場(chǎng)的相互作用時(shí)傳感器研究和設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。另一方面由于傳感器在設(shè)計(jì)研究時(shí)往往是一個(gè)反復(fù)驗(yàn)證和修改的過程，所以在實(shí)驗(yàn)制作傳感器之前，先通過理論上建模仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)方案從而提高傳感器設(shè)計(jì)和制備效率時(shí)必要的途徑。另外在論文中添加理論的仿真計(jì)算也可以提高文章的邏輯性和表現(xiàn)力，從而使文章質(zhì)量得到顯著提高。
在傳感器技術(shù)的發(fā)展中，電容傳感器件、壓電傳感器以及摩擦發(fā)電傳感器的研究獲得了越來(lái)越多的關(guān)注，研究人員在許多頂級(jí)期刊也發(fā)表了關(guān)于電容傳感器件、壓電傳感器以及摩擦發(fā)電傳感器的研究成果，而在這些研究成果中大多都應(yīng)用了有限元的數(shù)值計(jì)算方法。使用有限元計(jì)算方法一方面使這些研究更有邏輯性和說服力，另一方面也使這些文章表現(xiàn)力更強(qiáng)，更容易獲得審稿人的青睞。因此，在這里帶大家一起回顧一下這些頂級(jí)研究成果中是如何運(yùn)用仿真模擬提升文章檔次的。
1.電容傳感器
（圖片源于Science advances, 2017, 3(3): e1602200.）
如今，市面上的手機(jī)都帶有指紋解鎖、指紋支付功能。這一類指紋手機(jī)采用的是什么原理呢？手機(jī)的指紋識(shí)別目前主要有三種技術(shù)：電容式，光學(xué)式和超聲波式，目前市面上看到最成熟的指紋手機(jī)基本都是電容式的，其主要利用了電容傳感器的原理。
使用有限元數(shù)值計(jì)算方法研究電容傳感器的文章有很多，例如2017年在Science advances期刊上（如上圖所示），研究人員基于有限元模擬仿真和實(shí)驗(yàn)研究出可以彎曲、拉伸的電容傳感器，通過觸摸即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞。電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件，將被測(cè)物理量或機(jī)械量轉(zhuǎn)換成為電容量變化的一種轉(zhuǎn)換裝置，實(shí)際上就是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器，廣泛用于位移、角度、振動(dòng)、速度、壓力、成分分析、介質(zhì)特性等方面的測(cè)量。對(duì)電容的建模仿真對(duì)我們理解電容傳感器的原理起到非常大的幫助。典型的電容器由兩個(gè)導(dǎo)體加上它們之間的電介質(zhì)構(gòu)成。在這兩個(gè)導(dǎo)體之間施加電勢(shì)差會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)。這一電場(chǎng)不僅直接存在于導(dǎo)體之間，還會(huì)擴(kuò)展一段距離，這種現(xiàn)象稱為邊緣場(chǎng)。為了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電容器的電容量，用于模擬邊緣場(chǎng)的域必須足夠大，并使用適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件。
2.壓電傳感器
（圖片源于Adv. Mater. 2014, 26, 2514–2520.）
早在1880年居里兄弟發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)。居里兄弟指出，當(dāng)把一重物放在石英晶體上時(shí)，在晶體表面上出現(xiàn)了電荷，電荷量和重物的質(zhì)量成正比。因此，壓電效應(yīng)起到了電路與晶體機(jī)械特性之間的耦合作用。壓電效應(yīng)的原理是，如果對(duì)壓電材料施加壓力，它便會(huì)產(chǎn)生電位差（稱之為正壓電效應(yīng)），反之施加電壓，則產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力（稱為逆壓電效應(yīng)）。如果壓力是一種高頻震動(dòng)，則產(chǎn)生的就是高頻電流。而高頻電信號(hào)加在壓電陶瓷上時(shí)，則產(chǎn)生高頻聲信號(hào)（機(jī)械震動(dòng)），這就是我們平常所說的超聲波信號(hào)。也就是說，壓電陶瓷具有機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換和逆轉(zhuǎn)換的功能。壓電材料已被用來(lái)制作智能結(jié)構(gòu)，此類結(jié)構(gòu)能將振動(dòng)能源和機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的能量采集器是實(shí)現(xiàn)孤立、可持續(xù)能源生產(chǎn)的非常有前途的工具。特別是由于靈活和輕量級(jí)的能量收集裝置在一個(gè)薄塑料襯底可以使及其微小的運(yùn)動(dòng)風(fēng),水流動(dòng),心跳,隔膜的活動(dòng)或者呼吸運(yùn)動(dòng)變成電信號(hào),這樣不僅可以實(shí)現(xiàn)一些電子系統(tǒng)的自我供電,但也為植入式生物醫(yī)學(xué)設(shè)備提供永久電源，例如起搏器和深部腦刺激器等等。
使用有限元數(shù)值計(jì)算方法研究壓電傳感器的文章也有很多，例如上面這篇發(fā)表在Advanced Materials上的工作通過激光發(fā)射工藝在柔性基板上基于有限元數(shù)值模擬演示了大面積PZT薄膜，實(shí)現(xiàn)了高效、輕便、靈活的壓電能量采集裝置。文章中還利用仿真模擬計(jì)算了輸出電壓與電極距離的關(guān)系。
3.摩擦發(fā)電傳感器
（圖片源于Adv.Mater.2014,26,2818-2824）
(圖片源于Advanced Materials,Jul,12,2018,180114)
在過去的幾十年中，我們從自然環(huán)境中獲取能源一直在吸引廣泛的研究努力，以滿足世界范圍內(nèi)的能源需求。機(jī)械能如果能被有效地利用，不僅能對(duì)全球電力需求做出重大貢獻(xiàn)，而且還能作為移動(dòng)電子設(shè)備的一種獨(dú)立和可持續(xù)的能源。摩擦起電是我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常遇到的一種物理現(xiàn)象，無(wú)論是梳頭、穿衣還是走路、開車時(shí)都時(shí)常會(huì)遇到。但是，摩擦電很難被收集和利用，因此它的價(jià)值往往被人們所忽視。然而近年來(lái)，摩擦電納米發(fā)電機(jī)以其高效、低成本、魯棒性可靠、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)被作為一種前所未有的技術(shù)而被看好。
使用有限元數(shù)值計(jì)算方法研究摩擦發(fā)電傳感器的文章有很多，例如2014年在Advanced Materials期刊上研究人員利用仿真論證了摩擦電納米發(fā)電機(jī)理論模型。摩擦電納米發(fā)電機(jī)的發(fā)電原理是在其內(nèi)部電路中，由于摩擦起電效應(yīng)，兩個(gè)摩擦電極性不同的材料薄層之間會(huì)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，從而在二者之間形成電勢(shì)差。在其外部電路中，電子在電勢(shì)差驅(qū)動(dòng)下，在分別粘貼在摩擦電材料層背面的兩個(gè)電極之間或者電極與地之間流動(dòng)，從而來(lái)平衡這個(gè)電勢(shì)差。摩擦電納米發(fā)電機(jī)的需求非常廣泛，例如給主動(dòng)感知的機(jī)器人供電。各種主動(dòng)感知和響應(yīng)的軟機(jī)器人都是通過自供電的主動(dòng)摩擦電動(dòng)機(jī)器人皮膚來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這種皮膚在低壓環(huán)境下具有良好的拉伸性和靈敏度（如上面第二幅圖所示）。類似于以上兩篇文章中對(duì)于摩擦發(fā)電的仿真研究，可以利用COMSOL Multiphysics來(lái)實(shí)現(xiàn)。
4.結(jié)語(yǔ)
從上面的研究成果可以看出，運(yùn)用有限元仿真模擬在電容傳感器件、壓電傳感器以及摩擦發(fā)電傳感器的研究中，一方面仿真模擬使文章更具有說服力和邏輯性，使傳感器中的多物理場(chǎng)原理更容易讓審稿人和讀者理解，另一方面仿真模擬圖一圖抵千言，增加了文章的表現(xiàn)力，讓審稿人和讀者更容易發(fā)現(xiàn)文章的意義和價(jià)值。因此，運(yùn)用仿真模擬是可以顯著提升文章檔次的，大家可以在今后的傳感器技術(shù)研究中嘗試加入有限元仿真模擬，提升文章和研究檔次。
