传感器技术是一门涉及电磁学、力学、材料学以及生物医学等相关领域的多学科交叉技术。传感器技术在信息探测、生物传感、材料测量以及化工等领域得到了非常广泛的应用，可以说目前几乎所有的领域都可以见到传感器技术的身影。传感器在设计和研究过程中往往涉及到对多物理场的理解，而且由于大多数传感器会把测量信号量准换成电磁信号进行测量和传递，因此在传感器多物理场分析时，对电磁场与其他物理场相互作用的分析非常重要。理解这些物理场的相互作用时传感器研究和设计的关键。另一方面由于传感器在设计研究时往往是一个反复验证和修改的过程，所以在实验制作传感器之前，先通过理论上建模仿真优化设计方案从而提高传感器设计和制备效率时必要的途径。另外在论文中添加理论的仿真计算也可以提高文章的逻辑性和表现力，从而使文章质量得到显著提高。

在传感器技术的发展中，电容传感器件、压电传感器以及摩擦发电传感器的研究获得了越来越多的关注，研究人员在许多顶级期刊也发表了关于电容传感器件、压电传感器以及摩擦发电传感器的研究成果，而在这些研究成果中大多都应用了有限元的数值计算方法。使用有限元计算方法一方面使这些研究更有逻辑性和说服力，另一方面也使这些文章表现力更强，更容易获得审稿人的青睐。因此，在这里带大家一起回顾一下这些顶级研究成果中是如何运用仿真模拟提升文章档次的。

1.电容传感器

（图片源于Science advances, 2017, 3(3): e1602200.）

如今，市面上的手机都带有指纹解锁、指纹支付功能。这一类指纹手机采用的是什么原理呢？手机的指纹识别目前主要有三种技术：电容式，光学式和超声波式，目前市面上看到最成熟的指纹手机基本都是电容式的，其主要利用了电容传感器的原理。

使用有限元数值计算方法研究电容传感器的文章有很多，例如2017年在Science advances期刊上（如上图所示），研究人员基于有限元模拟仿真和实验研究出可以弯曲、拉伸的电容传感器，通过触摸即可实现信号的传递。电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，将被测物理量或机械量转换成为电容量变化的一种转换装置，实际上就是一个具有可变参数的电容器，广泛用于位移、角度、振动、速度、压力、成分分析、介质特性等方面的测量。对电容的建模仿真对我们理解电容传感器的原理起到非常大的帮助。典型的电容器由两个导体加上它们之间的电介质构成。在这两个导体之间施加电势差会产生电场。这一电场不仅直接存在于导体之间，还会扩展一段距离，这种现象称为边缘场。为了准确预测电容器的电容量，用于模拟边缘场的域必须足够大，并使用适当的边界条件。

2.压电传感器

（图片源于Adv. Mater. 2014, 26, 2514–2520.）

早在1880年居里兄弟发现了压电效应。居里兄弟指出，当把一重物放在石英晶体上时，在晶体表面上出现了电荷，电荷量和重物的质量成正比。因此，压电效应起到了电路与晶体机械特性之间的耦合作用。压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压，则产生机械应力（称为逆压电效应）。如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超声波信号。也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能。压电材料已被用来制作智能结构，此类结构能将振动能源和机械能转化为电能的能量采集器是实现孤立、可持续能源生产的非常有前途的工具。特别是由于灵活和轻量级的能量收集装置在一个薄塑料衬底可以使及其微小的运动风,水流动,心跳,隔膜的活动或者呼吸运动变成电信号,这样不仅可以实现一些电子系统的自我供电,但也为植入式生物医学设备提供永久电源，例如起搏器和深部脑刺激器等等。

使用有限元数值计算方法研究压电传感器的文章也有很多，例如上面这篇发表在Advanced Materials上的工作通过激光发射工艺在柔性基板上基于有限元数值模拟演示了大面积PZT薄膜，实现了高效、轻便、灵活的压电能量采集装置。文章中还利用仿真模拟计算了输出电压与电极距离的关系。

3.摩擦发电传感器

（图片源于Adv.Mater.2014,26,2818-2824）

 (图片源于Advanced Materials,Jul,12,2018,180114)

在过去的几十年中，我们从自然环境中获取能源一直在吸引广泛的研究努力，以满足世界范围内的能源需求。机械能如果能被有效地利用，不仅能对全球电力需求做出重大贡献，而且还能作为移动电子设备的一种独立和可持续的能源。摩擦起电是我们日常生活中经常遇到的一种物理现象，无论是梳头、穿衣还是走路、开车时都时常会遇到。但是，摩擦电很难被收集和利用，因此它的价值往往被人们所忽视。然而近年来，摩擦电纳米发电机以其高效、低成本、鲁棒性可靠、环境友好等优点被作为一种前所未有的技术而被看好。

使用有限元数值计算方法研究摩擦发电传感器的文章有很多，例如2014年在Advanced Materials期刊上研究人员利用仿真论证了摩擦电纳米发电机理论模型。摩擦电纳米发电机的发电原理是在其内部电路中，由于摩擦起电效应，两个摩擦电极性不同的材料薄层之间会发生电荷转移，从而在二者之间形成电势差。在其外部电路中，电子在电势差驱动下，在分别粘贴在摩擦电材料层背面的两个电极之间或者电极与地之间流动，从而来平衡这个电势差。摩擦电纳米发电机的需求非常广泛，例如给主动感知的机器人供电。各种主动感知和响应的软机器人都是通过自供电的主动摩擦电动机器人皮肤来实现的，这种皮肤在低压环境下具有良好的拉伸性和灵敏度（如上面第二幅图所示）。类似于以上两篇文章中对于摩擦发电的仿真研究，可以利用COMSOL Multiphysics来实现。

4.结语

从上面的研究成果可以看出，运用有限元仿真模拟在电容传感器件、压电传感器以及摩擦发电传感器的研究中，一方面仿真模拟使文章更具有说服力和逻辑性，使传感器中的多物理场原理更容易让审稿人和读者理解，另一方面仿真模拟图一图抵千言，增加了文章的表现力，让审稿人和读者更容易发现文章的意义和价值。因此，运用仿真模拟是可以显著提升文章档次的，大家可以在今后的传感器技术研究中尝试加入有限元仿真模拟，提升文章和研究档次。