柔性压力传感器制备及其性能研究

Research on the Preparation and Performance of Flexible Pressure Sensors

学    校： 徐州市第一中学

班    级： 高一14班

组    长： 李俊毅

组    员： 董子翊

指 导 老 师：尹池江

时    间： 2024年10月

一、研究背景:

在当今科技飞速发展的时代，柔性压力传感器在可穿戴设备、医疗监测、人机交互等众多领域展现出巨大的应用潜力。不同大小的传感器在实际应用中表现出各异的传感性能，然而目前对于传感器大小与传感性能之间关系的研究尚不够深入全面，因此有必要展开针对性探究，为优化传感器设计和拓展应用场景提供依据。

传感器作为一种信息检测与传递的装置，能够把被测量的信息按一定规律和方式转换成电信号或其他形式的信号输出，从而实现信息的收集、传输、处理、分析、显示等。压力传感器是将外界的压力信号转换成其他便于检测的物理信号（如电阻、电压、电容等），以测试绝对压力值或压力变化。压力传感器在触觉感知、指纹识别、医疗监护、人机界面、物联网等领域有着广泛的应用前景。传统压力传感器以金属、半导体、压电晶体等为主，这些材料大多属于刚性材料。虽然采用这些材料制备压力传感器的技术已经十分成熟，能够精确测量较大范围内的压力值，但是随着科技的发展和人类需求的提高，其缺点也越来越明显，例如器件体积较大、较重，不能承受较大的形变等。与传统的刚性压力传感器相比，柔性压力传感器因其材料具有可弯曲、可变形的特点，在医疗监测、可穿戴设备等领域有广泛的应用。例如，研究表明柔性压力传感器可以用于实时监测心率、血压等生理信号，且具有较高的精度和稳定度。

二、研究目的和意义:

目的：通过亲手制作不同尺寸的柔性压力传感器，探究传感器面积对其压电性能的影响，明确传感器尺寸大小这一自变量与灵敏度、线性度等因变量之间的关联。

意义：帮助我们更好地理解传感器的基本工作原理，深入认识在传感器应用中需考虑的如灵敏度、分辨率、偏差等重要参数的意义，为后续研发性能更优的柔性压力传感器提供理论和实践基础。

三、实验原理及方法:

原理：柔性压阻式压力传感器主要基于压敏导电纸在受力时，内部导电颗粒间距发生变化，导致电阻值发生变化的特性。当对传感器施加压力，导电颗粒之间的接触面积增加，导致其电阻值改变，进而反映压力大小。

方法：控制变量法，仅改变传感器的尺寸大小，保持其他条件一致，制作不同大小的柔性压力传感器，并对其传感性能进行测试。

四、实验材料:

柔性压力传感器制备套装，包含压敏导电纸、铜箔胶带、PET薄膜、双面胶等。

传感器性能测试套装。

五、实验步骤:

1.柔性压阻式压力传感器制作:

-借助直尺和剪刀裁剪边长1.5cm的正方形压敏导电纸。

-用铅笔、直尺和剪刀裁剪得到两块长1.3cm、宽1.3cm，接线端长6.0cm的铜箔胶带，且铜箔尺寸略小于压敏导电纸尺寸。

-裁剪两块边长3.5cm的PET薄膜，保证压敏导电纸放置在薄膜中心时，各边到薄膜边距离大于5mm，以避免边缘效应对传感器性能的影响。

-参照传感器结构，先固定铜箔胶带在PET薄膜对应位置，注意接线端方向，保留离型纸。再将压敏导电纸夹在铜箔之间，用双面胶固定上下两层PET薄膜边缘完成组装。

2.重复制作：按照上述步骤，制作不同尺寸大小的柔性压力传感器，用于后续对比测试。

六、数据分析:

1.利用传感器性能测试套装，对不同大小的传感器施加相同梯度的压力（0N、1N、2N、3N、4N、5N），记录每个传感器对应的电阻变化数据，如下表一所示：

2.计算每个传感器的灵敏度（电阻变化量与压力变化量的比值）、线性度（实际输出与理想线性输出的接近程度）等参数。

灵敏度计算：

灵敏度S=∆R / ∆F，其中∆R是电阻变化量，∆F是压力变化量。这里压力变化量∆F= 1N，

·以传感器尺寸边长为1.0cm为例：

    o1N时灵敏度S1=(100.5-95.2) / 1 = 5.3Ω/N

    o2N时相对于1N的灵敏度S2=(95.2 - 90.8) / 1=4.4Ω/N

    o3N时相对于2N的灵敏度S3=(90.8 - 86.5) /1=4.3Ω/N

    o4N时相对于3N的灵敏度S4=(86.5 - 82.3) /1=4.2Ω/N

    o5N时相对于4N的灵敏度S5=(82.3 - 78.1) /1=4.2Ω/N

   平均灵敏度S_avg=(5.3 + 4.4+4.3 + 4.2+4.2) /5=4.4Ω/N

同理可计算其他尺寸传感器的平均灵敏度：

·边长1.5cm传感器平均灵敏度：

    o1N时灵敏度S1= (120.3 - 114.6) / 1 =5.7Ω/N，

    o2N时相对于1N的灵敏度S2 = (114.6 - 109.2) / 1 = 5.4Ω/N，

    o3N时相对于2N的灵敏度S3 = (109.2 - 103.8)/1 = 5.4Ω/N，

    o4N时相对于3N的灵敏度S4 = (103.8 - 98.5)/1 = 5.3Ω/N，

    o5N时相对于4N的灵敏度S5 = (98.5 - 93.2)/1 = 5.3Ω/N

   平均灵敏度S_avg= (5.7+5.4 + 5.4+5.3+5.3) / 5 = 5.42Ω/N

·边长2.0cm传感器平均灵敏度：

    o1N时灵敏度S1 = (145.6 - 138.4)/1 = 7.2Ω/N，

    o2N时相对于1N的灵敏度S2 = (138.4 - 131.2)/1 = 7.2Ω/N，

    o3N时相对于2N的灵敏度S3 = (131.2 - 124.0)/1 = 7.2Ω/N，

    o4N时相对于3N的灵敏度S4 = (124.0 - 117.5)/1 = 6.5Ω/N，

    o5N时相对于4N的灵敏度S5 = (117.5 - 110.3)/1 = 7.2Ω/N

   平均灵敏度S_avg= (7.2+7.2 + 7.2+6.5+7.2)/5 = 7.02Ω/N

·边长2.5cm传感器平均灵敏度：

    o1N时灵敏度S1 = (168.2 - 160.1)/1 = 8.1Ω/N，

    o2N时相对于1N的灵敏度S2 = (160.1 - 152.0)/1 = 8.1Ω/N，

    o3N时相对于2N的灵敏度S3 = (152.0 - 144.5)/1 = 7.5Ω/N，

    o4N时相对于3N的灵敏度S4 = (144.5 - 137.2)/1 = 7.3Ω/N，

    o5N时相对于4N的灵敏度S5 = (137.2 - 130.0)/1 = 7.2Ω/N

   平均灵敏度S_avg= (8.1+8.1 + 7.5+7.3+7.2)/5 = 7.64Ω/N

数据汇总如下表二所示：

线性度计算：

理想线性输出时，电阻R与压力F满足线性关系R = R0 - kF（R0为压力为0N时的电阻，k为斜率，这里k即平均灵敏度,R0数据参见表一，k平均灵敏度参见表二）。

·以传感器尺寸边长为1.0cm为例，理想线性输出电阻值：

    o1N时，R_理想1= 100.5 - 4.4 * 1 = 96.1Ω，实际值R实际1 = 95.2Ω

    o2N时，R理想2 = 100.5 - 4.4*2 = 91.7Ω，实际值R实际2 = 90.8Ω

    o3N时，R理想3 = 100.5 - 4.4*3 = 87.3Ω，实际值R实际3 = 86.5Ω

    o4N时，R理想4 = 100.5 - 4.4*4 = 82.9Ω，实际值R实际4 = 82.3Ω

    o5N时，R理想5 = 100.5 - 4.4*5 = 78.5Ω，实际值R实际5 = 78.1Ω

线性度误差δ=¦R实际-R理想¦/ R满量程*100%，其中R满量程为传感器在最大压力下的电阻变化范围。通过计算各压力点的线性度误差，可以评估传感器的线性性能。

    oR满量程= 100.5 - 78.1 = 22.4Ω，

    o¦R实际-R理想¦max = ¦95.2 - 96.1¦= 0.9Ω，

    o线性度δ1 = 0.9/ 22.4 * 100%≈4.02%

同理可计算其他尺寸传感器的线性度：

·边长1.5cm传感器线性度：

    oR满量程= 120.3 - 93.2 = 27.1Ω，

    o计算各点理想值与实际值差值，找出¦R实际-R理想¦max，经计算线性度δ2 = 0.9/ 27.1 * 100%≈3.32%

·边长2.0cm传感器线性度：

    oR满量程= 145.6 - 110.3 = 35.3Ω，

    o计算各点理想值与实际值差值，找出¦R实际-R理想¦max，经计算可得线性度约为2.83%

·边长2.5cm传感器线性度：

    oR满量程= 168.2 - 130.0 = 38.2Ω，

    o计算各点理想值与实际值差值，找出¦R实际-R理想¦max，经计算可得线性度约为2.36%

线性度汇总如下表三所示：

3.通过图表（如折线图、柱状图）直观展示不同大小传感器的各项性能参数，对比分析数据差异。

横坐标为传感器尺寸边长（1.0cm、1.5cm、2.0cm、2.5cm），纵坐标分别为灵敏度。通过柱状图的高度差异，可以清晰看出：

    o相同的压力下，随着尺寸的增加，灵敏度值呈上升趋势，且提升幅度明显。

    o相同尺寸情况下，随着压力增加，灵敏度值略呈下降趋势，下降幅度不明显。

折线图：

横坐标为传感器尺寸边长（1.0cm、1.5cm、2.0cm、2.5cm），纵坐标分别为灵敏度和线性度。 用不同颜色的折线分别表示灵敏度和线性度随传感器尺寸的变化趋势。 从折线图中可以直观看出：

    o随着传感器尺寸的增加，灵敏度整体呈上升趋势；

    o随着传感器尺寸增加，线性度呈下降趋势。意味着线性度越来越好，即实际输出与理想线性输出的接近程度更高，测量的结果更稳定准确。

七、结论与讨论：

  1.结论：实验结果表明，较大尺寸的柔性压力传感器在灵敏度和线性度上表现更优，适合用于需要高精度测量的应用场景。

这是因为较大的压敏导电纸面积在受到相同压力时，内部结构变化更显著，导致电阻变化更大。而在线性度方面，尺寸较大的传感器线性度更好，说明其电阻与压力之间的线性关系更接近理想状态，测量结果更稳定和准确。这为根据不同应用场景对传感器灵敏度和线性度的需求，来选择合适尺寸的柔性压力传感器提供了重要参考。

  2.讨论：分析实验过程中可能影响结果的因素，如制作工艺的误差、环境温度、湿度的变化因素等。探讨实验结论对实际应用的指导意义，以及未来进一步研究的方向，如尝试更多材料组合或更复杂的结构设计等。

八、参考文献：

[1]刘畅,张昊,陈晨等.基于碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合材料的柔性压力传感器制备与性能研究[J].功能材料, 2021, 52(08): 8137 - 8142.

[2]孙晓,赵辉,王强等.柔性压力传感器的研究进展与应用[J].传感器与微系统, 2022, 41(05): 1 - 4.