柔性压力传感器制备及其性能研究

慕洪睿

指导教师：郑金合美

【摘要】本课题旨在对柔性压力传感器制备及其性能进行研究，通过自制面积大小不同、压敏导电纸层数不同的柔性压力传感器，测试传感器加载不同压力时的电阻、电导，以探究 面积和层数对柔性压力传感器压电性能的影响，以便更好的理解压力传感器的基本工作原理 以及压力传感器应用需要考虑的灵敏度、分辨率、偏差等重要参数的意义，并为传感器的优 化设计提供参考。结论：压力与柔性传感器的电导成正比线性关系。要提高压力传感器的灵 敏度，必须在压力变化量一定时提高电组的变化率。通过用柔性压阻式压力传感器测量手指 点击力的实际应用，可以广泛的看出柔性压力传感器可广泛应用于可穿戴设备、医疗监测、 机器人技术等领域，提升设备的交互性和功能性、以及便利和舒适性。

【关键词】柔性压力传感器；压电性能；灵敏度；

一、研究背景

近十年来，随着可穿戴电子、医疗健康监测、物联网和柔性智能机器人的快速发展，柔性压力传感器受到了前所未有的关注。柔性压力传感器作为一种非常重要的信息传输和采集电子元件，在航空航天、生物医学和健康监测、电子皮肤、人机界面等领域有着广泛的应用前景。

在目前的研究成果中，传统的压力传感器以金属、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，能够精确测量加到范围内的压力值，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。这些缺点阻碍了它们在柔性人机交互、便携式检测、智能机器人等场景下的应用。柔性压力传感器因材料具有可弯曲、可变形的特点， 在许多方面都有广泛应用。

柔性压力传感器按照传感器原理主要分为四种：电容型、电阻型、压电型和摩擦电型。

本课题主要研究的是电阻型柔性压力传感器。本课题的研究意义是通过亲手制作面积不同、层数不同的柔性压力传感器，探究传感性能的面积和层数对柔性压力传感器压电性能的影响，以便更好理解传感器基本工作原理以及传感器应用需考虑的灵敏度、分辨率、偏差等重要参数的意义。课题的研究以居家实验的方式，节约了时间，也使得实验结果更清晰明了。

本课题主要对压阻型传感器的静态特性进行测试。控制传感器的输入量，并使输入量按同一方向做多次（加载-卸载）变化实验，多次实验取平均值的操作，以增加实验结果的准确性与可信度。同时，居家实验也保障了本课题的可操作性，便于进行研究，得出结论。

二、实验材料

1. 实验仪器：100ml 量筒,电子称（500g/0.1g）、1000ml量杯、Arduino UNO开发板

2. 实验材料：柔性压力传感器制备套装、传感器性能测试套装（均为徐州第一中学提供）

三、研究过程

 1. 不同传感器大小对传感器传感性能的影响研究

  1.1 柔性压力传感器的制作（以1.5cm*1.5cm大小的传感器制作为例）

借助直尺和剪刀裁剪一块边长为1.5cm的正方形压敏导电纸，借助铅笔、直尺和剪刀裁剪得到两块长1.3cm、宽1.3cm （铜箔尺寸应略小压敏导电纸的尺寸，避免上下两层铜箔直接接触发生短路现象），接线端长6.0cm的铜箔胶带。裁剪前可在铜箔胶带背面的离型纸前绘制好所需裁剪的图案。借助直尺和剪刀裁剪两块边长为 3.5cm的PET薄膜（薄膜尺寸应略大于压敏导电纸的尺寸，保证压敏导电纸放置在PET薄膜中心位置时，其各个边到对应的PET薄膜的边的距离大于5mm）。在PET薄膜表面绘制方框，用于组装压力传感器时辅助确定压敏导电纸和铜箔胶带的放置位置。  

1.2 压力传感器的组装

首先将裁剪好的铜箔胶带固定粘贴在PET薄膜上对应的位置。注意铜箔胶带接线端的方向，铜箔胶带接线端背面的离型纸保留，方便后续传感器的使用，将压敏导电纸像制作夹心饼干一样夹在上下两块固定在PET薄膜上的铜箔之间，并用双面胶固定上下两层PET薄膜的边缘，压力传感器至此组装制作完成。

        图 1 制作完成的压力传感

   1.3 传感器性能的测试

① 压阻式传感器的制作：利用1.1柔性压力传感器的制作方法，制作压敏导电纸大小分别为2.0cm*2.0cm、1.5cm*1.5cm、1.0cm*1.0cm的三种传感器。

         图 2 不同面积的压力传感器

② 电阻数据采集系统的搭建：按照参考电路连接示意图进行电阻数据采集系统硬件电路的搭建。电阻数据采集主体部分由Arduino UNO板和压力传感器、10KΩ电阻组成，传感器和已知阻值电阻 组成分压电 路，便于测 试传感器的电阻 。到指定网 站https://www.arduino.cc/en/Main/solftware?Setlang=cn网站下载Arduino的windows安装包， 确认安装。

        图 3  电阻数据采集系统连接示意图

③ 正式实验：将柔性压力传感器压力感应部分用双面胶粘贴在水平桌面上，接线端用美纹纸胶带粘贴固定，避免接线端来回晃动影响压力传感器的读数。重新打开Arduino IDE的串口监视器，等待约2min（目的：使读数相对稳定；传感器的数值会在一个小范围来回波动， 读取中间值即可），读取传感器的电阻值。等待期间，用电子秤称量圆柱形塑料容器和圆形 垫板的总质量，记录在表格中。将圆形垫板和空的圆柱形塑料容器依次叠放在传感器的上方，

使圆形垫板的圆心正对传感器中心。等待约2min，读取传感器的电阻值。等待期间，用电子秤称取100g清水（或沙子），备用。读数完毕后，将事先量取好的100g清水（或沙子）加入烧杯中，等待约2min，待读数较为稳定后读取电阻值，并记录此时的外加载荷值。每隔约2min向烧杯中加入100g清水（或沙子）并读取传感器的电阻值，直到将圆柱形塑料容器加满为止。

        图 4 电阻数据采集系统连接实物测试图

2. 不同压敏导电纸层数对传感器传感性能的影响研究

2.1 多层柔性压力传感器的制作

利用课题一中柔性压阻式压力传感器的制作方法，制作压敏导电纸层数分别为1、2、3、4、5 层的传感器（压敏导电纸的尺寸为1.5cm*1.5cm大小）

2.2 传感器性能的测试

 利用课题一中传感器传感性能研究所用测试方法和分析方法研究不同层数压敏导电纸的传感性能。

四、结果与分析

图 5 三种不同面积的薄膜在不同压力下的电阻变化

图 6 三种不同面积的薄膜在不同压力下的电导变化

图7 不同层数的传感器在不同压力下的电阻变化

图8 不同面积传感器在不同压力下的拟合直线

    通过图 5和图6 可看出，不同面积的压阻型柔性传感器的阻值与压力的变化成线性关系。由图8可看出，相同条件下，传感器大小约1.5*1.5cm时，柔性压力传感器传感性能越好。

    由图7可看出，相同条件下，在一定范围内，压敏导电纸层数越少，柔性压力传感器传感器灵敏性能越好。

五、结论

本实验表明，不同面积和不同层数的压阻型柔性传感器对于传感器的灵敏度有着重要的影响。  相同条件下，在一定范围内，压敏导电纸面积越小，柔性压力传感器传感灵敏度越高但线性性能稳定性较差。相同条件下，在一定范围内，压敏导电纸层数越少，柔性压力传感器传感性能越好。

总的来看，柔性传感器服可以广泛应用于航天，医疗，核领域相关人员的工作中。未来柔性 压力传感器可在智能穿戴设备中的应用，可实时监测患者心率、血压等生命体征。也可通过收集特定

人群躺下或坐下时家居用品不同位置的传感器数据，对家居用品进行改进，以提高家居用品的舒适性。

六、参考文献

卢凯.基于PVDF的柔性压力传感器阵列的制备及仿真研究[J].电子元件与材料,2016.

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