柔性压力传感器制备及其性能研究
柔性压力传感器制备及其性能研究
Preparation and performance study of flexible pressure sensor
学 校: 徐州市第一中学
班 级：14班
申 报 人 ：刘峻熙
小组 成员：慕洪睿、庄雯哲、姚苏洋
指导 老师：赵娟
一、课题背景
1、中科院微型实验室“科探方舟”
“科探方舟”课程（课题研究项目），是徐州一中与中科院合作，中科院京区科协牵头设计。“科探方舟”以探究性科学实验装置为支柱，在专业探究课程专家的指导下完成“小课题研究”，帮助同学们培育科学精神、涵养科学素养。
科探方舟为同学们打开了一扇通向科学实践的窗，让更多学生走进科学、感受科研魅力。
2024“科探方舟”项目从暑期开始，高一的同学们线上线下同时进行学习。线上进行探究性学习导论等科学研究课程，线下以小组合作的方式完成了课题探究实验。涵盖生物、物理、化学等多学科领域，共设立10个课题，覆盖广泛，内容丰富。学生们通过实验和理论研究，展示了令人耳目一新的研究成果。
2、课题简介
柔性压力传感器是一种能够感知外界压力并将其转换为电信号的设备，通常由柔性材料构成。广泛应用于可穿戴设备、医疗监测、机器人触觉等领域。其核心特点是柔韧性高、可适应复杂表面，且具备良好的灵敏度和稳定性。
柔性压力传感器的制备通常涉及以下关键技术：
材料选择：常用材料包括导电聚合物、碳纳米管、石墨烯等，这些材料具有良好的导电性和柔韧性。
结构设计：如微结构设计（如微柱阵列）可以提高传感器的灵敏度和响应速度。
制造工艺：包括印刷技术、激光加工、3D打印等，这些技术能够实现大规模、低成本的生产。
现已发展起来的传感器用途纷繁，原理各异，形式多样，就其分类方法也有多种，其中有两种分类法最为常用:-是按外界输入信号转换至电信号过程中所利用的效应来分类，如利用物理效应进行转换的为物理传感器;利用化学反应进行转换的为化学传感器;利用生物效应进行转换的为生物传感器等。表1列出了与五官对应的几种传感器及其效应。二是投输入量分类,如输入信号是用来表征压力大小的,就称为压力传感器。这种分类法可将传感器分为位移(线位移和角位移)速度、角速度、力、力矩、压力、流速、液面、温度、湿度、光、热、电压、电流、气体成分、浓度和黏度传感器等。用户和生产厂家所关心的各种待测信息的种类，正好与这种分类方法相对应。
二、实验过程
1、实验仪器与材料
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7.3*1.3cm规格铜箔
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3.5*3.5cmPDE薄膜
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1.5*1.5cm压敏导电纸
Arduino开发板，鳄鱼夹，导线，马克笔，笔记本电脑，双面胶，剪刀，量筒，烧杯，压力测试仪器
2、实验过程
实验一柔性压力传感器传感性能与传感器大小的关系探究
实验结论：相同条件下，传感器规格约为1.5cm*1.5cm时，柔性压力传感器传感性能更好。
实验二-柔性压力传感器传感性能与压敏导电纸层数的关系探究
实验结论：相同条件下，在一定范围内，压敏导电纸层数越多，柔性压力传感器传感性能越好
性能评估指标
灵敏度分析
通过测量传感器对压力变化的响应速度和准确性，评估其灵敏度。
稳定性测试
长时间连续测试传感器性能，确保其在各种环境下的稳定性和可靠性。
重复性检验
多次施加相同压力，检查传感器输出的一致性，以评估其重复性。
3、实验步骤
3.1、利用剪刀，压敏导电纸，铜箔制作柔性压力传感器，用导线，鳄鱼夹将Arduino开发板接入电路。
3.2、在笔记本电脑上下载Arduino IDE软件，将开发板接入电脑。
3.3、编译程序，点击开发板上的红色按钮，打开IDE软件中的串口监视器获取数据。
3.4、对柔性压力传感器施加并每隔1-2min调节压力，观察并记录串口监视器数据。
4、实验数据汇总分析
压力响应曲线分析
通过实验获得的压力-电压曲线，展示了传感器在不同压力下的响应特性。
重复性与稳定性测试
多次循环加载-卸载实验验证了传感器的重复性和长期使用的稳定性。
灵敏度与分辨率评估
实验数据表明，传感器具有高灵敏度和良好的分辨率，能够精确检测微小压力变化。
三、课题报告
柔性压力传感器制备及其性能研究
刘峻熙
【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；
1、引言
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。
2、实验材料
Arduino开发板，鳄鱼夹，导线，马克笔，笔记本电脑，双面胶，剪刀，量筒，烧杯，压力测试仪器，7.3*1.3cm规格铜箔，3.5*3.5cmPDE薄膜，1.5*1.5cm压敏导电纸（均为徐州第一中学提供）
3、实验方法
3.1、实验一柔性压力传感器传感性能与传感器大小的关系探究
① 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。
② 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。
③ 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。
④ 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。
3.2、实验二-柔性压力传感器传感性能与压敏导电纸层数的关系探究
Ø利用实验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）
Ø利用实验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。
4、实验结论分析
4.1、相同条件下，传感器规格约为1.5cm*1.5cm时，柔性压力传感器传感性能更好。
4.2、相同条件下，在一定范围内，压敏导电纸层数越多，柔性压力传感器传感性能越好
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5、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
6、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.
徐娜.柔性可穿戴式压阻式压力传感器研究进展[J].化工进展,2023(10）:5259-5260.
杨进.柔性压力传感技术及发展趋势[J].自动化仪表.2021,42(01):1-9.
徐先亮.柔性电容式压力传感器制作与性能优化分析[J].林业机械与木工设备,2021.,49(05):66-69+76.
侯星宇，郭传飞.柔性压力传感器的原理及应用[刀,物理学报,2020，69(17):16.
李凤超，孔振，吴锦华等,柔性压阻式压力传感器的研究进展 [!物理学报， 2021.
隋京梁,电阻式柔性压力传感器的准确性提升与应用DD].东华大学2021.
