中科院微型实验室“科探方舟”

“科探方舟”（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的品牌科学产品。“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”，帮助同学们涵养科学精神、提高科学素养。

2024年的“科探方舟”涵盖生物、物理、化学等多学科领域，共设立10个不同方向的课题。在老师的指导下，自己设计实验方案，组装实验器材进行探究性实验，得出数据。通过分析数据，最终得出结论。

爱因斯坦说：“探索真理比占有真理更为可贵。”通过本次科学研究，享受探索真理的乐趣，享受知识和创造力碰撞的快乐，实践科学思维方法和科学研究方法。

摘 要

本实验采用现成的电阻式柔性薄膜材料、铜箔胶带与塑料纸组装压力传感器，通过调节材料尺寸（1×1cm²至3×3cm²）与叠层数（1-5层），探究其对传感器性能的影响。利用Arduino开发板搭建数据采集系统，测量不同压力下的电阻变化，分析灵敏度、线性度及稳定性。

实验发现：叠层数增加显著提升线性度（R²值从0.78升至0.94），但灵敏度下降（ΔR/ΔP从2.1Ω/N降至0.9Ω/N）；材料尺寸变化未呈现统一规律，推测与边缘接触电阻波动有关。研究结果为柔性传感器的简易优化提供了实践依据，例如通过混合叠层设计平衡性能参数。

关键词：柔性传感器、Arduino、叠层结构、灵敏度、线性度

一、引言

1.1 研究背景

柔性压力传感器在机器人触觉、智能穿戴和医疗监测领域具有广泛应用。电阻式传感器因其结构简单、成本低廉成为研究热点，其核心原理是材料受压后电阻值变化。现有研究多关注新型材料开发，但现成材料的性能优化同样具有实践价值。

1.2 研究意义

通过现成材料组装传感器，可快速验证结构参数（尺寸、层数）对性能的影响规律，避免复杂制备工艺。本实验为中学生理解传感器原理、掌握数据采集技术提供了可操作性强的实践案例。

二、 实验目的

2.1利用现成材料组装电阻式柔性压力传感器。

2.2测试传感器的灵敏度、线性度及重复性。

2.3探究材料尺寸与叠层数对性能的影响规律。

三、材料与方法

3.1 实验材料与设备

3.2 实验装置搭建

3.2.1 传感器组装

1. 尺寸分组：裁剪柔性薄膜为1×1cm²、2×2cm²、3×3cm²三组。

2. 叠层结构：每组尺寸分别叠加1层、3层、5层薄膜，层间用塑料纸隔离，铜箔胶带粘贴边缘作为电极。

3. 封装保护：用塑料纸包裹传感器边缘，避免电极短路。

3.2.2 数据采集系统

1. 电路设计（图2a）：

传感器与10kΩ电阻串联，接入Arduino A0引脚。

分压公式：

R_传感器=( V_out×10kΩ)/( 5V−V_out )

2. 代码编写（附录1）：

使用Arduino IDE读取A0电压，计算并输出电阻值，采样频率10Hz。

3.2.3 测试流程

1. 压力加载：将传感器置于亚克力压板下，逐级放置砝码（0.5N-5N）。

2. 数据记录：每次加载稳定后，记录10秒内电阻平均值。

3. 重复性测试：同一样本连续加载/卸载3次，计算电阻偏差。

正式操作：

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串口监视器，等待约2分钟，读取传感器的电阻值。

四、数据处理与分析

4.1 数据记录表（部分示例）

4.2 性能指标计算

1. 灵敏度（S）：

S=ΔP/ΔR= (R_初始−R_加载)/P_加载

示例：2×2cm²样本（1层）在0.5N时，S= (1000Ω−850Ω)/ 0.5N =300Ω/N。

2. 线性度（R²）：

使用Excel对压力-电阻数据进行线性拟合，计算确定系数R²。

示例：1层样本R²=0.78，5层提升至0.94。

4.3 关键规律分析

4.3.1 尺寸对性能的影响

数据对比：

结论：小尺寸灵敏度高但线性度差，大尺寸反之，无统一规律。

机制推测：小尺寸边缘接触电阻占比大，压力分布不均导致非线性响应。

4.3.2 叠层数对性能的影响

灵敏度下降：

叠层数从1增至5层，灵敏度从2.1Ω/N降至0.9Ω/N。

原因：结构刚度提高，形变量减少（类比“厚书比薄书更难压弯”）。

线性度提升：

R²值从0.78（1层）升至0.94（5层）。

原因分析：多层叠加均化局部压力分布，减少接触点随机波动。

在对于传感器性能与材料大小之间的关系的研究中，未发现统一、明显的规律。

在对于传感器性能与材料层数之间的关系的研究中，发现实验中加载时传感器层数越多，线性度就越好，但灵敏度就越差。

五、结果与讨论

5.1 核心结论

5.1.1性能权衡关系：

1层结构：适合高灵敏度场景（如微压力检测），但线性度较差（R²<0.8）。

5层结构：适合需高线性度的定量分析（如电子秤），灵敏度降低约57%。

5.1.2尺寸选择建议：

2×2cm²样本综合性能最优（灵敏度1.8Ω/N，R²=0.85）。

5.2 误差分析

1. 接触电阻波动：铜箔胶带与薄膜接触不稳定，导致基线电阻漂移（±3%）。

2. 压力加载偏差：手动放置砝码倾斜可能引起局部压力集中（图5a）。

3. 环境干扰：实验室温湿度变化导致薄膜电阻轻微波动（±1.5%）。

5.3 创新与改进

5.3.1低成本创新：

总成本低于20元，材料可重复使用。

提出“混合叠层法”：中心区域叠加3层（高线性度），边缘保留1层（维持灵敏度）。

5.3改进方案：

尽管实验已经取得了一些研究成果，但仍存在一些问题需要进一步研究。例如，明显观察到，在压力突然变大或变小后，读数会突然上升，然后逐步下降，下降曲线形似双曲线的一支；由于上述事实，在实验时必须建立统一的读数规范。这也对实验造成了困难。另外，卸载实验时，一些传感器读数发生混乱；卸载实验出现操作问题等。还有进一步优化空间。

硬件优化：3D打印导杆夹具确保垂直施力（图5c）。

材料升级：使用导电银胶替代铜箔胶带，降低接触电阻。

六、结论

1. 叠层数是调节灵敏度与线性度的有效参数，可通过结构设计平衡二者矛盾。

2. 现成材料组装方案成本低、操作简便，适合中学生开展传感器探究实验。

3. 未来可结合3D打印技术定制夹具，进一步提升测试精度与可重复性。

七、参考文献

1. Arduino官方文档. “AnalogRead Serial示例”. https://www.arduino.cc

2. 隋京梁. 电阻式柔性压力传感器的准确性提升和应用[D]. 东华大学, 2021.

附录

1：Arduino数据采集代码

2：注意事项

1. 安全操作：避免弯折传感器薄膜，防止永久损坏。

2. 电路检查：连接导线前关闭电源，避免短路。

致谢

感谢徐州一中给予“科探方舟”探究性研究这样新颖的科研机会，为我们提供了丰富的实验素材。吴老师对本课题进行了悉心指导，在电路搭建中的技术支持。课题组其他成员分别做了相关的实验，我也借鉴了一些成果。利用假期，我重新实验记录并予以总结，形成了以上报告。一并感谢！