【摘要】

本研究围绕柔性压力传感器展开，通过自制不同面积和压敏导电纸层数的传感器，测试加载压力时的电阻和电导，探究面积和层数对压电性能的影响，以深入理解传感器原理及关键参数意义，为优化设计提供参考。结果表明压力与电导呈正比线性关系，提高电阻变化率可提升灵敏度，且展示了其在多领域的应用前景。同时，针对不同尺寸和层数的传感器，分析得出了各自的最优结论。

【关键词】柔性压力传感器；压电性能；灵敏度；

研究背景

在当今科技飞速发展的时代，可穿戴电子设备和医疗健康监测领域正以惊人的速度崛起。随着人们对便捷、舒适和智能化生活的追求不断提高，柔性压力传感器作为关键的电子元件，在众多领域展现出了巨大的应用潜力。无论是在航空航天领域对飞行器关键部位的压力监测，还是在生物医学领域为患者提供实时的生理参数检测，柔性压力传感器都发挥着不可替代的作用。

传统的刚性材料压力传感器，尽管在长期的发展过程中技术已经相对成熟，但不可忽视的是，其体积较大以及无法承受大形变的缺点，使得它们在柔性交互等新兴场景中的应用受到了极大的限制。而柔性压力传感器凭借其可弯曲、可变形的独特特性，能够完美地适应各种复杂的形状和动态的环境，从而在众多领域得到了广泛的应用。

本研究聚焦于电阻型柔性压力传感器，通过自制不同规格的传感器，深入探究影响其性能的各种因素。采用居家实验的方式，不仅能够节省大量的时间和成本，还能使实验结果更加清晰直观。这种方式尤其适用于对压阻型传感器相关特性的测试，为进一步优化柔性压力传感器的性能提供了切实可行的途径。

随着科技的不断进步，柔性压力传感器的研究和发展必将为我们的生活带来更多的便利和创新，为各个领域的发展注入新的活力

一 实验材料

1.1 实验仪器：

100ml量筒

电子称（500g/0.1g）

1000ml量杯

Arduino UNO开发板

1.2 实验材料：

柔性压力传感器制备套装

传感器性能测试套装

二 研究过程

2.1 不同传感器大小对传感器传感性能的影响研究

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）

用直尺和剪刀裁剪边长为1.5cm的正方形压敏导电纸，再裁剪两块长1.3cm、宽1.3cm（铜箔尺寸略小于压敏导电纸）且接线端长6.0cm的铜箔胶带，裁剪前在铜箔胶带背面离型纸绘制图案。接着裁剪两块边长为3.5cm的PET薄膜（薄膜尺寸略大于压敏导电纸），并在薄膜表面绘制方框用于确定位置。

压力传感器的组装

将铜箔胶带粘贴在PET薄膜对应位置，保留接线端背面离型纸。把压敏导电纸夹在上下铜箔之间，用双面胶固定PET薄膜边缘，完成组装。

传感器性能的测试

压阻式传感器的制作：按上述方法制作2.0cm×2.0cm、1.5cm×1.5cm、1.0cm×1.0cm三种传感器。

电阻数据采集系统的搭建：依据参考电路连接示意图搭建硬件电路，由Arduino UNO板、压力传感器和10KΩ电阻组成分压电路用于测试电阻，从指定网站下载Arduino安装包并安装。

正式实验：将传感器压力感应部分用双面胶贴在桌面，接线端用胶带固定。打开Arduino IDE串口监视器，等待2min后读取电阻值。期间称圆柱塑料容器和圆形垫板质量并记录，将它们叠放在传感器上方，圆心正对传感器中心，再次等待2min读取电阻值。称取100g清水备用，读数后将其加入烧杯，每2min加一次并读取电阻值，直到容器加满。如图片 1实验照片

图片 1实验照片

2.2 不同压敏导电纸层数对传感器传感性能的影响研究

多层柔性压力传感器的制作

利用上述方法制作压敏导电纸层数为1、2、3、4、5层的传感器（尺寸为1.5cm×1.5cm）。

传感器性能的测试

采用上述传感器性能测试方法研究不同层数压敏导电纸的传感性能。

三 结果与分析

3.1 不同尺寸传感器的性能分析

电导随载荷变化趋势

从表格 1加载时不同大小压力传感器在不同载荷下的电阻和表格 2加载时不同大小压力传感器在不同载荷下的电导中可以看出，随着施加载荷的增加，不同尺寸的压敏导电纸电阻均呈现下架趋势、电导均呈现上升趋势。

表格 1 加载时不同大小压力传感器在不同载荷下的电阻

表格 2 加载时不同大小压力传感器在不同载荷下的电导

例如，当施加载荷从110g增加到810g时，尺寸为2.0*2.0cm的传感器电导从0.00871（1/Ω）增加到0.00492（1/Ω）；尺寸为1.5*1.5cm的传感器电导从0.00168（1/Ω）增加到0.00885（1/Ω）；尺寸为1.0*1.0cm的传感器电导从0.00145（1/Ω）增加到0.01075（1/Ω）。

尺寸对电导变化幅度的影响

在相同载荷下，尺寸越小，电导增加的幅度相对越大。以610g载荷为例，尺寸为2.0*2.0cm的传感器电导为0.00362（1/Ω），尺寸为1.5*1.5cm的传感器电导为0.00654（1/Ω），尺寸为1.0*1.0cm的传感器电导为0.00752（1/Ω）。这是因为较小尺寸的传感器在受到相同压力时，内部导电材料的变形相对更大，导致导电通路的变化更显著，从而电导变化更大。

3.2 不同层数传感器的性能分析

电阻和电导随载荷变化趋势由表格 3加载时不同压敏导电纸层数传感器在不同载荷下的电阻和表格 4加载时不同压敏导电纸层数传感器在不同载荷下的电导可知，在加载过程中，随着施加载荷的增加，不同层数压敏导电纸传感器的电阻呈现下降趋势、电导均呈现上升趋势。

表格 3加载时不同压敏导电纸层数传感器在不同载荷下的电阻

表格 4加载时不同压敏导电纸层数传感器在不同载荷下的电导

以施加载荷从0g增加到1105g为例，1层压敏导电纸的电导从0.000042（1/Ω）增加到0.001475（1/Ω）；2层压敏导电纸的电导从0.000041（1/Ω）增加到0.000822（1/Ω）；3层压敏导电纸的电导从0.000019（1/Ω）增加到 （1/Ω）；4层压敏导电纸的电导从0.000022（1/Ω）增加到0.001179（1/Ω）；5层压敏导电纸的电导从0.000014（1/Ω）增加到0.000989（1/Ω）。

对比不同层数可以发现，在相同载荷下，层数越多，初始电导越低，但电导随载荷增加的幅度并非简单的层数越多增加越快。例如在305g载荷时，3层压敏导电纸的电导为0.000374（1/Ω），大于2层压敏导电纸的0.000289（1/Ω），但小于4层压敏导电纸的0.000357（1/Ω）。这可能是由于多层结构中，导电层之间的相互作用以及压力传递导致的。

电阻和电导的线性分析

从拟合结果来看，不同层数的传感器在电阻和电导方面均呈现出较高的线性度。1层压敏导电纸电导的相关系数为R²=0.9912；2层的为R²=0.9971；3层的为R²=0.9932；4层的为R²=0.9988；5层的为R²=0.9976。这些较高的相关系数表明传感器的输出电导与压力之间具有良好的线性关系。如图片 1电阻-压力（R-P）静态特性曲线和图片 2电导-压力（1/R-P）静态特性曲线。

四 结论

4.1 不同尺寸传感器

传感性能与尺寸关系

在相同条件下，随着施加载荷的增加，不同尺寸的压敏导电纸电导均呈现上升趋势，且尺寸越小，电导增加的幅度相对越大。

从传感性能综合考虑，较小尺寸的传感器在受到相同压力时，内部导电材料的变形相对更大，导致导电通路的变化更显著，从而电导变化更大，对压力的响应更为敏感。因此，对于对压力敏感度要求较高的应用场景，较小尺寸（如1.0*1.0cm）的压敏导电纸可能更为合适。

4.2 不同层数传感器

传感性能与层数关系

在相同条件下，在一定范围内，压敏导电纸层数越少，柔性压力传感器的传感性能越好。随着层数增加，电导灵敏度呈现出先增大后略有减小的趋势。以电阻和电导的线性度而言，不同层数的传感器在电阻和电导方面均呈现出较高的线性度，但层数过多可能会导致内部结构过于复杂，影响电阻和电导与压力关系的稳定性。

综合考虑，对于需要较高传感性能和较好稳定性的应用场景，选择4层的压敏导电纸可能是一个较为优化的方案。这是因为在这个层数，既能保证较高的电导灵敏度，又能维持较好的电阻和电导与压力关系的稳定性。

这些结果为传感器的应用和优化提供了理论依据，展示了其在多领域的应用潜力，如智能穿戴设备中监测生命体征及改进家居用品舒适性等。

参考文献

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