电容式薄膜压力传感器 托利多传感器+模块HLJ-500KG：电容式压力传感器的原理是什么？
托利多传感器+模块HLJ-500KG：电容式压力传感器的原理是什么？
电容式压力传感器 是一种基于电容变化原理来测量压力的传感器，其基本工作原理是，当外界压力作用在传感器上时，会导致其内部电容器的几何参数(如电极之间的距离或电极的表面积)发生变化，从而引起电容值的变化。通过测量电容值的变化，便可以推算出外界施加的压力。以下是对电容式压力传感器工作原理的详细介绍:
1.基本结构
电容式压力传感器主要由以下几个部分组成:
电容元件:通常由两个平行的电极板构成，中间夹有一个绝缘的介质材料(如空气、玻璃、陶瓷等)。
弹性膜片:一块能够在压力作用下发生形变的薄膜，通常是金属或聚合物材料。
壳体:保护内部结构，通常具有输入/输出连接接口。
2.工作原理
静态电容值:在没有外界压力作用时，电容器的两个电极板之间的距离和介质材料的介电常教是固定的，因此电容值是恒定的。
压力作用:当外界压力作用在传感器的弹性膜片上时，膜片会发生形变(弯曲或偏移)，导致电容器的几何参数发生变化。具体来说，可能会有以下几种情况:
电极间距变化:压力导致膜片弯曲，电容器的两个平行电极板之间的距离发生变化，导致电容值变化。
电极面积变化:某些设计中，压力可能会改变电极的有效面积，从而影响电容值。
介电常数变化:在一些特定设计中，压力可能会改变介质材料的介电常数，从而影响电容值。
3.电容变化的测量
电容式压力传感器通过电路将电容值的变化转换为电信号(如电压或电流)输出，常见的测量方法包括电桥电路:将电容元件接入电桥电路，通过检测电桥的不平衡来测量电容的变化。
振荡电路:将电容元件接入一个振荡电路，电容变化会引起振荡频率的变化，通过测量频率的变化来推算压力,调制解调电路:通过调制和解调电容变化产生的信号来测量电容的变化。
复旦团队研发柔性压力传感薄膜，每秒可反馈30多个数据点
近日，复旦大学团队研发出一款能胜任各类日常使用场景的通用型柔性压力传感薄膜。
该传感膜具有较薄的厚度（0.7mm），可感知范围从人体轻微抚摸到激烈碰撞（1.84Pa 至 530kPa），每秒可反馈 30 多个数据点，低压力区间灵敏度达到 9.89kPa-1，且在 1 万次循环测试后并未表现出性能衰减。
整体来看，这款柔性压力传感薄膜兼具极宽的压力传感范围与优异的灵敏度。由于这款器件的形态是柔软的薄膜，因此可被轻松部署于多种设备的内部或表面。
另外，由于其性能覆盖范围较广，在实际应用中不需要进行选型和适配，因此，几乎可以胜任所有日常场景。
在相关论文中，研究团队演示了这款传感器检测指尖按压等微小力的能力，还演示了它在日常行走等场景下检测大区间波动压力的能力。
该团队负责人认为，随着传感器体积的不断减小，未来这款器件可以更好地与各类其他器件相结合，实现更智能、更友好的人机交互，从而用于虚拟现实、健康关怀等领域。
据介绍，柔性材料具有更加优异的弹性，能在受到外力时产生更大的本体形变，从而实现更高的传感灵敏度。
同时，由于其材料柔软，在与人体交互时，可以提供更友好、更舒适的反馈，因此非常适合用于力学传感。
另外，传统压力传感器的最终产品形态是一整块金属，其体积通常大于 8 立方厘米，柔性压力传感器则是一层柔软的弹性薄膜。因此，无论从成本还是形态而言，后者都是一类更为理想的传感器。
但是，该领域目前面临的一个问题是：这类传感器的几个主要参数比如灵敏度、量程、响应时间等，很难同时达到良好的水平。因此，虽然已经出现不少创新性研究成果，但在实际应用中依旧难以落地。
为了寻求突破，研究团队在传感器设计过程中，同时考虑了灵敏度、量程、稳定性、响应时间、检测限、薄膜厚度等六个影响使用的关键参数。
这六个参数其实是互相制约的，比如高灵敏度会限制检测限和传感量程，而要想实现较大的传感量程则需要通过提高器件厚度来实现。但是，弹性材料厚度的增加，会延长变形后的恢复时间，降低响应时间等。
为此，研究团队受人体手部皮肤的传感方式的启发，从材料的结构和弹性模量这两个维度进行协同设计。
在材料结构上，研究人员制备了具有阵列微结构的非对称互锁结构，该结构如同在碗口蒙了一张紧绷的牛皮。
当在其上放置一颗苹果，如果苹果上受到压力，就会使牛皮发生变形，从而获得传感信号。因为只有空气阻力，所以这款传感器表现出非常优异的检测限与灵敏度。
在弹性模量设计上，研究人员使传感器在受压方向上，具有从软到硬的梯度分布，尽可能保证传感器在受力越来越大的情况下，其变形的几何增量维持稳定，从而避免信号过快突变，这助力于实现较大的量程和较薄的厚度。
在将这两种设计理念融合之后，让之前的短板得到了补足，从而很好地平衡了不同参数的性能。
（来源：Advanced Functional Materials）
本研究的第一步是确定体系结构。
研究人员最初想借鉴以前工作中的想法，即使用微球阵列来制备小尺寸凹坑/穹顶微结构的方法。但是，在经过一番摸索之后，他们发现，小尺寸的微结构对于传感范围的提升帮助较小。
在调研大量文献之后，研究人员决定采用 3D 打印制备大尺寸模板的方案，并将传统的对称结构改进为非对称互锁结构，从而为本次传感器超宽的传感范围提供了基础。
本研究的第二步是选择传感机理。
在综合考虑目前柔性传感中的主流传感机制之后，研究人员认为电容式传感信号比较稳定，结构也相对简单，与此前设计的非对称互锁梯度模量结构十分契合。
确定传感机制之后，还需要进行中间介电层的材料选取。期间，研究人员使用了结构化电极的交联工艺，通过大量的样品制备和性能测试，最终模仿人体皮肤，设计了结构化电极和介电层梯度弹性模量的结构。
经过上述设计，非对称互锁结构可以确保高灵敏度并实现超宽范围的压力监测。
本研究的最后一步是在实际应用中展示该器件的性能。
研究团队聚焦于如今办公族和职业电竞选手逐年高发的手部疾病问题，研制并搭建了一个集识别、反馈和调节为一体的智能可调节鼠标。
得益于该传感器的优异性能，这款智能鼠标在使用时，能够进行实时自我调节，从而有助于缓解使用者手部的长期使用疲劳。这为下一代柔性传感在健康医疗和人机交互领域的应用提供了新的思路。
最终，相关论文以《用于超宽压电容压力传感应用的具有模量梯度的不对称互锁结构》（An Asymmetric Interlocked Structure with Modulus Gradient for Ultrawide Piezocapacitive Pressure Sensing Applications）为题发在 Advanced Functional Materials[1]。
图 | 相关论文（来源：Advanced Functional Materials）
复旦大学博士生马言是第一作者，复旦大学石澜青年副研究员和武利民教授担任共同通讯作者。
图 | 石澜（来源：石澜）
研究中，研究人员还迸发出一个非常奇妙的新灵感，该灵感使他们有希望实现一种迄今为止从未有过的新型压力传感器，它的独特特性可能会为整个行业注入新的活力。
“然而，为了保持研究的创新性，具体信息我们暂时还不能透露。”石澜表示。
研究人员还谈到，在进行柔性压力传感的研究中，有时候会有一种无从下手的感觉，因为目前这一领域给人一种仿佛所有问题都已解决，但又仿佛都没有解决的感觉。
具体而言，柔性材料内部相对松散的分子结构使其在实验室条件下展现出许多令人惊叹的性能，然而在大规模生产的条件下，要实现高度一致性与传感精度却充满挑战。
正是这一特性让这类器件距离真正走进千家万户还需要走很长的路。“因此，我想呼吁学界和业界能更频繁地交流，共同探讨应用难题的解决方案。唯有如此，才能更好地将科研成果转化为切实可行的产品。”石澜表示。
参考资料：
1.Ma, Y., Li, Z., Tu, S., Zhu, T., Xu, W., Chen, M., ... & Wu, L. (2023). An Asymmetric Interlocked Structure with Modulus Gradient for Ultrawide Piezocapacitive Pressure Sensing Applications. Advanced Functional Materials, 2309792.
运营/排版：何晨龙
相关问答
压差 传感器 信号不可信怎么维修你好,如果压差传感器信号不可信,可以尝试以下维修方法:1.检查传感器连接是否松动或腐蚀,如果发现问题,可以清洁连接器或更换连接器。2.检查传感器本身是...
压力传感器压力 低，怎么处理?第一种是压力上去,变送器输出上不去。此种情况,先应检查压力接口是否漏气或者被堵住,如果确认不是,检查接线方式和检查电源,如电源正常,则进行简单加压,看...
曲轴箱 压力传感器 的作用和工作原理(图) - 汽车维修技术网[回答]出于法律规定,必须监控曲轴箱通风装置是否泄漏。因此,压力传感器监控曲轴箱内的负压。热膜式空气质量计可能因此失效。曲轴箱压力传感器集成至在2条...
气压 传感器 是怎样检查好坏?气压传感器的检查方法取决于具体的传感器类型和使用环境,但一般可以通过以下步骤进行检查:气压传感器的好坏可以通过检查来确定。气压传感器在工作中可能会受...
胎压 传感器 多少钱 怎样判断胎压 传感器 坏了[最佳回答]胎压传感器可以自动实时监测各种轮胎状况。当汽车启动时,安装在每个轮胎上的传感器会通过无线信号将胎压、轮胎温度等数据传输到中央接收器。接收器...
压差 传感器 正常电阻是什么意思?在压差传感器正常电阻是指在正常工作条件下,压差传感器两端之间的电阻值。压差传感器是一种测量流体或气体压力差异的传感器,其工作原理通常基于电阻变化或电...
传感器压力 过高什么原因?可能存在以下原因:1,传感器内部元件损坏,引起短路.2.线路搭铁,形成回路,造成传感器电压过高.3.与之相关电器部件损坏,造成电压过高.表明电脑遇到个逻辑错...
电容式传感器 的工作原理是怎样的?传感器(英文名称:transducer/sensor)是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满...
增压 压力传感器 的安装位置和作用 - 汽车维修技术网[回答]qcwx_s2()
传感器 的安装位置与方法?通常高温熔体压力传感器的损坏都是由于其安装位置不恰当而引起的,如果将传感器强行安装在过小的孔或形状不规则的孔中,就有可能造成传感器的震动膜受到冲击而...