柔性薄膜压力传感器是一种基于可折叠的衬底的柔性传感器。其结构紧凑，仅为几个像素厚，通常只有几微米宽，因此能够精确地测量压力，从而改变传感器测量的敏感度。柔性显示材料中普遍使用一些高质量和长寿命的薄膜层来提供高灵敏度和分辨率，而不是传统的衬底压电元件。随着用于柔性显示和可穿戴设备等应用领域以及在工业上应用这类设备，柔性压力芯片在未来智能硬件系统中的使用率会越来越高。此外，该器件将需要更低成本、更长时间的稳定时间（例如在测试期间）来处理信号，这也有助于其在可穿戴设备或其他市场上继续获得广泛应用。在智能设备中用到的传感器是一个非常大且昂贵的系统，尤其是对于传感器产品而言。

一、传感器概述

由于智能硬件系统能够实时响应外界变化，因此其在未来发展的趋势是具有高分辨率、宽动态范围以及高可测量度的特性。例如，对于柔性显示产业，其智能感知可与 OLED相媲美。在智能硬件系统中最常用到的传感器就是压力表和传感器。因此压电元件的广泛应用不仅是因为它具有灵敏低功耗等优点，而且还因为它为设备提供了更精确快速、动态可靠工作范围更大之类的优势。此外压力表和压力传感器都能够实时感知输入的压力信号而进行分析、处理并实现输出。

二、原理及性能

柔性压力传感器由表面贴装层和弹性薄膜构成。表面贴装层由一种薄而透明的聚合物薄膜构成，它具有均匀的电荷密度，能同时承受两个方向上的载荷（一压一放）。当压力增加时，电荷密度迅速变化，同时由于弹性薄膜上的电压变化，可以观察到电压值的动态变化趋势。为了满足要求，将压电膜在薄薄的柔性器件表面包覆以形成纳米级厚膜。对于较小的压力传感器如空气或液体气体测试其压力时，其结果取决于压力和温度；对于较大压力传感器如微机电系统测试则取决于压力随时间的线性关系。在特定环境下，可以改变这些薄膜层的宽度或厚度以测量更高性能下的载荷。因此，根据产品类型选择不同的厚度能够提供较高精度和分辨率。

三、成本分析

对传感器的成本进行评估是很重要的，尤其是对于各种类型的智能设备而言。因为成本过高，所以制造商很难有利润。因此，当这些传感器使用时它们通常使用大量的材料和金属，而不是高质量的薄膜。与使用低质量和高性能薄膜的传统压电器件相比，这些技术具有更高的技术要求。柔性薄膜压力传感器在使用这种材料时有很高的成本。因此智能设备应用中具有高敏感度和分辨率的传感器是一个挑战，因为柔性压力传感器需要比传统压电元件更长、更稳定和更高质量的薄膜层作为保护层。

基于薄膜的压力传感器技术是一种能够同时测量气体压力和液体压力的新型传感器，用于各种应用，包括压力测量设备、传感器元件。它可以与气体压力传感器结合使用，也可以单独使用，或者可以在不同应用中使用。这类传感器通常具有高灵敏度，并且由于所使用的薄膜材料具有良好的机械性能，因此可以适用于各种应用。柔性薄膜压力传感器是一种高精度传感器，与常见的普通传感器相比，具有较高的灵敏度和响应速度。柔性薄膜压力传感器有很多不同类型，包括柔性薄膜压力传感器结构和基于气体压力传感器组合的柔性薄膜压力传感器电路。

1、柔性薄膜压力传感器结构

柔性薄膜压力传感器的主要特点是，在施加的压力下，薄膜压力信号会出现散射，这会导致测量数据偏离值或异常值。在传感器内部产生一种压差信号，这将导致信号发生异常变化或发生异常现象，进而引起对器件性能和测量结果的影响。柔性薄膜压力传感器采用基于聚合物薄膜制造技术，该技术使薄膜压力传感器具有很好的机械性能和较高的灵敏度。这种柔性薄膜压力传感器通常由两部分组成：外壳（刚性传感器外壳）以及封装（柔性传感器外壳),这些刚性柔性传感器外壳主要由弹性、绝缘和耐热性等材料制成；外壳还设有压力室（即传感器表面);柔性传感器外壳（即压力传感器外壳）是柔性压力室的核心部分。

2、基于气体压力传感器组合的柔性薄膜压力传感器电路

采用气体压力传感器技术组合的柔性薄膜压力传感器电路是在薄膜压力传感器元件基础上增加测量气体压力以及固体压力等多种测量方法的组合。气体压力传感器分为固定、可调、可变三种类型。固定型可调气体压力传感器用于测量气瓶附近所施加的气体压力；可调式气体压力传感器用于测量气体压力；可变型气体压力传感器用于测量液体压力，并可以同时测量气体压力和液体压力。由于上述多种类型传感器之间能够互相协调使用，因此，这些传感器非常适合组合使用。

3、基于薄膜压力的传感器元件

在柔性薄膜压力传感器中，可以使用与环境相匹配的传感器元件。例如，如果环境湿度较大，或者压力可能对薄膜造成损伤，则可以使用压力传感器元件。此外，还可以使用气体传感器元件来测量气体压力，并将其用于特定气体测量。由于大多数环境湿度对气体压力影响很小，因此具有很好地环境适应性，并且传感器对于各种流体来说都不会损坏。与传统气体压力传感器相比，柔性薄膜压力传感器采用各种薄膜材料进行制造，而且它具有很高的灵敏度和响应速度。因此可以很好地应用于各种环境中要求快速、准确且高性能传感器元件设计方面。

4、使用环境

温度：在-50℃到+125℃之间。压力：在5到200 ppm之间的范围内。湿度较低。腐蚀性：酸碱。

柔性薄膜压力传感器(SFRA)是指将压力传感器安装在可弯曲的压力表中，以检测压力信号的器件。SFRA是基于半导体材料中已知的弹性系数和弹性模量（例如应力和应变）来测量与传感器输入有关的力矩信号的电子装置。目前, SFRA已广泛用于各种用途。例如用于检测压力和位移加速度计和压力传感器的压力信号转换器。为了测试不同柔性薄膜压力传感器之间的差异，还需要进行校准。例如用光学和光电子传感器测量 SFRA表面和底面之间的压力；用硅微带光学传感器测量每个位置和角度上不同压力信号的传感器。

1.在印刷电路板中, SFRA具有极高的柔性，同时还可以与印制电路板结合使用。

印刷电路板通过印刷在一层或多层 SFRA上并作为一个整体来进行设计。印刷电路板具有相同的几何形状和功能结构。SFRA将为板提供基本的力矩和加速度信号。如果电路板上存在一个或多个平面（如刚性印制板),则无法实现足够的刚度，从而影响 SFRAs性能和可靠性。因此，许多 SFRAs应用需要根据印制板中印刷压力和加速度传感器或其他元件而设计。

2.在可穿戴设备中, SFRA能够检测到人体任何部位发生的压力变动，包括关节和身体其他部位。

这种非接触的监测，包括压力监测，压力校准和压力监控。除了可以用于检测外, SFRA还可以用来测量人体的重力加速度。当外力施加到 SFRA上时, SFRA上的压力信号就会将人与外界环境交互。人体对外界的情绪是由人与自身身体环境产生的。当外部环境发生变化时（例如气温急剧变化),由于皮肤被拉起，皮肤内部会释放出大量能量。随着时间的推移这种能量和温度的积累会导致皮肤在一定时间内发生变形。当外部环境发生变化时（例如突然变冷、变热) SFRA上的压力信号就会使人体发生剧痛（如疼痛),从而影响人们对外界状态的感知，并影响整个健康状况。

3.在消费电子产品中，我们经常使用 SFRA来检测温度，位置和气压数值。

在压力传感器的应用中，许多温度传感器需要具有精确到毫秒的应变系数，因此必须具有低至0.1 Mpa的应变。其他温度传感器使用标准传感器，通常与温度传感器一起使用。这些温度传感器通常由热、化学介质和其他因素引起，这些因素通常对 SFRA器件产生不利影响。因此，它们通常需要具有较低至0.05 Mpa压力的新版本。除了温度传感器外，柔性薄膜压力传感器还用于气压传感器和气压放大器。使用高分辨率和低成本传感器和放大器可以为用户提供更好的稳定性和更大的范围。

压力传感器的应用领域非常广泛，在机械、电子、农业、冶金、纺织、包装、化工、建筑、制药、医疗器械及其材料等领域都有广泛的应用。目前，我国已研制出多种适用于不同应用场合的柔性压力传感器。其中常用的柔性压力传感器有 TDF、 SDI两种，它们的量程可通过国家质量监督检验检疫总局产品质量监督检验研究院对其国家标准中相应参数的规定来确定，而 TDF则是以中国标准化研究院对其国标所采用的标准值为基础制定和修订。TDF单位是美国标准技术协会 TISO标准下对器件、传感器、微机系统和材料施加了约束的体积，其单位为 KPJ/mm （克）。

1、什么是量程？

量程就是压力测量值的单位。以 GB/T20934-1999 《仪器仪表通用规范》为例，它规定：测量值(MJ)=1×(1+ J× K)/N= K*KP- J。其中 K——压强; J——测量压力; N——温度; K+ i→ q (取两者之和）例如：一个25公斤重的汽车，其压力能达到1兆帕，其体积能达到0.03立方英寸，那么汽车的气压就是1596.67 Mpa。当把一块厚度为10毫米的薄膜用真空压缩成0.5×2.5立方米薄片，然后压入到一个1立方英寸的容器中，它所能承受的压力等于20 Mpa左右，那么这个容器就叫量程了。

2、定义

即：对器件、传感器、微机系统和材料施加了约束的体积。它由材料的基本物理性质和表面张力决定。

3、单位转换

1)定义：一个固定的质量单位: KPJ/mm (克)-千克(K),其中 KPJ的定义和国际计量单位制保持一致。KPJ的定义：通过将质量转化为常数，并在国际单位制下进行单位转换。千克就是常数，它是质量的计量单位，千克的常数的定义与国际单位制保持一致。2)特性：在物理上或逻辑上, KPJ是一种质量单位，它没有绝对的物理量。3)优点：它的输出是线性或准线性的，而且可根据不同条件和要求进行适当的转换，因此可广泛用于测量要求不确定的物理量。4)缺点: KPJ转换的计算工作量大、速度慢。

4、单位定义

单位定义是将质量或其他基本物理量，如温度、压力等，与长度、体积等相联系，用适当的方式在实验室中实现的过程，或以它们在整个世界范围内实现的过程。KPJ是最常见的、也是最常用的单位名称，它是世界质量单位“千克”的中文译名，在国际计量单位制中，采用了定义为“千克”的常数，即“千克”是自然量子力学的基本单位之一。KPJ的定义是：1、千克是物体中质量之最关系的单位，它指：千克是一种物质。2、千克标准质量：千克是物体中所承受的最高压力。3、千克质量比：千克是一种质量单位。

5、单位单位

在所有单位中，测量精度最重要的一个参数是位移(KPJ)。美国国家标准技术协会(NIST)标准规定位移与 K的关系为：通过计算, K是最小的位移，因此，位移最小的点叫做 K点，以 kPJ为单位。为了便于理解，在将位移单位转换为单位 kPJ时，应该首先用 KPj作为量，然后用它再加上 K点作为单位。一般在传感器设计过程中，我们会采用 KPJ这个物理量来作为压力的量程。而其他单位包括 KP+ kPJ、 KPJ+ kJ、KPJ- kF MQ kD等。

柔性薄膜压力传感器是由半导体器件和物理元件组成的。半导体器件由基板、贴片电阻、基板电阻元件、贴片电阻元件、衬底和封装层组成。柔性薄膜压力传感器可以实现温度/压力传感器特性，因为它们可以在一个系统中实现多种不同的功能和性能。利用柔性薄膜压敏电阻和温度/压力传感器可以更好地探测和控制压力。薄膜压敏电阻使用基板电阻元件可以更好地控制信号强度、灵敏度和响应时间等；薄厚度的薄膜型压敏电阻则可以使信号更加稳定、更加可靠；与基板电阻元件相比薄的薄膜型压敏电阻信号响应时间更快。薄膜压敏电阻使用温度/压力传感器可以检测与温度/压力相关的信号并测量信号变化状态。

一、柔性薄膜压力传感器主要用于测量环境条件的影响，它也可以是独立的机械装置。

它们还可以在一个系统中支持多种功能和性能。温度/压力传感器可以使用硅，锗或其他不同的材料，例如硅，铟或砷化镓，或者硅，氮化镓等新材料。温度/压力传感器还能够被应用在各种应用中。在现代应用中，这些器件提供与标准设备相同的性能，如温度、压力测量或压力检测测试。不同于传统硅器件所需的高成本高功率密度特性，压计所需的功率密度一般不超过50 W/mk。压计用于测量和控制温度/压力水平和设备运行时变化的情况。薄膜压敏电阻传感器是目前应用广泛的柔性薄膜压力传感器种类之一了。

二、柔性薄膜压力传感器用于工业自动化系统，比如汽车、机器手臂等，可以为人类的工作和生活提供更加便捷化和智能化的服务。

汽车上使用的柔性薄膜压力传感器的一种。采用这种测量方法可以精确控制汽车周围的高负载情况，并且非常适用于汽车行驶过程中检测和控制车辆的转向。汽车轮胎具有许多独特的作用，例如对振动非常敏感，因此当车辆速度过快或过慢时就会导致严重的后果。因此，汽车制造商将这种传感器应用在轮胎上，可以提供及时、准确地数据，从而确保轮胎对任何速度和方向都不会产生太大影响。机器手臂在我们日常生活中随处可见，机器在工作时主要通过视觉来判断所处环境并做出相应回应或动作。因此它需要非常精确的压力计算来对其进行控制，以保证机器运行时最大程度地减少故障发生所带来的影响。

三、柔性薄膜压力传感器广泛应用于农业灌溉自动化和工业控制领域，尤其是在作物与水的互动与控制方面。

灌溉和控制系统可以对田间水的流量和水温进行实时监控，以便及时采取行动解决问题。利用温度和压力信息可以提高作物的产量和品质。利用对土壤压力的监测可以实时了解作物缺水的程度。利用这个特性将水肥管理系统与计算机进行连接时，水可以得到自动控制以保证作物正常生长状态。利用温度和压力信息可以确保灌溉过程中作物水肥效果与最佳配比。对于农业灌溉系统中大量使用水时，如何避免使用昂贵或者是有害的水资源是至关重要的。