Датчик давления с высокой чувствительностью и широким диапазоном линейности, основанный на иерархическом принципе

npj Flexible Electronics, том 6, номер статьи: 62 (2022 г.) Цитировать эту статью

2688 Доступов

6 цитат

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Гибкий пьезорезистивный датчик давления с высокой чувствительностью в широком диапазоне линейности привлекает огромное внимание благодаря своим применениям в мониторинге здоровья, искусственном интеллекте и человеко-машинных интерфейсах. Здесь мы сообщаем о иерархическом заполнении пористого пьезорезистивного датчика (HPPS) на месте путем печати прямыми чернилами (DIW) и отверждения эмульсии углеродных нановолокон (CNF)/полидиметилсилоксана (PDMS). Иерархическая геометрия значительно увеличивает площадь контакта, распределяет напряжение на многослойную решетку и внутреннюю пористую структуру, что обеспечивает широкий диапазон срабатывания. Более того, в отличие от обычной полой пористой структуры, сети УНВ, заполняющие пористую структуру на месте, создают больше мест контакта и проводящих путей во время сжатия, тем самым достигая высокой чувствительности и линейности во всем диапазоне измерения. Таким образом, оптимизированный HPPS обеспечивает высокую чувствительность (4,7 кПа-1) и линейность (коэффициент детерминации R2 = 0,998) в широком диапазоне (0,03–1000 кПа), а также замечательное время отклика и повторяемость. Кроме того, продемонстрировано применение в различных сценариях давления и мониторинге здравоохранения.

Гибкие датчики давления, способные преобразовывать тактильную информацию в электрические сигналы, привлекли огромное внимание из-за их многообещающего применения в мониторинге здоровья1,2,3,4,5, искусственном интеллекте6,7, человеко-машинных интерфейсах8,9,10, робототехнике11, 12 и т. д. Обычно гибкие датчики давления делятся на четыре типа в зависимости от механизма чувствительности: пьезорезистивные13,14, емкостные15,16, пьезоэлектрические17,18 и трибоэлектрические19,20. Среди этих датчиков давления пьезорезистивные датчики, которые передают механическую информацию в изменение сопротивления, имеют множество преимуществ, включая низкое энергопотребление, простоту сборки устройства, простой сбор сигнала и т. д. Однако большинство опубликованных пьезорезистивных датчиков давления страдают низкой чувствительностью или плохой линейностью. в широком диапазоне. Для широкого распространения датчиков давления в большем количестве сценариев применения идеальные датчики давления требуют высокой чувствительности и высокой линейности в широком диапазоне измерения.

Недавно сообщалось о нескольких стратегиях повышения чувствительности и линейности. Изготовление наноструктур или геометрий микроструктур (таких как морщины21, микропирамиды22, микрокупола23, микростолбы24, структура блокировки25 и т. д.26,27) на гибкой подложке может значительно повысить чувствительность из-за низкого начального тока и большой деформируемости при низком напряжении. Например, Тао и др.28 сообщили о блокирующемся пьезорезистивном датчике давления на основе микрокупольной структуры с высокой чувствительностью 53 кПа-1 и диапазоном давления от 58,4 до 960 Па. чувствительность и линейный отклик действительны только в низком диапазоне срабатывания (<10 кПа). Для расширения диапазона линейного измерения введение пористой структуры оказалось эффективным способом из-за высокой сжимаемости и образования значительных проводящих путей во время сжатия. Сынхван и др.29 разработали датчик из пористой губки с чувствительностью 0,01–0,02 кПа-1 в широком диапазоне измерения от 10 Па до 1,2 МПа. Тем не менее, поры увеличивают расстояние между проводящими наполнителями, что препятствует контакту проводящих наполнителей и образованию проводящих путей. Таким образом, большинство пористых датчиков давления обладают низкой чувствительностью (<1 кПа-1) в широком диапазоне. В нескольких исследованиях была предложена многоуровневая или многомасштабная иерархическая структура с улучшением как чувствительности, так и линейного диапазона измерения. Например, Youngoh Lee и др.30 изготовили тактильный датчик с геометрией многослойного взаимосвязанного микрокупола, который продемонстрировал высокую чувствительность 47,7 кПа-1 в диапазоне от 0,0013 до 353 кПа. Однако диапазон линейного чувствительности датчиков все еще недостаточен. Следовательно, существует острая необходимость в изготовлении датчика давления с высокими характеристиками (например, с линейным откликом и высокой чувствительностью более 1 кПа-1 в диапазоне до 1 МПа) простым и экономически эффективным способом.