Sensor de pressão de alta sensibilidade e ampla faixa de linearidade baseado em hierarquia

Sep 01, 2023

npj Flexible Electronics volume 6, número do artigo: 62 (2022) Citar este artigo

3219 Acessos

10 citações

1 Altmétrico

Detalhes das métricas

Sensores de pressão piezoresistivos flexíveis com alta sensibilidade em uma ampla faixa de linearidade têm atraído enorme atenção por suas aplicações em monitoramento de saúde, inteligência artificial e interfaces homem-máquina. Aqui, relatamos um sensor piezoresistivo poroso de preenchimento in-situ hierárquico (HPPS) por impressão direta com tinta (DIW) e cura de emulsão de nanofibras de carbono (CNFs) / polidimetilsiloxano (PDMS). A geometria hierárquica aumenta significativamente a área de contato, distribui a tensão pela estrutura multicamadas e pela estrutura porosa interna, resultando em uma ampla faixa de detecção. Além disso, diferentemente da estrutura porosa oca convencional, a estrutura porosa de preenchimento in-situ das redes CNFs gera mais locais de contato e caminhos condutores durante a compressão, alcançando assim alta sensibilidade e linearidade em toda a faixa de detecção. Portanto, o HPPS otimizado atinge alta sensibilidade (4,7 kPa-1) e linearidade (coeficiente de determinação, R2 = 0,998) em uma ampla faixa (0,03–1000 kPa), juntamente com notável tempo de resposta e repetibilidade. Além disso, são demonstradas as aplicações em diversos cenários de pressão e monitoramento de saúde.

Sensores de pressão flexíveis com capacidade de transduzir informações táteis em sinais elétricos têm atraído grande atenção por suas aplicações promissoras em monitoramento de saúde1,2,3,4,5, inteligência artificial6,7, interfaces homem-máquina8,9,10, robótica11, 12, etc. Normalmente, os sensores de pressão flexíveis são categorizados em quatro tipos com base no mecanismo de detecção: piezoresistente13,14, capacitivo15,16, piezoelétrico17,18 e triboelétrico19,20. Entre esses sensores de pressão, os sensores piezoresistivos que transferem as informações mecânicas para a variação da resistência têm múltiplas vantagens, incluindo baixo consumo de energia, facilidade de montagem do dispositivo e aquisição simples de sinal, etc. No entanto, a maioria dos sensores de pressão piezoresistivos publicados sofrem de baixa sensibilidade ou baixa linearidade. em uma ampla faixa. Para a implantação generalizada dos sensores de pressão em mais cenários de aplicação, os sensores de pressão ideais requerem alta sensibilidade e alta linearidade em uma ampla faixa de detecção.

Recentemente, várias estratégias para aumentar a sensibilidade e a linearidade foram relatadas. A preparação de geometrias de nanoestruturas ou microestruturas (como rugas21, micropirâmides22, microdomos23, micropilares24, estrutura de intertravamento25, etc.26,27) no substrato flexível pode aumentar significativamente a sensibilidade devido à baixa corrente inicial e grande deformabilidade sob baixo estresse. Por exemplo, Tao et al.28 relataram um sensor de pressão piezoresistivo baseado em estrutura de microdomo interligado com alta sensibilidade de 53 kPa-1 e faixa de pressão de 58,4 a 960 Pa. sensibilidade e resposta linear válidas apenas em uma faixa de detecção baixa (<10 kPa). Para estender a faixa de detecção linear, a introdução de uma estrutura porosa provou ser uma forma eficaz devido à alta compressibilidade e à considerável geração de caminhos condutores durante a compressão. Seunghwan et al.29 desenvolveram um sensor de esponja porosa com sensibilidade de 0,01–0,02 kPa−1 sob ampla faixa de detecção de 10 Pa a 1,2 MPa. No entanto, os poros aumentam a distância entre as cargas condutoras, o que dificulta o contato das cargas condutoras e a geração de caminhos condutivos. Assim, a maioria dos sensores de pressão porosos exibe uma sensibilidade baixa (<1 kPa-1) em uma ampla faixa. Alguns estudos propuseram a estrutura hierárquica multicamadas ou multiescala com aprimoramento tanto na sensibilidade quanto na faixa de detecção linear. Por exemplo, Youngoh Lee et al.30 fabricaram um sensor tátil com geometria de microdome intertravada multicamadas que apresentou alta sensibilidade de 47,7 kPa-1 na faixa de 0,0013 a 353 kPa. No entanto, o alcance de detecção linear dos sensores ainda não é suficiente. Portanto, há uma grande necessidade de fabricar um sensor de pressão de alto desempenho (por exemplo, uma resposta linear com alta sensibilidade acima de 1 kPa-1 na faixa de até 1 MPa) de maneira simples e econômica.