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

npj Flexível Electronics volume 6, Número do artigo: 62 (2022) Cite este artigo

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O sensor de pressão piezoresistivo flexível com alta sensibilidade em uma ampla faixa de linearidade tem atraído muita 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 com tinta direta (DIW) e cura de emulsão de nanofibras de carbono (CNFs)/polidimetilsiloxano (PDMS). A geometria hierárquica aumenta significativamente a área de contato, distribui a tensão para a treliça multicamadas e a estrutura porosa interna, resultando em uma ampla faixa de detecção. Além disso, ao contrário 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: piezoresistvie13,14, capacitivo15,16, piezoelétrico17,18 e triboelétrico19,20. Entre esses sensores de pressão, sensores piezoresistivos que transferem a informação mecânica em variação de resistência, tem várias vantagens, incluindo baixo consumo de energia, facilidade de montagem do dispositivo e aquisição de sinal simples, etc. No entanto, a maioria dos sensores de pressão piezoresistivos publicados sofrem de baixa sensibilidade ou linearidade pobre 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 nanoestrutura ou microestrutura (como rugas21, micropirâmides22, microcúpulas23, micropilares24, estrutura de bloqueio25, etc.26,27) no substrato flexível pode aumentar significativamente a sensibilidade devido à baixa corrente inicial e grande deformabilidade sob baixa tensão. Por exemplo, Tao et al.28 relataram um sensor de pressão piezoresistivo baseado em microcúpula interligada com uma alta sensibilidade de 53 kPa-1 e a faixa de pressão de 58,4 a 960 Pa. Considerando que a microestrutura rapidamente saturada entra em contato com os locais durante a compressão resulta em alta sensibilidade e resposta linear válidas apenas em uma faixa de detecção baixa (<10 kPa). Para estender a faixa de detecção linear, a introdução de estrutura porosa provou ser uma maneira eficaz devido à alta compressibilidade e 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 condutivas que impedem o contato das cargas condutivas e a geração de vias condutivas. Assim, a maioria dos sensores de pressão porosa exibe uma baixa sensibilidade (<1 kPa-1) em uma ampla faixa. Alguns estudos propuseram a estrutura hierárquica multicamada 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 microdomos intertravados multicamadas que apresentou alta sensibilidade de 47,7 kPa−1 na faixa de 0,0013 a 353 kPa. No entanto, a faixa de detecção linear dos sensores ainda não é suficiente. Portanto, há forte 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.