계층적 구조를 기반으로 하는 고감도 및 넓은 선형성 범위의 압력 센서

npj 유연한 전자공학 6권, 기사 번호: 62(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

넓은 선형성 범위에 걸쳐 높은 감도를 갖는 유연한 압저항 압력 센서는 건강 모니터링, 인공 지능 및 인간-기계 인터페이스 분야의 응용 분야에서 엄청난 주목을 받아 왔습니다. 여기에서는 직접 잉크 쓰기(DIW) 인쇄 및 탄소 나노섬유(CNF)/폴리디메틸실록산(PDMS) 에멀젼의 경화를 통해 계층적 현장 충진 다공성 압저항 센서(HPPS)를 보고합니다. 계층적 기하학은 접촉 면적을 크게 늘리고 다층 격자 및 내부 다공성 구조에 응력을 분산시켜 넓은 감지 범위를 제공합니다. 또한 기존의 중공 다공성 구조와 달리 CNFs 네트워크 현장 충진 다공성 구조는 압축 중에 더 많은 접촉 부위와 전도성 경로를 생성하여 전체 감지 범위에 걸쳐 높은 감도와 선형성을 달성합니다. 따라서 최적화된 HPPS는 뛰어난 응답 시간과 반복성과 함께 넓은 범위(0.03~1000kPa)에 걸쳐 높은 감도(4.7kPa−1)와 선형성(결정 계수, R2 = 0.998)을 달성합니다. 또한 다양한 압력 시나리오 및 의료 모니터링에 적용되는 방법을 보여줍니다.

촉각 정보를 전기 신호로 변환할 수 있는 유연한 압력 센서는 건강 모니터링1,2,3,4,5, 인공 지능6,7, 인간-기계 인터페이스8,9,10, 로봇 공학11, 일반적으로 유연한 압력 센서는 감지 메커니즘에 따라 압전저항체13,14, 용량성15,16, 압전17,18 및 마찰전기19,20의 네 가지 유형으로 분류됩니다. 이러한 압력 센서 중 기계적 정보를 저항 변화로 전달하는 압저항 센서는 낮은 에너지 소비, 장치 조립의 용이성, 간단한 신호 수집 등 여러 가지 장점을 가지고 있습니다. 그러나 대부분의 출판된 압저항 압력 센서는 감도가 낮거나 선형성이 떨어지는 문제가 있습니다. 광범위한 범위에 걸쳐. 더 많은 애플리케이션 시나리오에서 압력 센서를 광범위하게 배포하려면 이상적인 압력 센서에는 넓은 감지 범위에 걸쳐 높은 감도와 높은 선형성이 필요합니다.

최근에는 민감도와 선형성을 향상시키는 몇 가지 전략이 보고되었습니다. 유연한 기판에 나노 구조 또는 미세 구조 형상(예: 주름21, 마이크로 피라미드22, 마이크로 돔23, 마이크로 기둥24, 인터록 구조25 등26,27)을 준비하면 낮은 초기 전류와 낮은 응력 하에서 큰 변형 가능성으로 인해 감도를 크게 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, Tao et al.28은 53 kPa−1의 높은 감도와 58.4 ~ 960 Pa의 압력 범위를 갖는 연동형 마이크로돔 구조 기반의 압저항 압력 센서를 보고했습니다. 감도 및 선형 응답은 낮은 감지 범위(<10kPa)에서만 유효합니다. 선형 감지 범위를 확장하기 위해 다공성 구조의 도입은 높은 압축성과 압축 중 상당한 전도성 경로 생성으로 인해 효과적인 방법으로 입증되었습니다. 승환 등29은 10 Pa ~ 1.2 MPa의 넓은 감지 범위에서 0.01~0.02 kPa-1의 감도를 갖는 다공성 스폰지 센서를 개발했습니다. 그럼에도 불구하고, 기공은 전도성 필러 사이의 거리를 증가시켜 전도성 필러의 접촉과 전도성 경로의 생성을 방해합니다. 따라서 대부분의 다공성 압력 센서는 넓은 범위에 걸쳐 낮은 감도(<1 kPa−1)를 나타냅니다. 몇몇 연구에서는 감도와 선형 감지 범위가 모두 향상된 다층 또는 다중 스케일 계층 구조를 제안했습니다. 예를 들어, 이영오 등(30)은 0.0013 ~ 353 kPa 범위에서 47.7 kPa-1의 높은 감도를 나타내는 다층 연동 마이크로돔 구조를 갖춘 촉각 센서를 제작했습니다. 그러나 센서의 선형 감지 범위는 여전히 충분하지 않습니다. 따라서 간단하고 비용 효과적인 방식으로 고성능(예: 최대 1MPa 범위에 걸쳐 1kPa-1 이상의 고감도 선형 응답) 압력 센서를 제작할 필요성이 강력하게 요구됩니다.