Sensore di pressione ad alta sensibilità e ampio intervallo di linearità basato su ingresso gerarchico

npj Electrical Electronics volume 6, numero articolo: 62 (2022) Citare questo articolo

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Il sensore di pressione piezoresistivo flessibile con elevata sensibilità su un ampio intervallo di linearità ha attirato un'enorme attenzione per le sue applicazioni nel monitoraggio sanitario, nell'intelligenza artificiale e nelle interfacce uomo-macchina. Qui riportiamo un sensore piezoresistivo poroso di riempimento in situ gerarchico (HPPS) mediante stampa con scrittura diretta di inchiostro (DIW) e polimerizzazione di emulsione di nanofibre di carbonio (CNF)/polidimetilsilossano (PDMS). La geometria gerarchica aumenta significativamente l'area di contatto, distribuisce lo stress sul reticolo multistrato e sulla struttura porosa interna, garantendo un ampio campo di rilevamento. Inoltre, a differenza della struttura porosa cava convenzionale, le reti CNF che riempiono la struttura porosa in situ generano più siti di contatto e percorsi conduttivi durante la compressione, ottenendo così un'elevata sensibilità e linearità sull'intero intervallo di rilevamento. Pertanto, l'HPPS ottimizzato raggiunge un'elevata sensibilità (4,7 kPa−1) e linearità (coefficiente di determinazione, R2 = 0,998) su un ampio intervallo (0,03–1000 kPa), insieme a tempi di risposta e ripetibilità notevoli. Inoltre, vengono dimostrate le applicazioni in diversi scenari di pressione e nel monitoraggio sanitario.

I sensori di pressione flessibili con la capacità di tradurre informazioni tattili in segnali elettrici hanno attirato grande attenzione grazie alle loro promettenti applicazioni nel monitoraggio sanitario1,2,3,4,5, nell'intelligenza artificiale6,7, nelle interfacce uomo-macchina8,9,10, nella robotica11, 12, ecc. In genere, i sensori di pressione flessibili sono classificati in quattro tipi in base al meccanismo di rilevamento: piezoresistivi13,14, capacitivi15,16, piezoelettrici17,18 e triboelettrici19,20. Tra questi sensori di pressione, i sensori piezoresistivi che trasferiscono le informazioni meccaniche in variazione di resistenza, presentano molteplici vantaggi tra cui basso consumo energetico, facilità di assemblaggio del dispositivo e semplice acquisizione del segnale, ecc. Tuttavia, la maggior parte dei sensori di pressione piezoresistivi pubblicati soffre di bassa sensibilità o scarsa linearità su un ampio intervallo. Per un impiego diffuso dei sensori di pressione in più scenari applicativi, i sensori di pressione ideali richiedono un'elevata sensibilità e un'elevata linearità su un ampio campo di rilevamento.

Recentemente sono state riportate diverse strategie per migliorare la sensibilità e la linearità. La preparazione di geometrie di nanostruttura o microstruttura (come rughe21, micropiramidi22, microdome23, micropilastri24, struttura ad incastro25, ecc.26,27) sul substrato flessibile può migliorare significativamente la sensibilità a causa della bassa corrente iniziale e della grande deformabilità sotto basso stress. Ad esempio, Tao et al.28 hanno riportato un sensore di pressione piezoresistivo basato su una microcupola interconnessa con un'elevata sensibilità di 53 kPa−1 e un intervallo di pressione compreso tra 58,4 e 960 Pa. Considerando che la microstruttura rapidamente saturata entra in contatto con i siti durante la compressione, risulta in un'elevata sensibilità e risposta lineare valide solo in un campo di rilevamento basso (<10 kPa). Per estendere il campo di rilevamento lineare, l'introduzione della struttura porosa si è rivelata un modo efficace a causa dell'elevata comprimibilità e della notevole generazione di percorsi conduttivi durante la compressione. Seunghwan et al.29 hanno sviluppato un sensore in spugna porosa con una sensibilità di 0,01–0,02 kPa−1 con un ampio intervallo di rilevamento da 10 Pa a 1,2 MPa. Tuttavia, i pori aumentano la distanza tra i riempitivi conduttivi che ostacolano il contatto dei riempitivi conduttivi e la generazione di percorsi conduttivi. Pertanto, la maggior parte dei sensori di pressione porosi mostrano una bassa sensibilità (<1 kPa−1) su un ampio intervallo. Alcuni studi hanno proposto la struttura gerarchica multistrato o multiscala con miglioramento sia della sensibilità che del campo di rilevamento lineare. Ad esempio, Youngoh Lee et al.30 hanno fabbricato un sensore tattile con geometria microdome interbloccata multistrato che presentava un'elevata sensibilità di 47,7 kPa−1 nell'intervallo da 0,0013 a 353 kPa. Tuttavia, il campo di rilevamento lineare dei sensori non è ancora sufficiente. Pertanto, è fortemente necessario fabbricare un sensore di pressione ad alte prestazioni (ad esempio, una risposta lineare con alta sensibilità oltre 1 kPa−1 nell'intervallo fino a 1 MPa) in modo semplice ed economico.