Flexibla CMAG kondensatorbaserade trycksensorer för statisk tryckkartläggning och pulsvågsövervakning i realtid av den radiella artären. a) Fotografi av en 5 × 5-pixel array med riskorn, sojabönor och röda bönor som väger ~20, 158 och 219 mg, respektive (vänster), och den motsvarande fördelningen av den normaliserade kapacitansförändringen på den sensoriska arrayen (höger). b) Fotografi av en 5 × 5-pixel array med en penny som väger 3,11 g (vänster) och motsvarande fördelning av den normaliserade kapacitansändringen (höger). c) Fotografi av en flexibel och bekväm tatueringsliknande CMAG-trycksensor. d) Fotografi av trycksensorn fäst nära handledsartären. e) Pulsvågsövervakning i realtid av försökspersoner A och B före och efter 3 min träning. f) Jämförelse av vågformerna med förstorad vy från människa A före och efter 3 min träning extraherad från de streckade rutorna i e som visar viktig hälsoinformation som reflektionsindex (RI) = (P2/P1) × 100% och artärstelhet index (SI) = subjektshöjd/∆TDVP (i enheter av m s−1 ). Kredit:Huang et al.
Mikroskopiska sensorer som kan upptäcka små tryckförändringar har många användbara tillämpningar, särskilt för utvecklingen av robotar och hälsokontrollerande bärbara enheter. De flesta befintliga kapacitiva och transistorbaserade trycksensorer, dock, har ett antal begränsningar, inklusive låg känslighet, långsam svarshastighet, hög strömförbrukning och otillfredsställande stabilitet.
Forskare vid University of California och Hunan University har nyligen föreslagit en ny strategi för att utveckla mycket känsliga trycksensorer som kan övervinna några av begränsningarna hos befintliga trycksensorer. Deras tillvägagångssätt, presenteras i en tidning publicerad i Naturelektronik , innebär integrering av en ledande mikrostrukturerad luftgap (CMAG) med 2-D halvledartransistorer.
"Jag har alltid varit mer intresserad av praktiska tillämpningar än teoretisk forskning, " Yun-Chiao Huang, en av forskarna som genomförde studien, berättade för TechXplore. "Under mitt första år på UCLA, Prof. Duan uppmuntrade mig att utforska olika områden och hitta det ämne som jag brinner mest för. Efter att ha läst många tidningar, Jag blev intresserad av tryckavkänningsapplikationer och började experimentera med dem."
Huang och hennes kollegor tillverkade sina trycksensorer genom att integrera CMAG:er med 2-D halvledartransistorer, eftersom de upptäckte att denna design förbättrade deras avkänningsprestanda. Den här idén fick de under ett gruppmöte där Huang presenterade några av sina forskningsresultat.
"Vi tänkte att om vi kunde skapa "riktiga" mikrostrukturerade luftgap för att övervinna det viskoelastiska beteendet hos elastomererna från konventionella mikrostrukturerade enheter och integrera dem med 2D-transistorer, våra sensorer skulle uppvisa ökad tryckkänslighet och snabbare svar, ", sa Huang. "Detta skulle gynna ett brett utbud av praktiska tillämpningar, såsom akustisk vågdetektering, tryckkartläggning, hälsoövervakning, och mer."
I de sensorer som utvecklats av forskarna, CMAG skapar mikrostrukturerade luftgap utan att resultera i oönskat viskoelastiskt beteende, vilket observeras i elastomerer inom mer konventionella anordningar. Detta leder i slutändan till en högre känslighet, snabbare svarstider, låg strömförbrukning och enastående stabilitet.
"Genom att integrera 2D-halvledartransistorer med unika CMAG:er, våra CMAG-transistorsensorer kan förbättras ytterligare för bättre prestanda, möjliggör ett brett utbud av applikationer, " sa Huang.
I inledande experiment, sensorerna byggda av forskarna uppvisade ett inställbart känslighet och tryckavkänningsområde, med en genomsnittlig känslighet på 44kPa -1 i 0-5 kPa-regimen och en toppkänslighet på upp till 770 kPa -1 . Dessutom, när luftgap-grindarna används som tryckkänsliga grindar för 2-D-halvledartransistorer, Huang och hennes kollegor kunde ytterligare öka känsligheten hos sina enheter till ~10 3 –10 7 kPa −1 , vid en optimerad tryckregim på ~1,5 kPa.
Den CMAG-baserade designstrategin som introducerades av Huang och hennes kollegor är ganska enkel att implementera. Dessutom, den kan tillämpas på utvecklingen av både kapacitiva och transistorbaserade sensorer.
Forskarna visade potentialen hos sina trycksensorer för ett antal tillämpningar, inklusive implementering av statisk tryckkartläggning, mätning av mänskliga pulsvågor och detektering av ljudvågor. I framtiden, deras mycket känsliga sensorer skulle kunna användas för att utveckla robotar med mer avancerade avkänningsmöjligheter, bärbara enheter för att övervaka patienters hälsa över tid, och flera andra tekniska verktyg.
"Förhoppningsvis, konceptet med CMAG kommer att bana väg för nya typer av trycksensorer, ", sa Huang. "Vi arbetar nu med konforma/flexibla sensoriska trycksystem baserat på konceptet CMAG, som kommer att möjliggöra gränssnittet människa-maskin och relaterade applikationer. Vi ser fram emot att visa upp mer av vårt arbete i framtiden."
© 2020 Science X Network
