Sensori di pressione flessibili basati su condensatore CMAG per la mappatura della pressione statica e il monitoraggio in tempo reale dell'onda di polso dell'arteria radiale. a) Fotografia di un array di 5 × 5 pixel con chicchi di riso, soia e fagioli rossi del peso di ~20, 158 e 219 mg, rispettivamente (a sinistra), e la corrispondente distribuzione della variazione di capacità normalizzata sulla matrice sensoriale (a destra). b) Fotografia di un array di 5 × 5 pixel con un penny del peso di 3,11 g (a sinistra) e la corrispondente distribuzione della variazione di capacità normalizzata (a destra). c) Fotografia di un sensore di pressione CMAG flessibile e confortevole simile a un tatuaggio. d) Fotografia del sensore di pressione attaccato vicino all'arteria del polso. e) Monitoraggio dell'onda del polso in tempo reale dei soggetti umani A e B prima e dopo 3 min di esercizio. f) Confronto delle forme d'onda ingrandite del soggetto umano A prima e dopo l'esercizio di 3 min estratte dalle caselle tratteggiate in e che mostrano importanti informazioni sulla salute come l'indice di riflessione (RI) = (P2/P1) × 100% e la rigidità arteriosa indice (SI) = altezza del soggetto/∆TDVP (in unità di m s−1 ). Credito:Huang et al.
I sensori microscopici in grado di rilevare piccole variazioni di pressione hanno numerose applicazioni utili, in particolare per lo sviluppo di robot e dispositivi indossabili per il monitoraggio della salute. La maggior parte dei sensori di pressione capacitivi e a transistor esistenti, però, avere una serie di limitazioni, compresa la bassa sensibilità, velocità di risposta lenta, elevato consumo energetico e stabilità insoddisfacente.
I ricercatori dell'Università della California e della Hunan University hanno recentemente proposto una nuova strategia per lo sviluppo di sensori di pressione altamente sensibili che potrebbero superare alcune delle limitazioni dei sensori di pressione esistenti. Il loro approccio, presentato in un articolo pubblicato in Elettronica della natura , prevede l'integrazione di un air-gap gate microstrutturato conduttivo (CMAG) con transistor a semiconduttore 2-D.
"Sono sempre stato più interessato alle applicazioni pratiche che alla ricerca teorica, "Yun Chiao Huang, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a TechXplore. "Durante il mio primo anno alla UCLA, Il prof. Duan mi ha incoraggiato ad esplorare diverse aree e a trovare l'argomento che mi appassionava di più. Dopo aver letto molti articoli, Mi sono interessato alle applicazioni di rilevamento della pressione e ho iniziato a sperimentarle."
Huang e i suoi colleghi hanno fabbricato i loro sensori di pressione integrando CMAG con transistor a semiconduttore 2-D, poiché hanno scoperto che questo design migliorava le loro prestazioni di rilevamento. Questa idea è venuta loro durante un incontro di gruppo in cui Huang presentava alcuni dei risultati della sua ricerca.
"Abbiamo pensato che se potessimo creare "veri" traferri microstrutturati per superare il comportamento viscoelastico degli elastomeri da dispositivi microstrutturati convenzionali e integrarli con transistor 2-D, i nostri sensori mostrerebbero una maggiore sensibilità alla pressione e risposte più rapide, " Huang ha detto. "Ciò andrebbe a vantaggio di una vasta gamma di applicazioni pratiche, come il rilevamento delle onde acustiche, mappatura della pressione, monitoraggio della salute, e altro."
Nei sensori sviluppati dai ricercatori, I CMAG creano traferri microstrutturati senza provocare un comportamento viscoelastico indesiderato, che si osserva negli elastomeri all'interno di dispositivi più convenzionali. Questo alla fine porta ad una maggiore sensibilità, tempi di risposta più rapidi, basso consumo energetico e notevole stabilità.
"Integrando transistor a semiconduttore 2-D con CMAG unici, i nostri sensori a transistor CMAG possono essere ulteriormente migliorati per prestazioni migliori, consentendo una vasta gamma di applicazioni, "Ha detto Huang.
Nei primi esperimenti, i sensori costruiti dai ricercatori hanno mostrato una sensibilità sintonizzabile e un intervallo di rilevamento della pressione, con una sensibilità media di 44kPa -1 nel regime 0-5 kPa e una sensibilità di picco fino a 770 kPa -1 . Inoltre, quando si utilizzano i gate air-gap come gate sensibili alla pressione per transistor a semiconduttore 2-D, Huang e i suoi colleghi sono stati in grado di aumentare ulteriormente la sensibilità dei loro dispositivi a ~10 3 –10 7 kPa −1 , ad un regime di pressione ottimizzato di ~1.5 kPa.
La strategia di progettazione basata su CMAG introdotta da Huang e dai suoi colleghi è abbastanza facile da implementare. Inoltre, può essere applicato allo sviluppo di sensori sia capacitivi che basati su transistor.
I ricercatori hanno dimostrato il potenziale dei loro sensori di pressione per una serie di applicazioni, compresa l'implementazione della mappatura della pressione statica, la misurazione delle onde del polso umano e il rilevamento delle onde sonore. Nel futuro, i loro sensori altamente sensibili potrebbero essere utilizzati per sviluppare robot con capacità di rilevamento più avanzate, dispositivi indossabili per monitorare la salute dei pazienti nel tempo, e molti altri strumenti tecnologici.
"Auspicabilmente, il concetto di CMAG aprirà la strada a nuovi tipi di sensori di pressione, " Ha detto Huang. "Stiamo ora lavorando su array sensoriali di pressione conformi / flessibili basati sul concetto di CMAG, che abiliterà l'interfaccia uomo-macchina e le relative applicazioni. Non vediamo l'ora di mostrare più del nostro lavoro in futuro".
© 2020 Scienza X Rete
