Usando matite di grafite per disegnare su carta normale, i ricercatori possono realizzare alcuni sensori piezoresistivi (PZR) molto economici. A causa dell'effetto piezoresistivo, la resistenza di un sensore cambia sotto una sollecitazione applicata, permettendogli di rilevare lo stress meccanico e la pressione. Il primo di questi sensori PZR matita su carta è stato fabbricato alcuni anni fa come alternativa ai sensori PZR in silicio, che sono costosi e richiedono processi di fabbricazione sofisticati.

"I sensori PZR possono essere disegnati da chiunque con carta e matita di grafite, "Ting Kuo Kang, un ricercatore presso l'Università Cheng Shiu di Kaohsiung City, Taiwan, detto Phys.org .

Sebbene i sensori PZR in grafite siano molto più facili da fabbricare rispetto a quelli in silicio, generalmente non sono così sensibili perché le proprietà elettriche della grafite non sono buone come quelle del silicio. In un nuovo studio pubblicato su Lettere di fisica applicata , Kang ha ulteriormente studiato i meccanismi alla base delle proprietà PZR della grafite e ha migliorato la sensibilità dei sensori PZR a base di grafite.

La sensibilità PZR è caratterizzata dal fattore di gauge (GF), che è definito come il rapporto tra la variazione della resistenza elettrica e la deformazione applicata. Mentre i sensori PZR al silicio hanno GF superiori a 100, i GF dei sensori PZR in grafite sono nelle singole cifre.

Negli esperimenti, Kang ha utilizzato 12 diversi gradi di matite di grafite per disegnare i sensori PZR a forma di U su carta. Le matite sono classificate in base al loro rapporto tra grafite e argilla. I gradi andavano da 9B a 2H, dove H indica la durezza causata dal contenuto di argilla della matita, e B denota l'oscurità dovuta al contenuto di grafite.

I sensori sono stati disegnati su carta che è stata posizionata su una scala elettrica per misurare e mantenere una forza di disegno costante per ciascun sensore disegnato a matita. I disegni sono stati poi incollati su strisce di circuiti stampati (PCB), e un estensimetro montato su ciascuna striscia PCB. Quindi Kang ha applicato cicli di sollecitazione al sensore utilizzando una tecnica di flessione a quattro punti, e misurato la variazione di tensione del sensore sotto la sollecitazione applicata attraverso un circuito elettrico.

Ha scoperto che diversi gradi di matita producono diversi valori GF, e quindi diverse sensibilità PZR. Nello specifico, maggiore è il rapporto tra argilla e grafite, maggiore è la variazione di resistenza sotto la sollecitazione applicata, e maggiore è il GF.

Kang spiega che queste differenze possono essere attribuite alle variazioni delle distanze iniziali di tunneling tra grafite vicina, con un aumento della distanza di tunneling corrispondente ad un aumento di GF.

"L'effetto tunnel della grafite va da una grafite attraverso l'isolante dell'argilla a un'altra grafite, " Kang ha detto. "La struttura del tunnel sembra un metallo-isolante-metallo."

Attualmente, I sensori PZR in silicio vengono utilizzati come sensori di pressione, accelerometri, e sensori biologici, tra le altre applicazioni. Poiché la sensibilità dei sensori PZR in grafite disegnati a matita continua a migliorare, possono essere utilizzati anche per queste applicazioni. Kang prevede inoltre di sviluppare applicazioni di sensori flessibili e usa e getta utilizzando tecniche di matita su carta.

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