Meget følsomme tryksensorer til robotteknologi og sundhedsapplikationer

Mikroskopiske sensorer, der kan registrere små ændringer i tryk, har adskillige nyttige anvendelser, især til udvikling af robotter og sundhedsovervågningsbærbare enheder. De fleste eksisterende kapacitive og transistorbaserede tryksensorer, imidlertid, har en række begrænsninger, herunder lav følsomhed, langsom reaktionshastighed, højt strømforbrug og utilfredsstillende stabilitet.

Forskere ved University of California og Hunan University har for nylig foreslået en ny strategi for udvikling af meget følsomme tryksensorer, der kan overvinde nogle af begrænsningerne ved eksisterende tryksensorer. Deres tilgang, præsenteret i et papir udgivet i Naturelektronik , indebærer integration af en ledende mikrostruktureret luftgap-gate (CMAG) med 2-D halvledertransistorer.

"Jeg har altid været mere interesseret i praktiske anvendelser end teoretisk forskning, "Yun-Chiao Huang, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte TechXplore. "I mit første år på UCLA, Prof. Duan opfordrede mig til at udforske forskellige områder og finde det emne, som jeg brændte mest for. Efter at have læst mange aviser, Jeg blev interesseret i trykfølende applikationer og begyndte at eksperimentere med dem."

Huang og hendes kolleger fremstillede deres tryksensorer ved at integrere CMAG'er med 2-D halvledertransistorer, da de fandt ud af, at dette design forbedrede deres sanseydelse. Denne idé fik de under et gruppemøde, hvor Huang præsenterede nogle af sine forskningsresultater.

"Vi troede, at hvis vi kunne skabe 'rigtige' mikrostrukturerede luftspalter for at overvinde den viskoelastiske opførsel af elastomererne fra konventionelle mikrostrukturerede enheder og integrere dem med 2-D transistorer, vores sensorer ville udvise øget trykfølsomhed og hurtigere reaktioner, " sagde Huang. "Dette ville gavne en bred vifte af praktiske anvendelser, såsom akustisk bølgedetektion, tryk kortlægning, sundhedsovervågning, og mere."

I sensorerne udviklet af forskerne, CMAG'er skaber mikrostrukturerede luftspalter uden at resultere i uønsket viskoelastisk adfærd, hvilket er observeret i elastomerer i mere konventionelle enheder. Dette fører i sidste ende til en højere følsomhed, hurtigere svartider, lavt strømforbrug og bemærkelsesværdig stabilitet.

"Ved at integrere 2-D halvledertransistorer med unikke CMAG'er, vores CMAG transistor sensorer kan forbedres yderligere for bedre ydeevne, muliggør en bred vifte af applikationer, " sagde Huang.

I indledende forsøg, sensorerne bygget af forskerne udviste en justerbar følsomhed og trykfølingsområde, med en gennemsnitlig følsomhed på 44kPa ^-1 i 0-5 kPa-regimet og en topfølsomhed på op til 770 kPa ^-1 . Ud over, ved brug af luftgapporte som trykfølsomme porte til 2-D halvledertransistorer, Huang og hendes kolleger var i stand til yderligere at øge følsomheden af ​​deres enheder til ~10 ³ –10 ⁷ kPa ⁻¹ , ved et optimeret trykregime på ~1,5 kPa.

Den CMAG-baserede designstrategi introduceret af Huang og hendes kolleger er ret nem at implementere. Ud over, det kan anvendes til udvikling af både kapacitive og transistorbaserede sensorer.

Forskerne demonstrerede potentialet af deres tryksensorer til en række anvendelser, herunder implementering af statisk trykkortlægning, måling af menneskelige pulsbølger og detektering af lydbølger. I fremtiden, deres meget følsomme sensorer kunne bruges til at udvikle robotter med mere avancerede sansefunktioner, bærbare enheder til at overvåge patienters helbred over tid, og flere andre teknologiske værktøjer.

"Forhåbentlig, konceptet med CMAG'er vil bane vejen for ny type tryksensorer, " sagde Huang. "Vi arbejder nu på konforme/fleksible tryksensoriske arrays baseret på konceptet CMAG'er, som vil aktivere menneske-maskine-grænsefladen og relaterede applikationer. Vi ser frem til at vise mere af vores arbejde frem i fremtiden."

© 2020 Science X Network