Koolstof nanobuis gebaseerde reksensor kan vervormingen in meerdere richtingen detecteren

In de afgelopen decennia ontwikkelden elektronica -ingenieurs steeds kleine, flexibele en geavanceerde sensoren die een breed scala aan signalen kunnen oppakken, variërend van menselijke bewegingen tot hartslag en andere biologische signalen. Deze sensoren hebben op hun beurt de ontwikkeling van nieuwe elektronica mogelijk gemaakt, waaronder smartwatches, biomedische apparaten die de gezondheid van gebruikers in de loop van de tijd en andere draagbare of implanteerbare systemen kunnen helpen controleren.

Stamsensoren, die zijn ontworpen om mechanische kracht om te zetten in elektrische signalen, behoren tot de meest gebruikte detectieapparaten in de elektronica-industrie, omdat ze waardevol kunnen zijn voor het volgen van zowel menselijke bewegingen als gezondheidsgerelateerde biologische signalen. Hoewel deze sensoren al in veel elektronische apparaten zijn ingebed, kunnen de meeste bestaande oplossingen alleen bewegingen in één richting volgen.

Sensoren die bewegingen en krachten in meerdere richtingen nauwkeurig kunnen oppakken, kunnen zeer voordelig zijn, omdat ze kunnen worden toegepast op een breder scenario’s. Bovendien kunnen deze sensoren worden ingebed in bestaande elektronische apparaten om hun functies te verbreden of hun mogelijkheden te verbeteren.

Onderzoekers van Peking University hebben onlangs een nieuwe veelbelovende spanningssensor ontwikkeld die vervormingen in meerdere richtingen kan detecteren. Deze sensor, gepresenteerd in een paper gepubliceerd in ACS -sensorenwerd gefabriceerd met behulp van kleine op koolstof gebaseerde cilindrische structuren bekend als koolstofnanobuisjes.

“Flexibele en rekbare sensoren hebben aanzienlijke aandacht getrokken op het gebied van interactie tussen mens en competitie, bewegingsopvang en gezondheidsbewaking,” schreven Yongsheng Yang, Qinqi Ren en hun collega’s in hun paper. “Momenteel zijn de meeste sensoren beperkt tot het vastleggen van beweging in een enkele richting en ontbreken de mogelijkheid om multidirectionele vervormingen in de echte wereld te analyseren. Een enkel apparaat dat multidirectionele vervormingen kan detecteren, is altijd een hoge verwachting en een ontmoedigende uitdaging geweest.”

Om een ​​sensor te ontwikkelen die multidirectionele vervormingen kan detecteren, groeiden Yang, Ren en hun collega’s verticaal uitgelijnde koolstofnanobuisjes op een dunne siliciumwafel. Vervolgens hebben ze deze wafel verplaatst op een zeer flexibel materiaal, dat gemakkelijk kan worden geïntegreerd in draagbare apparaten.

“We realiseren ons het idee van het gebruik van een enkele sensor voor multidirectionele detectie door een ‘één-staps’ rolproces aan te nemen om verticaal uitgelijnde koolstofnanobuizen te overbrengen die op een siliciumwafel op een flexibel ecoflex-substraat worden gekweekt,” schreven de onderzoekers. “Het gehele preparaatproces is eenvoudig en efficiënt. Verschillende geleidende paden vormen zich langs verschillende richtingen die worden bestuurd door het rolproces en het patroonontwerp van koolstofnanobuizen, wat resulteert in een gevoelige directionele afhankelijkheid.”

Het rolproces van het team maakt de vorming van verschillende geleidende paden mogelijk (dwz routes waardoor elektriciteit kan stromen). Toen ze de prestaties van hun sensor evalueerden, ontdekten de onderzoekers dat het met hoge precisie vervormingen in meerdere richtingen kon oppakken.

“De sensor vertoont opmerkelijke prestaties, waaronder een breed werkbereik (0-120%), hoge gevoeligheid (GF = 126.6), korte responstijd (64 ms) en goede stabiliteit (meer dan 4.000 cycli onder stam 40%),” schreef de onderzoekers. “De sensoren worden aangetoond voor het detecteren van bewegingssignalen en het monitoren van de menselijke gezondheid, variërend van subtiele bewegingssignalen tot grote vervorming.

“Deze sensorkenmerken voldoen aan de vereisten van verschillende praktische scenario’s en hebben een enorm potentieel voor toepassingen in interactie -interactie tussen mens en computer, intelligente robots en in situ gezondheidsbewaking.”

In de toekomst kan de nieuwe stamsensor ontwikkeld door dit team van onderzoekers verder worden verbeterd en geïntegreerd in een breed scala van elektronica. Het meest opvallend zou het kunnen worden gebruikt om meer geavanceerde biomedische apparaten, smartwatches, fitnesstrackers, prothetische ledematen en robotsystemen te ontwikkelen.