Sensores de Presion Electromecanicos Resistivos

Conoces todo acerca de los sensores de presion electromecanicos resistivos si aun no conoces aquí esta todo lo que deseas saber.
sensores-de-presion-electromecanicos-resistivos

Sensores de Presion Electromecanicos Resistivos



El sensor electromecánico portátil transforma el estímulo mecánico en señales eléctricas. Los principales sensores electromecánicos en los que nos enfocamos son los sensores de tensión y presión, que corresponden a dos estímulos mecánicos principales. Según sus mecanismos, el sensor resistivo y capacitivo atrae más atención debido a sus estructuras simples, mecanismos, método de preparación y bajo costo. Se han desarrollado varios tipos de nanomateriales para fabricarlos, incluidos nanomateriales de carbono, polímeros metálicos y conductores. Tienen un gran potencial en el monitoreo de la

1. Introducción

Con el rápido desarrollo de la tecnología de la información, Internet de todo se vuelve más crítico en la próxima revolución tecnológica. Los dispositivos portátiles, que tienen las ventajas de una buena portabilidad, facilidad de transporte y capacidad multifuncional, se consideran el hardware básico en el futuro, que muestran un gran potencial en muchas aplicaciones, incluida la medicina, la salud, los sistemas robóticos, las prótesis, las realidades visuales, deportes profesionales, así como entretenimiento. En los últimos años, se han dedicado muchos esfuerzos al desarrollo de tecnologías de detección ponibles. Se han propuesto y demostrado varios tipos de sensores portátiles en el laboratorio, desde sensores funcionales individuales, como temperatura [ 1 ], presión [ 2 ], tensión [ 3], óptica [ 4], y sensores electroquímicos [ 5 ], a sensores multifuncionales, como la piel táctil y electrónica [ 6 ]. Entre estos sensores portátiles, los sensores electromecánicos portátiles, incluidos los sensores de presión y tensión, han atraído cada vez más atenciones debido a su mecanismo claro, bajo costo, bajo consumo de energía y alto rendimiento [ 7]. Mediante la integración del sensor portátil de tensión y presión con otros sensores, se han realizado sensores táctiles [ 8 ] y piel electrónica [ 9 ]. El sensor electromecánico portátil de alto rendimiento puede monitorear el pequeño cambio de tensión y presión, lo cual es útil en muchos campos.

El sensor electromecánico tradicional generalmente se fabrica con materiales frágiles, como silicio y metal. Aunque la flexibilidad puede mejorarse mediante el diseño estructural, su rendimiento sigue siendo limitado. Por lo tanto, se han desarrollado muchos materiales nuevos. Los materiales utilizados en el sensor electromecánico portátil consisten en material de detección y soporte. La mayoría de los progresos se centran en el desarrollo de nuevos materiales de detección. El diseño estructural también es una estrategia efectiva para mejorar el rendimiento. El método de fabricación también es el aspecto significativo. Se utilizan muchas técnicas tradicionales, como la serigrafía, la impresión por contacto, el electrohilado y el recubrimiento por pulverización [ 10] Además, el sensor electromecánico portátil se ha demostrado con éxito en muchas aplicaciones, como monitoreo de salud, diagnóstico de enfermedades, corrección de comportamiento, alarma de caídas de accidentes, interfaces hombre-máquina e incluso reconocimiento de voz.

El presente capítulo discutirá su mecanismo de trabajo básico, métodos de fabricación y aplicaciones de sensores electromecánicos portátiles y los desafíos que enfrenta el progreso.

2. Mecanismos de trabajo de un sensor electromecánico ponible

En primer lugar, discutimos el mecanismo de trabajo de un sensor electromecánico portátil. Según sus mecanismos de trabajo, se puede clasificar en sensor piezoresistivo, capacitivo, iontrónico y piezoeléctrico, como se ve en la Figura 1 [ 11 ].



Figura 1.

Esquemas que ilustran las diferentes modalidades de sensores electromecánicos ponibles. (a) Piezoresistividad, (b) capacitancia, (c) piezoelectricidad y (d) iontrónico.

2.1 Sensor piezoresistivo ponible

La figura 1a muestra el mecanismo del sensor piezoresistivo. Transfiere estímulos mecánicos a señal de resistencia. Los factores que resultan en el cambio de resistencia dependen de la propiedad de los materiales utilizados y sus estructuras, incluido el efecto geométrico, el efecto estructural y el mecanismo de desconexión.

2.1.1 Efecto geométrico

El efecto geométrico significa que el cambio de resistencia es causado por un cambio geométrico, que se debe principalmente a la relación de Poisson (υ). La relación de Poisson (υ) es un parámetro fundamental de los materiales, lo que significa que los materiales tienden a contraerse en la dirección transversal de estiramiento cuando se estiran. La resistencia de un conductor está representada por:

R = ρ L / AR=ρL/ /UNA

donde ρ es la resistividad eléctrica, L es la longitud y A es el área de la sección transversal del conductor. Cuando se aplica tensión o presión, la longitud aumenta y el área de la sección transversal cambiaría debido a la contracción de los materiales, lo que da como resultado un cambio de la resistencia. El efecto geométrico suele ser limitado en comparación con otros factores.

2.1.2 Efecto estructural

El efecto estructural se define como el cambio en la resistencia causado por las deformaciones estructurales. Esto generalmente se observa en materiales semiconductores. Cuando se aplica tensión o presión, la estructura cristalina, especialmente el espacio interatómico, cambia, lo que da como resultado el cambio de la banda prohibida, lo que puede aumentar la resistencia de los materiales unas pocas veces [ 12 ]. Por ejemplo, nanotubos de carbono individuales (CNT) [ 13] muestra un cambio de resistividad ultra alta debido a su quiralidad y cambio en la altura de la barrera, respectivamente. Sin embargo, en comparación con el cambio de resistencia total, la parte suele ser baja porque la tensión aplicada en nanoflake individual siempre es pequeña. Además, el gran desajuste elástico y la débil resistencia de adhesión interfacial entre nanomateriales y polímeros también hacen que los nanoflakes estén casi libres de deformación.

2.1.3 Mecanismo de desconexión

El mecanismo de desconexión significa que el cambio de resistencia es causado por el proceso de desconexión entre nanoflakes adyacentes. Consiste en tres situaciones bajo diferentes tensiones o presiones, que son cambio de área de contacto, efecto de túnel y propagación de grietas.

Cuando la tensión o presión aplicada es pequeña, el área de contacto cambia entre nanoflakes adyacentes dominantes. Los electrones pasan principalmente a través de nanoflakes superpuestos dentro de la red conductora de percolación. Cuando la tensión o presión aplicada aumenta y separa por completo algunos nanoflakes adyacentes, los electrones aún pueden pasar a través de ellos porque la distancia entre ellos es lo suficientemente pequeña. Este fenómeno se llama efecto de túnel, y la distancia se llama distancia de túnel. La resistencia de túnel entre dos nanoflakes adyacentes puede estimarse aproximadamente por la teoría de Simmons [ 14 ]:

Rtu n n e l= h2reA e22 m λ√exp ( 4 π dh2 m λ-----√)Rtunnel=h2reAe22metroλexp4 4πreh2metroλ

donde A, e, h, d, m, λ representan el área de la sección transversal de la unión del túnel, la carga de un solo electrón, la constante de Plank, la distancia entre nanoflakes adyacentes, la masa de electrones y la altura de la barrera de energía para los aisladores, respectivamente . Se puede encontrar que la distancia entre nanoflakes adyacentes domina la resistencia del túnel. Cuando no hay paso de electrones a través del túnel, la distancia se define como la distancia de corte del túnel. La distancia de corte suele ser de varios nanómetros. Cuando la tensión o presión aplicada es lo suficientemente grande, se forma una grieta, lo que conduce a un aumento rápido de la resistencia. La tensión o la presión conducen a la apertura y agrandamiento de las grietas, limitando críticamente la conducción eléctrica debido a la separación de varios bordes de grietas.

2.2 Sensor capacitivo ponible

Como muestra la Figura 1b , el sensor capacitivo portátil se basa en el cambio de capacitancia del capacitor. Entre los diferentes condensadores, la arquitectura más popular es la configuración de placa paralela porque es fácil de fabricar y su modelo es simple. El cambio capacitivo se puede expresar mediante la ecuación clásica:

do= κ Aredo=κUNAre

en el que κ, A yd representan la permitividad del medio entre dos placas, el área de superposición y la distancia entre dos placas, respectivamente. Cuando alguno de ellos es cambiado por el estímulo mecánico, la capacitancia sería cambiada.

Para el sensor de deformación capacitiva, cuando se aplica la deformación ε, la longitud del condensador a lo largo de la dirección de deformación aumentaría, lo que se expresa como (1 + ε) l 0 , mientras que el ancho y el grosor de la capa dieléctrica se reducirían, lo que es expresado como (1 - ν electrodo ) w 0 y (1 - ν dieléctrico ) d 0 , respectivamente. El electrodo ν y el dieléctrico ν se utilizan para representar las relaciones de Poisson de electrodos flexibles y capa dieléctrica, respectivamente. Si tanto los electrodos flexibles como la capa dieléctrica tienen la misma relación de Poisson, entonces la capacitancia al estirarse podría calcularse como:

do= ( 1 + ε ) C0 0do=1+εdo0 0 E4

La ecuación indica que la capacitancia del sensor de tensión capacitiva es lineal con la tensión aplicada. Sin embargo, la relación lineal solo es adecuada para un rango de deformación limitado. Cuando la deformación aplicada es mayor que cierto valor, la relación entre diferentes ejes no puede obtenerse simplemente por la relación de Poisson.

Para el sensor de presión capacitivo, la sensibilidad (S) de la capacitancia a la presión viene dada por:

S= δ( Δ C/ C0 0) /δPS=δΔdo/ /do0 0/ /δPAG E5

donde ΔC es la variación de capacitancia (C – C 0 ) y P presenta presión aplicada. La estructura más popular para el sensor de presión portátil es la estructura de enclavamiento, que es difícil de hacer un análisis preciso.

2.3 sensores iontrónicos

Como figura 1cmuestra, el sensor iontrónico se basa en el mecanismo de detección de la interfaz iontrónica. La interfaz iontrónica generalmente existe en la interfaz a nanoescala entre el electrodo y el electrolito. El electrodo forma contacto iónico-electrónico con gel iónico. Los electrones en el electrodo y los iones contrarios de la película iontrónica se acumulan y atraen entre sí a una distancia nanoscópica, lo que conduce a una capacitancia de área unitaria ultraalta. En comparación con los sensores capacitivos de placa paralela tradicionales, el sensor iontrónico tiene un área de superficie más alta y su capacidad eléctrica es al menos 1000 veces mayor. Esta excelente propiedad es adecuada para sensores electromecánicos portátiles. Además, este mecanismo especial permite la inmunidad del sensor iontrónico a los ruidos capacitivos ambientales o corporales. Hasta aquí,

2.4 sensores piezoeléctricos

Como muestra la figura 1d , el mecanismo de detección del sensor piezoeléctrico es el efecto piezoeléctrico. Piezoeléctrico significa que el cambio eléctrico se acumula en los materiales piezoeléctricos cuando se aplica tensión mecánica. Muchos materiales tienen propiedades piezoeléctricas, como cristales, ciertas cerámicas e incluso materia biológica. Cuando se aplica tensión o presión, hay un cambio en la polarización eléctrica dentro del material, lo que resulta en un cambio en la carga superficial (voltaje) en la superficie del material piezoeléctrico. En general, la señal eléctrica del sensor piezoeléctrico es el voltaje, que puede recogerse midiendo dos superficies diferentes.

3. Rendimiento del sensor electromecánico portátil

3.1 Parámetros básicos del sensor electromecánico portátil

3.1.1 Sensibilidad y linealidad

La sensibilidad es la magnitud de la respuesta eléctrica al estímulo mecánico medido, que es un parámetro importante. Para el sensor de tensión, la sensibilidad se llama factor de calibre (GF), que se define como GF = ΔR / R 0 para el tipo resistivo y GF = ΔC / C 0 para el tipo capacitivo. Para el sensor de presión, la sensibilidad a la presión (PS) se define como PS = (ΔR / R 0 ) / P. La sensibilidad puede verse afectada por el material funcional, el mecanismo de detección y la configuración estructural. Se desean los materiales con gran coeficiente piezoresistivo o piezoeléctrico. Se ha demostrado que el efecto de túnel y las estructuras de grietas / huecos en los sensores piezoresistivos son efectivos para promover la sensibilidad. Sin embargo, la mayoría de los sensores altamente sensibles siempre muestran una capacidad de estiramiento limitada.

La linealidad caracteriza el grado de desviación de la relación lineal entre las señales eléctricas y el estímulo mecánico. La alta linealidad es conveniente para el proceso de calibración y procesamiento de datos. Sin embargo, siempre hay una contradicción entre la sensibilidad y la linealidad porque la propagación de grietas y el cambio de resistencia inducido por efecto de túnel son generalmente exponenciales. Por ejemplo, los sensores de tensión piezoresistivos a menudo exhiben una sensibilidad variada en diferentes rangos de tensión, que es inducida por la deformación heterogénea no lineal. Además, los sensores capacitivos con dieléctrico microestructurado también sufren el mismo problema.

3.1.2 Histéresis y tiempo de respuesta

La histéresis y el tiempo de respuesta son otros dos parámetros importantes en la evaluación del rendimiento dinámico del sensor electromecánico. Histéresis significa la dependencia del rendimiento en su historial, que debe reducirse o evitarse. En general, los sensores capacitivos muestran una respuesta inmediata a la variación del área superpuesta, presentando una histéresis más baja. Mientras tanto, los sensores piezoresistivos tienen una respuesta más lenta debido al movimiento interactivo entre el material de detección y el sustrato de polímero. La unión interfacial entre el material sensor y el sustrato afecta en gran medida la optimización de la histéresis. La recuperación completa de la posición del material sensor se ve obstaculizada por el deslizamiento interfacial, lo que conduce a un comportamiento de histéresis alta. Mientras tanto, para evitar el pandeo inducido por la fricción y la fractura en los materiales de detección, se necesita una adhesión débil. Se informa que el uso de sustrato de polímero de baja viscosidad y una configuración mejorada puede eliminar parcialmente la histéresis. Sin embargo, sigue siendo un gran desafío optimizar la histéresis mediante nuevos materiales e ingeniería estructural. El tiempo de respuesta ilustra la velocidad para lograr una respuesta constante al estímulo mecánico aplicado, y existe un retraso de respuesta en casi todos los sensores basados ​​en compuestos debido a la propiedad viscoelástica de los polímeros. Relativamente, el dispositivo piezoresistivo tiene un tiempo de respuesta mayor que otros porque necesita más tiempo para restablecer la red de percolación en compuestos resistivos. Además, los materiales de módulo inferior son populares para sensores electromecánicos portátiles, que pueden disminuir aún más la velocidad de respuesta de los sensores resistivos. Además, basado en el diseño estructural,15 ]

3.1.3 Durabilidad

La durabilidad es la capacidad de mantener su rendimiento, sin requerir un mantenimiento o reparación excesivos, cuando se usa normalmente. Generalmente se mide por la estabilidad cíclica para el sensor electromecánico portátil. La estabilidad cíclica es la resistencia del sensor a los ciclos periódicos de carga y descarga. La película del material sensor sobre el sustrato de polímero es fácil de formar pandeo, fractura e incluso pelado después de suficientes ciclos, lo que resulta en un problema inestable cíclico. Por ejemplo, la sensibilidad del sensor de tensión de tela tejida de grafeno (GWF) disminuye un 24% después de aproximadamente 1000 ciclos de 0 a 2% [ 16 ].

Dotar al sensor de autocuración es una forma novedosa de promover la durabilidad. Se han informado varios trabajos sobre sensores electromecánicos portátiles. La Figura 2a muestra un sensor de tensión piezoresistivo auto curativo elástico que utiliza nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT) en hidrogel autocurativo (SWCNT / hidrogel) como el canal de detección conductivo [ 17 ]. La ranura de corte se cura parcialmente después de 30 segundos y se restablece totalmente a la normalidad después de 60 segundos a temperatura ambiente sin ninguna ayuda externa. También muestra los procesos repetitivos de curación por corte con cinco ciclos en el mismo lugar. Las eficiencias promedio son 98 ± 0.8% para los cinco ciclos de autocuración dentro de aproximadamente 3.2 s, lo que indica que el SWCNT / hidrogel posee un rendimiento de restauración eléctrica significativo y repetible.La Figura 2bmuestra que un sensor de autocuración con piezoresistividad positiva / negativa ajustable se diseña mediante la construcción de una estructura jerárquica conectada a través de enlaces de coordinación supramoleculares de metal-ligando [ 18 ]. La resistencia eléctrica de las muestras reparadas solo aumenta ligeramente después de múltiples ciclos de corte / curación. Sin embargo, el aumento de la resistencia eléctrica es despreciable, que es inferior a un orden de magnitud, lo que indica su excelente capacidad de autocuración eléctrica. Se estima que la alta eficiencia de curación es del 88,6% después del tercer proceso de curación, y el sensor de deformación portátil curado aún muestra buena flexibilidad, alta sensibilidad y capacidad de detección precisa, incluso después de doblar más de 10,000 ciclos.



Figura 2.

(a) Propiedades de autocuración del sensor de deformación basado en SWCNT / hidrogel. (b) Propiedades de autocuración eléctrica del sensor de deformación a base de elastómero supramolecular.

3.1.4 Biocompatibilidad

Los sensores electromecánicos portátiles generalmente se usan directamente en las pieles humanas, por lo que la biocompatibilidad también es importante. El principal peligro proviene de los materiales de detección, que generalmente son nanomateriales distintos de los materiales del sustrato, que es un polímero. Por ejemplo, se ha informado que inyectar grandes cantidades de CNT en los pulmones de los ratones podría causar patogenicidad similar al asbesto debido al pequeño tamaño y la morfología similar a la aguja de la CNT [ 19 ]. Para mejorar la biocompatibilidad, generalmente se han utilizado materiales orgánicos activos, como el polipirrol (PPy) y el poli (3,4-etilendioxitiofeno) (PEDOT). El algodón o la seda carbonizados también presentan un gran potencial en la construcción de sensores portátiles biocompatibles [ 20 ].

3.1.5 Poder propio

El poder es el elemento básico para el sistema portátil. Los dispositivos portátiles con capacidad de autoalimentación atraen cada vez más atenciones, lo que puede ampliar enormemente sus escenarios de aplicación y es particularmente adecuado para dispositivos portátiles de larga duración. El sensor electromecánico portátil de autoalimentación se ha demostrado hasta ahora utilizando sistemas triboeléctricos [ 21 ], fotovoltaicos [ 22 ], piezoeléctricos [ 23 ], radiofrecuencia, termoeléctricos (TE) [ 24 ] y otros [ 25 ]. Entre ellos, la tecnología TE es bastante atractiva debido a la utilización de polímeros conjugados como componente activo, que también es flexible, permitiendo una nueva generación de sensores electromecánicos portátiles, de bajo costo y baja potencia [ 26 ].

3.2 Materiales para sensor electromecánico portátil

3.2.1 Materiales para sustrato

El sustrato es el principal responsable de la flexibilidad y la capacidad de estiramiento, y determina directamente el nivel de comodidad y la fiabilidad a largo plazo. El polidimetilsiloxano (PDMS), un elastómero de silicona comercial con alta capacidad de estiramiento intrínseca (hasta 1000%), no tóxico, no inflamable, hidrofobicidad y buena procesabilidad, se ha utilizado con frecuencia. Aunque no se puede estirar por su módulo relativamente alto (aproximadamente 2 ~ 4 GPa), el tereftalato de polietileno (PET) presenta buena transparencia (> 85%), alta resistencia a la deformación y excelente capacidad de impresión. Los elastómeros de silicona, incluidos Ecoflex, Sylgard, Dragon Skin y Silbione, son biocompatibles y su capacidad máxima de estiramiento es de hasta el 900%. Son sustratos flexibles adecuados debido a su fuerte adhesión a las superficies objetivo. Eco Flex ®El caucho es una silicona recientemente desarrollada, altamente elástica y segura para la piel con mejor capacidad de estiramiento y menor módulo, que se ha utilizado en los sensores que requieren una flexibilidad y capacidad de estiramiento más severas. La poliimida (PI) es otro sustrato de uso frecuente porque puede mantener la flexibilidad, la resistencia a la fluencia y la resistencia a la tracción en condiciones de alta temperatura (hasta 360 ° C) y ácidos / álcalis. Por lo tanto, PI es compatible con el proceso de micromanufactura y se pueden diseñar e implementar muchos tipos de sensores electromecánicos portátiles. Los materiales naturales también se exploran y desarrollan para producir sustratos flexibles porque se biodegradan fácilmente, como el papel de celulosa. Además, los textiles naturales, como la seda y el algodón, también son materiales de sustrato altamente deseables [ 41 ].

3.2.2 Materiales para elementos activos.

3.2.2.1 Nanomateriales de carbono

Los nanomateriales de carbono, que incluyen grafito, CNT y grafeno, se han utilizado ampliamente en la fabricación de sensores electromecánicos portátiles. El grafito es un conductor y atrae cada vez más atenciones con el desarrollo de la electrónica de lápiz sobre papel [ 27 ]. 54 ]. Las escamas de grafito en mina de lápiz son fáciles de depositar sobre la superficie del papel por la fricción física entre la punta del plomo y el papel de celulosa poroso. Además, los bordes estructurales en las escamas de grafito dan como resultado una variación de resistencia inducida por la deformación de las trazas de lápiz, lo que los hace adecuados para el sensor de deformación. El área de contacto entre las escamas de grafito aumenta al comprimir la traza y disminuye cuando se aplica la tensión de tensión, lo que conduce a una disminución o aumento de la resistencia. El sensor de deformación portátil fabricado con lápiz sobre papel muestra un alto GF de hasta 536.61 [

Los CNT son alótropos de carbono con una nanoestructura cilíndrica, que posee una excelente conductividad eléctrica y propiedades mecánicas. Se ha demostrado que una sola CNT muestra un fuerte efecto estructural y tiene un GF superior a 1000. Sin embargo, el sensor electromecánico portátil fabricado con una sola CNT es difícil y difícil de realizar en masa. Por lo tanto, CNT generalmente se entremezcla en sustratos de polímeros y su excelente conductividad juega un papel importante en la construcción del sensor electromecánico. Todos los sensores electromecánicos capacitivos y piezoresistivos portátiles se han demostrado depositando CNT sobre el sustrato o formando un compuesto con polímeros. Para el sensor compuesto piezoresistivo, el cambio de resistencia se debe principalmente a la resistencia de túnel de intertubo variada por deformación. El GF máximo se puede lograr cuando la concentración de CNT está cerca del umbral de percolación (PH). Cuando la carga de CNT es mucho más baja que PH, la distancia entre CNT adyacentes es mayor que su distancia de corte y casi no hay resistencia de túnel. Por el contrario, cuando la carga de CNT es mucho más alta que PH, las CNT pueden formar una red 3D densa y la mayoría de las CNT se conectarían entre sí, lo que daría como resultado una pequeña resistencia entre tubos. En este caso, la resistencia de contacto domina el comportamiento, lo que disminuirá significativamente el FG. Para el sensor de película piezoresistiva, la variación de resistencia gana casi un incremento de diez veces en comparación con el tipo de nanocompuesto, pero su durabilidad del ciclo no es lo suficientemente favorable debido a grietas y descamación inesperadas.

Debido a su excelente electroconductividad, excelentes propiedades mecánicas, excelentes características térmicas y transmitancia óptica, el grafeno se convierte en el material sensor más prometedor para el desarrollo de sensores electromecánicos portátiles [ 28] El grafeno se ha desarrollado como material de electrodo para sensor capacitivo y relleno para sensor piezoresistivo. Se ha demostrado una variedad de sensores electromecánicos de grafeno con diferentes formas, incluidas espumas porosas, escamas, ondulaciones, telas tejidas y películas. Por ejemplo, la película GWF, que puede fabricarse con CVD o recubrimiento por inmersión, consistía en muchos microribones superpuestos y presenta una buena compensación entre la sensibilidad y la capacidad de estiramiento, lo que la hace adecuada para sensores de tensión portátiles. Muestra una capacidad de estiramiento fascinante (una tensión tolerable hasta el 57%) y sensibilidad (GF = 416 para 0 <ε <40%, y GF = 3667 para 48 <ε <57%) al encapsular los GWF obtenidos en látex de caucho natural [ 29 ]

3.2.2.2 Materiales metálicos

El metal posee una excelente conductividad eléctrica y se ha utilizado ampliamente en sensores electromecánicos portátiles. Hay cuatro formas de metal desarrolladas, que son nanocables, nanopartículas, configuraciones estirables y estado líquido a temperatura ambiente. Los nanocables (NW) y las nanopartículas (NP) se usan generalmente para preparar compuestos piezoresistivos o tinta conductiva. Por ejemplo, el nanocable de plata (AgNW) puede integrarse en PDMS para construir un sensor de deformación de tipo resistivo. Debido a que la adhesión entre AgNW y polímeros no es tan fuerte como la de los nanomateriales de carbono, la interconexión de AgNW es fácil de romper. La resistencia aumentará irreversiblemente después del pandeo y las arrugas si la película de AgNW simplemente se recubre sobre la superficie del polímero. Además, los AgNW son fáciles de oxidar. Por lo tanto, la capa AgNW a menudo se intercala entre dos capas de polímero,23 ]. Las configuraciones estirables del metal se basan en la estrategia "estructuras que son flexibles y elásticas". Se han utilizado estructuras enrolladas, serpentinas y tejidas para dotar de flexibilidad y capacidad de estiramiento a los metales. El metal líquido, como Ga y sus aleaciones, mantiene el estado líquido a temperatura ambiente. Con la ayuda de técnicas de microfluidos, los metales líquidos muestran un gran potencial en los sensores portátiles. Cuando se aplica tensión o presión, la geometría del microcanal cambiará, lo que provocará una variación significativa en el área de sección y la longitud de la resistencia de metal líquido. El cambio de resistencia eléctrica puede alcanzar hasta un 50%.

3.2.2.3 Polímero

Los polímeros conductores poseen electropropertías favorables y pueden participar en la construcción de materiales de detección. Una característica atractiva del polímero conductor es la similitud mecánica entre ellos y muchos polímeros de sustrato aislados. Los polímeros basados ​​en PEDOT son los materiales de detección más comunes por su estabilidad térmica, alta transparencia y conductividad sintonizable. Entre ellos, el poli (3,4-etilendioxitiofeno) -poliestirenosulfonato (PEDOT: PSS) es uno de los polímeros conductores prometedores debido a su excelente solubilidad en agua. Sin embargo, la película PEDOT: PSS seca es fácil de formar partículas duras en su interior, lo que puede inducir fisuras y luego disminuir la conductividad eléctrica. No es adecuado para flexiones y estiramientos continuos. Para resolver este problema, se han desarrollado sustratos porosos para imprimir y permear PEDOT: tinta PSS, tales como telas y papel de celulosa, que pueden promover en gran medida su adhesión. Esta estrategia mejora en gran medida la estabilidad del sensor electromecánico portátil fabricado con PEDOT: tinta PSS [30 ] El fluoruro de polivinilo (PVDF) es otro material de detección atractivo con muchas propiedades atractivas, como la propiedad piezoeléctrica, especialmente apropiado para sensores electromecánicos ponibles piezoeléctricos. Además, otros polímeros conductores como PPy, poli (3-hexiltiofeno-2,5-diilo) (P3HT) y PANI también se han utilizado para fabricar sensores portátiles [ 31 ]. Más recientemente, el líquido iónico (IL), un tipo de sal que mantiene el estado líquido a temperatura ambiente, ha atraído mucha atención [ 32 ]. Similar a los metales líquidos, IL también puede integrarse en microcanales basados ​​en PDMS para fabricar sensores electromecánicos portátiles.

3.3 Rendimiento del sensor electromecánico portátil

3.3.1 Sensor de tensión portátil

El sensor de deformación portátil convierte la deformación en señal eléctrica. Muchas aplicaciones, como la monitorización de la salud humana, requieren un rango de estiramiento suficiente desde una deformación pequeña (pequeña del 1%) hasta grandes deformaciones (del 100%) y una alta sensibilidad. Hay dos estrategias principales para mejorar la sensibilidad. Una es elegir materiales de detección adecuados. Se prueban varios tipos de

MaterialTipoSensibilidadEstirabilidadLinealidadDurabilidad (ciclos)Refs
AgNWTensión150,00060%0,98920033 ]
AgNWPresión1.54 kPa −10.6 Pa-115 kPalineal500034 ]
AuNW (nanocable de oro)Tensión70250%No lineal50035 ]
AuNWPresión1.14 kPa −113 Pa-5 kPaLineal500036 ]
Negro carbónTensión64720%No lineal20037 ]
Negro carbónPresión4.2 kPa −10-30 kPa0,99630,00038 ]
Nanofibra de carbonoTensión72300%No lineal800039 ]
Nanofibra de carbonoPresión4.2 kPa −11.0 Pa-2 kPaNo lineal10,00040 ]
Seda carbonizadaTensión9.6 
(0–250%) 
37.5 
(250–500%)
500%No lineal10,00041 ]
Nanotubo de carbonoTensión80100%No lineal150042 ]
Nanotubo de carbonoPresión0.209 kPa −15.0 Pa-50 kPaNo lineal500043 ]
GrafenoPresión1.2 kPa −10–25 kPaLineal100044 ]
GrafenoTensión105426%No lineal50045 ]
MxeneTensión64,6 
(0–30%) 
772,6 
(30–70%)
130%No lineal500046 ]
MxenePresión4.05 kPa −1
(0–1.0 kPa) 
22.56 kPa −1
(1–3.5 kPa)
0–3.5 kPaNo lineal10,00047 ]


nanomateriales, como se ve en la Tabla 1 . Por ejemplo, al recubrir el grafeno sobre la estructura de la tela tejida, se logra un alargamiento máximo del 57% y un GF de 416 y 3667 a deformaciones cada vez más altas. Combinando grafeno y nanocelulosa en nanocompuesto, muestra una sensibilidad ultraalta con un GF de 502 al 1% de tensión y 2427 al 6% de tensión.

MaterialTipoSensibilidadEstirabilidadLinealidadDurabilidad (ciclos)RefsAgNWTensión150,00060%0,989200[ 33 ]AgNWPresión1.54 kPa −10.6 Pa-115 kPalineal5000[ 34 ]AuNW (nanocable de oro)Tensión70250%No lineal500[ 35 ]AuNWPresión1.14 kPa −113 Pa-5 kPaLineal5000[ 36 ]Negro carbónTensión64720%No lineal200[ 37 ]Negro carbónPresión4.2 kPa −10-30 kPa0,99630,000[ 38 ]Nanofibra de carbonoTensión72300%No lineal8000[ 39 ]Nanofibra de carbonoPresión4.2 kPa −11.0 Pa-2 kPaNo lineal10,000[ 40 ]Seda carbonizadaTensión9.6
(0–250%)
37.5
(250–500%)500%No lineal10,000[ 41 ]Nanotubo de carbonoTensión80100%No lineal1500[ 42 ]Nanotubo de carbonoPresión0.209 kPa −15.0 Pa-50 kPaNo lineal5000[ 43 ]GrafenoPresión1.2 kPa −10-25 kPaLineal1000[ 44 ]GrafenoTensión105426%No lineal500[ 45 ]MxeneTensión64,6
(0–30%)
772,6
(30–70%)130%No lineal5000[ 46 ]MxenePresión4.05 kPa −1
(0–1.0 kPa)
22.56 kPa −1
(1–3.5 kPa)0–3.5 kPaNo lineal10,000[ 47 ]

Tabla 1.

Rendimiento del sensor electromecánico portátil fabricado con nanomateriales típicos.

La segunda estrategia es la ingeniería de estructuras. Como se discutió en la sección anterior, las grietas pueden mejorar en gran medida el cambio de resistencia. Las grietas de la red formadas en películas de CNT multicapa en el compuesto PDMS dan como resultado un factor de alto calibre (valor máximo de 87) y un amplio rango de detección (hasta 100%) del sensor de deformación, lo que permite la detección de deformación tan baja como 0.007% con excelente estabilidad (1500 ciclos) [ 27 ].

Para mejorar la capacidad de estiramiento, se han desarrollado muchas estrategias. Una estrategia es utilizar materiales intrínsecamente flexibles y los componentes rígidos relativos unidos con interconexiones altamente flexibles [ 48 ]. Cuando la capacidad de estiramiento intrínseca del material flexible no es suficiente, la ingeniería estructural se puede utilizar para mejorar aún más su capacidad de estiramiento. La estructura fragmentada con islas conectadas puede formar muchas grietas, lo que puede aliviar la mayor parte de la tensión aplicada a través de la apertura y el agrandamiento de las grietas. Las estructuras deformables son ampliamente utilizadas. Por ejemplo, la serpentina de herradura y filamentosa se ha modelado con nanomateriales, que pueden acomodar grandes deformaciones [ 49 , 50]. Las estructuras porosas como la esponja y la espuma también se emplean para mejorar la capacidad de estiramiento [51].] La estructura arrugada basada en película CNT se produce e integra en un sustrato Ecoflex, lo que permite una conductividad de hasta el 750% de alargamiento, un aumento aproximado de 60 veces en comparación con las películas no arrugadas [ 52

Se han logrado avances significativos en la sensibilidad y la capacidad de estiramiento, pero todavía existen algunos desafíos. La mayoría de los sensores de tensión portátiles resistentes tienen al menos uno de estos problemas, que son la respuesta no lineal, la histéresis grande y la irreversibilidad. La irreversibilidad se origina principalmente en deslizamientos parciales de los materiales de detección y en la recuperación irreversible de las grietas. La histéresis es causada principalmente por la viscoelasticidad de los polímeros y la fricción entre los materiales sensores y la matriz polimérica. La reorganización de los materiales de detección y la apertura de grietas también son responsables del retraso de tiempo entre la salida eléctrica y la entrada mecánica. La respuesta no lineal resulta principalmente de la propagación de grietas y el efecto de túnel, que siempre es exponencial como se discutió anteriormente. Por lo tanto,

En comparación con el sensor de deformación portátil resistente, los sensores de tensión capacitivos poseen una buena linealidad con baja histéresis, respuesta rápida y son menos susceptibles al sobreimpulso y al arrastre. Los conductores estirables basados ​​en nanomateriales se usan generalmente como electrodos para sensores de tensión capacitivos. La silicona altamente estirable, como PDMS, Dragon Skin y Ecoflex, se usan comúnmente como la capa dieléctrica intercalada entre dos electrodos. Por ejemplo, un sensor de tensión capacitivo se fabrica con conductores extensibles AgNW / PDMS como los electrodos superior e inferior y Ecoflex como material dieléctrico [ 53] El GF de este sensor alcanza 0.7 y su capacidad de estiramiento es de hasta 50%. Además, también tiene una buena linealidad. Si bien los sensores de tensión capacitivos exhiben GF más pequeños que los sensores de tensión resistivos, son ideales para aplicaciones donde la tensión es relativamente grande. Además, los GF de los sensores de tensión capacitivos permanecen constantes en todo el rango de tensión.

3.3.2 Sensor de presión portátil

El sensor de presión portátil convierte la presión en señal eléctrica. El sensor de presión se puede fabricar con estructuras entrelazadas, redes percolativas de nanomateriales, estructuras microfabricadas (p. Ej., Micropirámides, micropilares), estructuras porosas (p. Ej., Esponjas, espumas, gomas porosas), etc. Por ejemplo, la Figura 3a presenta un sensor de presión fabricado con una matriz de micro domos enclavados. El contacto entre el microdomo aumenta cuando se aplica presión, disminuyendo así la resistencia de túnel [ 54 ].



Figura 3.

(a) Esquema del procedimiento de fabricación y mecanismo de presión con matrices de micro domos interconectados. (b) Características de respuesta del sensor de presión capacitivo flexible basado en la capa dieléctrica de microarrays PDMS.

Para mejorar la sensibilidad del sensor de presión piezoresistivo, la modificación de la superficie estructural de los electrodos es una estrategia efectiva. La incorporación de estructuras nano / microescaladas puede proporcionar grandes cambios en la resistencia de contacto, lo que permite la detección de presiones más pequeñas. Por ejemplo, al recubrir una esponja de poliuretano con grafeno para formar una estructura de fractura, se demuestra un aumento de dos órdenes de magnitud en la sensibilidad dentro del régimen de 0–2 kPa en comparación con ninguna fractura [ 55 ].

Para el sensor de presión capacitivo, la separación entre dos electrodos disminuye con la presión, lo que resulta en un aumento de la capacitancia. La propiedad de los materiales dieléctricos casi determina la sensibilidad a la presión. Módulo elástico más bajo significa una tensión mayor ε bajo una presión dada. La constante dieléctrica aumentada con la presión y la baja relación de Poisson beneficiarían al rendimiento. Alta sensibilidad de 0.8 kPa −1Se ha informado una utilizando una espuma de bajo módulo elástico basada en GO como material dieléctrico [ 56] Se han demostrado varios métodos para fabricar materiales dieléctricos altamente deformables, incluido el uso de cintas porosas comerciales, el uso de moldes especiales (p. Ej., La superficie de vidrio mate, un molde de Si micromaquinado o la superficie de la hoja de loto) para crear microestructuras en elastómeros, utilizando cubos de azúcar como plantilla para crear elastómeros porosos y fabricar estructuras abrochadas mediante estiramiento previo y liberación. Como la constante dieléctrica del aire es menor que la del material dieléctrico utilizado para el sensor, la constante dieléctrica efectiva aumenta bajo presión cuando se comprime el entrehierro. Por ejemplo, la figura 3bmuestra que se ha construido un sensor de presión flexible con alta sensibilidad, que es una estructura tipo sándwich típica al combinar una capa dieléctrica PDMS de microarrays con sustratos de PDMS. El material del electrodo superior / inferior es un sustrato PDMS recubierto con AgNW, y la capa dieléctrica es un PDMS con estructura de microarrays, que se utiliza para mejorar la sensibilidad a la presión. Los resultados muestran que posee una alta sensibilidad (2.04 kPa −1 ) en rangos de baja presión (0–2000 Pa), límites de detección bajos (<7 Pa) y tiempos de respuesta rápidos (<100 ms). Mientras tanto, también tiene una excelente estabilidad de flexión y ciclismo [ 57 ].

También se ha avanzado en sensores de presión piezoeléctricos y triboeléctricos portátiles. Por ejemplo, se ha informado que se fabricó un nuevo sensor de presión piezoeléctrico a través de emparejamiento de nanofibras de microfibra de trifluoroetileno (PVDF-TrFE) electrospun en forma de sándwich [ 58 ] o nanofibras de PVDF-TrFE electrospun entre dos electrodos. Puede detectar presiones muy pequeñas tan bajas como 0.1 Pa y tiene una alta sensibilidad de hasta 1.1 V kPa −1para un rango de presión de 0.4–2 kPa. En un trabajo representativo, se utiliza un nanogenerador triboeléctrico sensible a la presión para bloquear los transistores de grafeno. Tales tribotrónicos de grafeno mostraron una sensibilidad a la presión de ≈2% kPa −1 a una presión de 10 kPa.

4. Tecnología de fabricación del sensor electromecánico portátil.

El sensor electromecánico portátil generalmente consta de tres componentes básicos, que son sustrato, elementos activos y electrodo / interconexión. Suelen fabricarse con diferentes materiales. Durante el proceso de fabricación, la combinación del sustrato y los elementos activos es el paso clave. Básicamente, hay dos situaciones. Uno es que el material sensor forma un compuesto uniforme con sustrato de polímero, el otro es que el material sensor está unido al sustrato y existe una interfaz clara. En esta parte, nos centraremos en las estrategias de combinación para sustratos y elementos de detección, y también se refieren algunos procesos clave para mejorar el rendimiento.

4.1 Fabricación de sensor electromecánico compuesto portátil

Para el sensor electromecánico compuesto, el sustrato y los materiales de detección deben fabricarse como compuestos. El proceso clave es cómo mezclarlos y preparar un compuesto uniforme. Los materiales de detección generalmente se mezclan con polímeros mediante agitación magnética o ultrasónica, y luego los compuestos elásticos secos se pueden preparar en forma de granel o película. Los compuestos mixtos tienen características electromecánicas complejas que son inducidas por la diversidad de materiales sensores y polímeros y dependen significativamente de la concentración de los materiales sensores y su estado de distribución. Por ejemplo, la propiedad eléctrica del compuesto de negro de humo y silicona está determinada principalmente por la concentración de negro de carbón. La resistencia eléctrica aumenta claramente con la presión uniaxial aplicada cuando la concentración es de aproximadamente 0.08-0.09% en peso. Al aumentar aún más la concentración de 0,1 a 0,13% en peso, la tendencia al cambio de la resistencia eléctrica cambia de aumento a disminución. Finalmente, la resistencia eléctrica comienza a disminuir con la presión uniaxial con una concentración mayor que 0.14% en peso [59 ]

4.2 Fabricación de sensor electromecánico en capas portátil

Para el sensor electromecánico de capa portátil, el sustrato y los materiales de detección se ensamblan en una película capa por capa. Se han desarrollado muchas técnicas para ensamblar material activo sobre sustrato, incluyendo impresión, recubrimiento, fundición y otros métodos.

La impresión puede depositar y modelar simultáneamente muchos materiales en varios sustratos sin la necesidad de equipos sofisticados y salas limpias. Los sensores portátiles se pueden imprimir con / sin la ayuda de máscaras, de acuerdo con el enfoque de implementación específico, como se ve en la Figura 4a [60] El patrón del electrodo se puede obtener directamente mediante impresión de inyección de tinta. La impresión por inyección de tinta es una técnica de preparación de película precisa, rápida y reproducible. Las gotitas de tinta funcionales son impulsadas sobre diferentes sustratos por una boquilla. Las tintas funcionales deben tener una solubilidad, viscosidad y tensión superficial adecuadas. Como un método de impresión típico, la serigrafía requiere la ayuda de una máscara y una tinta funcional adecuada. Durante el proceso, las aberturas de la pantalla se cubren completamente con funcionalidades utilizando una cuchilla de relleno o una escobilla de goma, y ​​luego se transfieren a la superficie del sustrato. Finalmente, se retira la máscara y se forma una película estampada sobre el sustrato mediante tinta funcional. Esta técnica ha sido ampliamente utilizada en la fabricación de materiales de detección en sensores electromecánicos.



Figura 4.

Sensor electromecánico ponible fabricado con diferentes técnicas: (a) impresión por chorro de tinta, (b) fundición por goteo y (c) recubrimiento por pulverización.

La litografía es un método de transferencia de patrones para realizar geometrías diversas e ingeniosas. Este proceso primero deposita una capa funcional sobre el sustrato y luego graba las áreas no deseadas mediante soluciones reactivas con la ayuda de fotolitografía. Dado que la fotolitografía y el grabado húmedo tienen una alta precisión, se pueden obtener dispositivos con geometrías sofisticadas y una rica funcionalidad. La técnica de recubrimiento es otro método popular debido a su bajo costo y simplicidad. Existen diferentes ventajas para diferentes métodos de recubrimiento. El recubrimiento por inmersión se puede utilizar con cualquier tipo de sustrato y puede controlar el grosor mediante el tiempo de inmersión. El recubrimiento por centrifugado es fácil de formar una película uniforme y puede controlar el grosor por tiempo y velocidad de centrifugado. En comparación con el recubrimiento por rotación y por inmersión, el recubrimiento por pulverización puede utilizar completamente las tintas funcionales. Figura 4b.muestra un sensor ultraestirable a base de fibra con núcleo de vaina abrochado fabricado con métodos de recubrimiento por pulverización. El sensor de deformación portátil de fibra posee una excelente capacidad de estiramiento superior al 1135% y un tiempo de respuesta rápido (≈16 ms). Además, el rendimiento es muy repetible y estable incluso después de 20,000 ciclos con prueba de carga / descarga [ 47 ].

Se han desarrollado técnicas novedosas, como la técnica de láser grabado (LS). El óxido de grafeno (GO) se puede reducir y modelar simultáneamente con láser [ 61 ]. También se ha validado el material de sustrato carbonatante mediante escritura láser directa en un solo paso (DLW). Se han producido estructuras de carbono vidriosas y porosas a partir de película PI a través de DLW. El grafeno basado en DLW posee una electroconductividad favorable, porosidad y humectabilidad superhidrófila. Dibujar directamente la electrónica con varios instrumentos se ha convertido recientemente en una técnica alternativa. Esta técnica otorga a los usuarios finales la capacidad de diseñar y realizar sensores de acuerdo con las demandas "in situ y en tiempo real" [ 62 ]. Se ha demostrado que "dibujar con lápiz" es un método simple, rápido y sin disolventes para producir productos electrónicos [ 63] El lápiz de pincel chino es un posible instrumento de escritura más atractivo para la fabricación de sensores. De manera similar, el haz de pelo de animal se empapa primero en tinta de baja viscosidad, y luego la tinta se reviste uniformemente sobre el sustrato mediante una escritura a mano bien controlada. Al beneficiarse de la excelente manipulación de líquidos de la pluma de pincel chino, los materiales de detección pueden recubrirse en diferentes sustratos sin tener en cuenta su rigidez y aspereza superficial. Por ejemplo, un sensor de deformación similar a un tatuaje de alto rendimiento ha sido fabricado con tinta AuNW / PANI con pincel chino [ 64] Se pueden cargar varios tipos de tintas funcionales en sus depósitos, incluidas tintas metálicas, metales líquidos e incluso mezclas orgánicas. Se pueden generar estructuras sofisticadas con geometrías controlables en muchos sustratos utilizando estos dos métodos [ . El SWCNT / CH65 ]. La hilatura en húmedo es otro método especial para fabricar sensores electromecánicos portátiles con forma de fibra. La Figura 5c muestra un sensor de deformación de fibra fabricado con un proceso coaxial de hilatura húmeda y postratamiento. La boquilla giratoria tiene los canales coaxiales interior y exterior, respectivamente. La droga de hilado interna es SWCNT / CH 3SO 3 H, y la solución de hilatura externa es la solución de elastómero termoplástico (TPE) en la droga CH 2 Cl 2 3 SO 3 H del canal interno y la TPE / CH 2 Cl 2La solución del canal externo se introduce en el baño de coagulación de etanol simultáneamente. Una fibra coaxial SWCNT envuelta en TPE se hila y recolecta con éxito. Los sensores alcanzan una alta sensibilidad (con un factor de calibre de 425 al 100% de deformación), alta capacidad de estiramiento y alta linealidad.



Figura 5.

Monitoreo del movimiento de la salud con un sensor de tensión basado en CNT: (a) presión de impacto, (b) movimiento muscular, (c) latido del corazón, (d) movimiento de los dedos, (e) toque de los dedos, (f) diagrama esquemático de la matriz de sensores, (g ) vista ampliada de la matriz de sensores, (h) fotografía óptica de una matriz de sensores fabricada que contiene 25 × 25 píxeles, (i) esquema esquemático del patrón de presión de la matriz del sensor (j – n), y (o) sensor de tensión conectado en El pie derecho humano.

4.3 Fabricación de un sensor electromecánico 3D portátil

Para el sensor electromecánico 3D portátil, el sustrato y los materiales de detección se combinan en una estructura 3D. El primer método introducido es el modelado a microescala. A menudo se utiliza para fabricar diferentes microestructuras en sustratos, electrodos y compuestos de detección. La microestructura diseñada con éxito no solo se puede utilizar para aumentar la sensibilidad de los piezoresistivos, sino también la de los sensores capacitivos cuando se aplica el dieléctrico microestructurado. Se han desarrollado diferentes módulos, incluyendo obleas micromaquinadas, telas de seda e incluso hojas de plantas. Durante el proceso de fabricación, los materiales de detección simplemente se vierten en el módulo y se despegan después del secado parcial o completo. La adhesión entre el material procesado y el módulo son los parámetros más importantes para esta técnica,

La impresión 3D es el mejor candidato para desarrollar construcciones 3D y ha ganado gran popularidad debido a su poderosa capacidad [ 66 ]. Si los materiales de detección están bien preparados, se pueden imprimir estructuras arbitrarias con impresión 3D con resolución ajustable, incluso inferior a 0.1 μm. Por ejemplo, un sensor de tres capas se ha fabricado en un solo paso mediante impresión 3D, que originalmente requiere múltiples pasos mediante el método tradicional, que incluye micromoldeo, laminado y relleno. El sensor de presión portátil también se ha realizado mediante un enfoque de impresión 3D multimaterial, multiescala y multifuncional. El tamaño de este sensor es de 3 × 3 mm de área y 1,2 mm de altura [ 67 ].

5. Aplicaciones del sensor electromecánico ponible

Los sensores electromecánicos portátiles pueden detectar básicamente señales mecánicas que incluyen presión y tensión. Teóricamente, las aplicaciones que requieren controlar la presión y la tensión se pueden realizar. Hasta ahora, se ha demostrado el monitoreo del movimiento y la salud humana, el reconocimiento del habla, el reconocimiento de gestos, la interacción hombre-máquina, la detección de ondas acústicas e incluso el diagnóstico de enfermedades, que se analizarán a continuación.

5.1 Monitoreo de movimiento humano

Cuando el sensor electromecánico portátil se monta en la piel o se integra con textiles, puede monitorear en tiempo real los movimientos humanos, incluyendo manos, extremidades, pies, cara y garganta. Se pueden detectar fácilmente deformaciones sutiles inducidas por actividades corporales, como el flujo del pulso sanguíneo y la respiración, y grandes deformaciones relacionadas con los movimientos del cuerpo, como la flexión de los dedos y las rodillas. La Figura 5 muestra los movimientos humanos en la vida diaria detectados por el sensor de tensión de espuma auxética recubierta con CNT (AFS) [ 68 ]. Como muestra la Figura 5a , los sensores de espuma funcionaron bien al detectar de manera confiable el tiempo, la frecuencia y la magnitud del evento de impacto y emitir señales en picos agudos correspondientes a los eventos de impacto. Figura 5b.muestra el monitoreo del movimiento muscular durante el habla al colocar un sensor de espuma en el cuello de una persona. Cuando la persona dice repetidamente las palabras simples "ir", las señales estables pueden observar qué sincronización y patrón se correspondían bien con los eventos vocales. Además, el pulso de la muñeca también ha sido monitoreado con éxito por el AFS ( Figura 5c ). Se obtiene una forma de onda de pulso típica, y se puede calcular la frecuencia de pulso de 76 latidos min -1 . También se puede usar para transferir las intenciones humanas de presionar botones e interruptores conectando el AFS directamente a la punta del dedo ( Figura 5d ). Figura 5edemuestra que el AFS puede controlar el gesto al usarlo en la articulación del dedo porque la señal del sensor de espuma, uno por uno, corresponde al gesto. Figura 5f y gmuestra el esquema y una fotografía de la matriz del sensor, respectivamente. La figura 5h ilustra el sistema de detección y un esquema eléctrico simplificado que escanea los puntos de intersección de las filas y columnas del sensor y mide la resistencia en cada punto de cruce. La distribución de la presión plantar se puede analizar con éxito con la matriz AFS, ampliando aún más sus campos de aplicación que van desde el rendimiento deportivo y la prevención de lesiones hasta el diseño de prótesis y ortesis. Por ejemplo adicional, Figura 5j – nmuestra las diversas distribuciones de presión descalzo aplicadas por un pie derecho humano ( Figura 5o ), incluyendo posición neutra, pronación, supinación, flexión plantar y dorsiflexión, que se muestra en los mapas de contorno coloreados. La medición de la presión plantar en el zapato también se puede terminar simplemente insertando la matriz AFS en los zapatos. Se puede anticipar que el sensor electromecánico portátil puede encontrar una amplia gama de aplicaciones en el monitoreo del movimiento humano, la distribución de la presión corporal e incluso el ajuste de la postura sentada.

5.2 Vigilancia de la salud humana.

El monitoreo de la salud humana se basa en el monitoreo continuo de los movimientos humanos, especialmente el pulso y la respiración. Se puede usar un sensor electromecánico portátil en la muñeca y el pecho para detectar el pulso y la frecuencia respiratoria. La Figura 6muestra que el sensor de tensión de la película de grafeno puede monitorear exactamente el pulso y la frecuencia respiratoria de las personas. El sensor de tensión está conectado a la muñeca o al pecho de una persona para registrar en tiempo real las señales de pulso y frecuencia respiratoria ( Figura 7a ) [ 69 ]. Figura 6b.muestra el pulso recogido y las señales respiratorias, donde cada ciclo representa un pulso o respiración. Los valles corresponden al encogimiento del cofre, y los picos representan el estiramiento del cofre. Luego, las frecuencias de pulso y respiración pueden estimarse en aproximadamente 76 y 19 en 60 s, respectivamente. Se investigan tres tipos de respiración exhalada (respiración diabética simulada, respiración nefrótica simulada y respiración de individuos sanos). Los datos de respuesta obtenidos se analizan y los resultados se muestran en la Figura 6c. Se puede observar que las tres muestras de aliento son claramente diferentes. Las muestras de aliento exhalado se clasifican en tres grupos distinguibles sin superposición, que corresponden a individuos sanos, pacientes diabéticos simulados y pacientes nefróticos simulados, respectivamente. Esto demuestra que el sensor de tensión portátil tiene un alto potencial para el monitoreo de la salud humana e incluso el diagnóstico de enfermedades.



Figura 6

Control de salud con sensor de deformación de grafeno. (a) Fotografía del sensor de tensión montado en la muñeca humana, (b) cambios de resistencia normalizados del sensor de tensión al monitorear los pulsos de la muñeca y la frecuencia respiratoria, y (c) Análisis PCA de la respiración exhalada de pacientes nefróticos simulados, pacientes diabéticos y sanos. gente.



Figura 7

Sensores piezoresistivos para interfaces hombre-máquina: (a) guantes inteligentes y (b) control robótico.

5.3 Reconocimiento de voz

El reconocimiento de voz también se basa en el monitoreo de los movimientos humanos. Cuando el dispositivo electromecánico portátil está conectado a la garganta, puede registrar movimientos musculares para recoger y reconocer los sonidos del habla. Esto está permitido por el hecho de que el músculo de la garganta exhibe diferentes grados de estiramiento o distensión cuando habla diferentes palabras. Debido a los pequeños cambios causados ​​por el movimiento de la garganta, el sensor de tensión utilizado en el reconocimiento de voz debe tener una alta sensibilidad. El sensor de deformación GF de GWF puede ser tan alto como 10 3 con 2-6% de deformaciones, 106 con deformaciones más altas (> 7%) y ~ 35 con una deformación mínima de 0.2%, lo cual es adecuado para esta aplicación. Los resultados muestran formas de onda de señal de prueba de las 26 letras en inglés [ 70] Como se esperaba, las formas de onda son únicas y repetibles para todas las letras. Como cada órgano del habla individual es diferente, las personas pueden distinguir fácilmente si una voz dada proviene de la misma persona. Esto demuestra que el electromecánico portátil puede usarse en el reconocimiento de voz.

5.4 Interfaz hombre-máquina

Las interfaces hombre-máquina y el control remoto robótico son muy beneficiosos en la cirugía o en un trabajo altamente riesgoso que requiere el reemplazo de la robótica. El sensor electromecánico utilizado en la interfaz hombre-máquina se monta típicamente en la articulación del cuerpo, que normalmente se dobla o estira con un gran grado de deformación; por lo tanto, se requiere una alta capacidad de estiramiento (> 50%). El control robótico se muestra en la Figura 7 , y los sensores de tensión portátiles se basan en el híbrido de nanocables de polianilina y oro para un guante inteligente [ 9 ]. El guante inteligente basado en sensores se usa para controlar el movimiento de un robot a través de señales inalámbricas ( Figura 7a). El robot está en estado relajado (a 1 ) y funciona como un brazo que puede sujetar (a 2), levante (a 3 ), baje (a 4 ) y suelte (a 5) un objeto basado en diferentes posturas de los dedos humanos que llevan puesto el sensor. La figura 7b revela el control remoto del movimiento del robot mediante un sensor de deformación basado en grafeno. Como se puede ver en esta figura, b 1 y b 4 demuestran el robot en el estado relajado. A medida que el sensor de tensión se estira o dobla, el robot comienza a funcionar (b 2 yb 5 ) y se mueve hacia el controlador (b 3 y b 6 ).

6. Conclusión y perspectivas

En este capítulo, discutimos el mecanismo de trabajo, los métodos de fabricación y las aplicaciones de los sensores electromecánicos portátiles. El sensor piezoresistivo atrae más atención debido a su estructura clara, mecanismo, métodos de fabricación y bajo costo. Alta sensibilidad y capacidad de estiramiento se han logrado simultáneamente. Sin embargo, la estabilidad y la linealidad siguen siendo limitadas para el sensor de tipo resistivo. Además, la producción en masa con bajo costo sigue siendo un desafío. Una estrategia para reducir los costos es desarrollar nuevos métodos de fabricación, que puedan construir fácilmente sensores de alto rendimiento. Muchas aplicaciones se han demostrado de forma cualitativa mediante el uso de sensores de presión o tensión. Sin embargo, la aplicación práctica necesita un análisis más cuantitativo, lo que requiere más investigaciones.