Multiscale Hierarchical Design of a Flexible Piezoresistive Pressure Sensor with High Sensitivity and Wide Linearity Range

压阻效应 材料科学 压力传感器 线性 微尺度化学 灵敏度(控制系统) 有限元法 声学 纳米技术 光电子学 电子工程 机械工程 工程类 结构工程 数学教育 物理 数学
作者
Jidong Shi,Liu Wang,Zhaohe Dai,Lingyu Zhao,Mingde Du,Hongbian Li,Ying Fang
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:14 (27): e1800819-e1800819 被引量:505
标识
DOI:10.1002/smll.201800819
摘要

Flexible piezoresistive pressure sensors have been attracting wide attention for applications in health monitoring and human-machine interfaces because of their simple device structure and easy-readout signals. For practical applications, flexible pressure sensors with both high sensitivity and wide linearity range are highly desirable. Herein, a simple and low-cost method for the fabrication of a flexible piezoresistive pressure sensor with a hierarchical structure over large areas is presented. The piezoresistive pressure sensor consists of arrays of microscale papillae with nanoscale roughness produced by replicating the lotus leaf's surface and spray-coating of graphene ink. Finite element analysis (FEA) shows that the hierarchical structure governs the deformation behavior and pressure distribution at the contact interface, leading to a quick and steady increase in contact area with loads. As a result, the piezoresistive pressure sensor demonstrates a high sensitivity of 1.2 kPa-1 and a wide linearity range from 0 to 25 kPa. The flexible pressure sensor is applied for sensitive monitoring of small vibrations, including wrist pulse and acoustic waves. Moreover, a piezoresistive pressure sensor array is fabricated for mapping the spatial distribution of pressure. These results highlight the potential applications of the flexible piezoresistive pressure sensor for health monitoring and electronic skin.
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