Noninterference Wearable Strain Sensor: Near-Zero Temperature Coefficient of Resistance Nanoparticle Arrays with Thermal Expansion and Transport Engineering

材料科学 标度系数 应变计 纳米颗粒 热膨胀 可变距离跳频 压阻效应 拉伤 温度系数 纳米技术 光电子学 热传导 复合材料 制作 医学 替代医学 病理 内科学
作者
Taesung Park,Ho Kun Woo,Byung Ku Jung,Byeonghak Park,Junsung Bang,Woo‐Sik Kim,Sanghyun Jeon,Junhyuk Ahn,Yunheum Lee,Yong Min Lee,Tae‐il Kim,Soong Ju Oh
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:15 (5): 8120-8129 被引量:48
标识
DOI:10.1021/acsnano.0c09835
摘要

In this study, non-temperature interference strain gauge sensors, which are only sensitive to strain but not temperature, are developed by engineering the properties and structure from a material perspective. The environmental interference from temperature fluctuations is successfully eliminated by controlling the charge transport in nanoparticles with thermally expandable polymer substrates. Notably, the negative temperature coefficient of resistance (TCR), which originates from the hopping transport in nanoparticle arrays, is compensated by the positive TCR of the effective surface thermal expansion with anchoring effects. This strategy successfully controls the TCR from negative to positive. A near-zero TCR (NZTCR), less than 1.0 × 10–6 K–1, is achieved through precisely controlled expansion. Various characterization methods and finite element and transport simulations are conducted to investigate the correlated electrical, mechanical, and thermal properties of the materials and elucidate the compensated NZTCR mechanism. With this strategy, an all-solution-processed, transparent, highly sensitive, and noninterference strain sensor is fabricated with a gauge factor higher than 5000 at 1% strain, as demonstrated by pulse and motion sensing, as well as the noninterference property under variable-temperature conditions. It is envisaged that the sensor developed herein is applicable to multifunctional wearable sensors or e-skins for artificial skin or robots.
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