A flexible pressure sensor with highly customizable sensitivity and linearity via positive design of microhierarchical structures with a hyperelastic model

线性 灵敏度(控制系统) 超弹性材料 压力传感器 压阻效应 计算机科学 材料科学 电子工程 机械工程 工程类 光电子学 有限元法 结构工程
作者
Zhenjin Xu,Dezhi Wu,Zhiwen Chen,Zhongbao Wang,Cong Cao,Xiangyu Shao,Gang Zhou,Shaohua Zhang,Lingyun Wang,Daoheng Sun
出处
期刊:Microsystems & Nanoengineering [Springer Nature]
卷期号:9 (1): 5-5 被引量:132
标识
DOI:10.1038/s41378-022-00477-w
摘要

Abstract The tactile pressure sensor is of great significance in flexible electronics, but sensitivity customization over the required working range with high linearity still remains a critical challenge. Despite numerous efforts to achieve high sensitivity and a wide working range, most sensitive microstructures tend to be obtained only by inverting naturally existing templates without rational design based on fundamental contact principles or models for piezoresistive pressure sensors. Here, a positive design strategy with a hyperelastic model and a Hertzian contact model for comparison was proposed to develop a flexible pressure sensor with highly customizable linear sensitivity and linearity, in which the microstructure distribution was precalculated according to the desired requirement prior to fabrication. As a proof of concept, three flexible pressure sensors exhibited sensitivities of 0.7, 1.0, and 1.3 kPa − 1 over a linear region of up to 200 kPa, with a low sensitivity error (<5%) and high linearity (~0.99), as expected. Based on the superior electromechanical performance of these sensors, potential applications in physiological signal recognition are demonstrated as well, and such a strategy could shed more light on demand-oriented scenarios, including designable working ranges and linear sensitivity for next-generation wearable devices.
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