Designing Tunable Capacitive Pressure Sensors Based on Material Properties and Microstructure Geometry

材料科学 电容感应 电介质 微观结构 电容 制作 压力传感器 材料性能 光电子学 复合材料 机械工程 计算机科学 电极 医学 化学 替代医学 物理化学 病理 工程类 操作系统
作者
Sara Rachel Arussy Ruth,Zhenan Bao
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:12 (52): 58301-58316 被引量:89
标识
DOI:10.1021/acsami.0c19196
摘要

Rationally designed pressure sensors for target applications have been in increasing demand. Capacitive pressure sensors with microstructured dielectrics demonstrate a high capability of meeting this demand due to their wide versatility and high tunability by manipulating dielectric layer material and microstructure geometry. However, to streamline the design and fabrication of desirable sensors, a better understanding of how material microstructure and properties of the dielectric layer affect performance is vital. The ability to predict trends in sensor design and performance simplifies the process of designing and fabricating sensors for various applications. A series of equations are presented that can be used to predict trends in initial capacitance, capacitance change, and sensitivity based on dielectric constant and compressive modulus of the dielectric material and base length, interstructural separation, and height of the dielectric layer microstructures. The efficacy of this model has been experimentally and computationally confirmed. The model was then used to illuminate, qualitatively and quantitatively, the relationships between these key material properties and microstructure geometries. Finally, this model demonstrates high tunability and simple implementation for predictive sensor performance for a wide range of designs to help meet the growing demand for highly specialized sensors.
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