Capacitive Sensors with Hybrid Dielectric Structures and High Sensitivity over a Wide Pressure Range for Monitoring Biosignals

材料科学 电容感应 灵敏度(控制系统) 电介质 压力传感器 航程(航空) 复合材料 光电子学 纳米技术 电子工程 电气工程 机械工程 工程类
作者
Zhiping Feng,Qiang He,Xue Wang,Yinggang Lin,Jing Qiu,Yufen Wu,Jin Yang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (4): 6217-6227 被引量:34
标识
DOI:10.1021/acsami.2c21885
摘要

Various dielectrics with porous structures or high dielectric constants have been designed to improve the sensitivity of capacitive pressure sensors (CPSs), but this strategy has only been effective for the low-pressure range. Here, a hierarchical gradient hybrid dielectric, composed of low-permittivity (low-k) polydimethylsiloxane (PDMS) foam with low Young's modulus (low-E) and high-permittivity (high-k) MWCNT/PDMS foam with high Young's modulus (high-E), is designed to develop a CPS for monitoring biosignals over a wide force range. The foam-like structure with hybrid permittivity (low-k + high-k) is facilitated to improve the sensitivity, while the hierarchical structure with gradient Young's modulus (low-E + high-E) contributes to broadening the pressure sensing range. With the hierarchical gradient hybrid structure, the flexible pressure sensor achieves an enhanced sensitivity of 2.155 kPa-1, a wide pressure range (up to 500 kPa), a minimum detection limit (50 Pa), and an excellent durability (>2500 cycles). As a demonstration, a venous thrombosis simulation and smart insole system are established to monitor venous blood clots and plantar pressures, respectively, which reveal potential applications in wearable medicine, sports health prediction, athlete training, and sports equipment design.
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