Sensor de presión de alta sensibilidad y amplio rango de linealidad basado en jerárquica en

npj Flexible Electronics volumen 6, Número de artículo: 62 (2022) Citar este artículo

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El sensor de presión piezorresistivo flexible con alta sensibilidad en un amplio rango de linealidad ha atraído una gran atención por sus aplicaciones en monitoreo de salud, inteligencia artificial e interfaces hombre-máquina. En este documento, informamos sobre un sensor piezorresistivo poroso de llenado in situ jerárquico (HPPS) mediante impresión directa de tinta (DIW) y curado de emulsión de nanofibras de carbono (CNF) / polidimetilsiloxano (PDMS). La geometría jerárquica aumenta significativamente el área de contacto, distribuye la tensión a la red multicapa y la estructura porosa interna, lo que da como resultado un amplio rango de detección. Además, a diferencia de la estructura porosa hueca convencional, la estructura porosa de relleno in situ de las redes CNF genera más sitios de contacto y vías conductoras durante la compresión, logrando así una alta sensibilidad y linealidad en todo el rango de detección. Por lo tanto, el HPPS optimizado logra una alta sensibilidad (4,7 kPa−1) y linealidad (coeficiente de determinación, R2 = 0,998) en un amplio rango (0,03–1000 kPa), junto con un tiempo de respuesta y una repetibilidad extraordinarios. Además, se demuestran las aplicaciones en diversos escenarios de presión y monitorización sanitaria.

Los sensores de presión flexibles con la capacidad de convertir información táctil en señales eléctricas han llamado mucho la atención debido a sus prometedoras aplicaciones en el control de la salud1,2,3,4,5, inteligencia artificial6,7, interfaces hombre-máquina8,9,10, robótica11, 12, etc. Por lo general, los sensores de presión flexibles se clasifican en cuatro tipos según el mecanismo de detección: piezorresistente13,14, capacitivo15,16, piezoeléctrico17,18 y triboeléctrico19,20. Entre estos sensores de presión, los sensores piezorresistivos que transfieren la información mecánica a la variación de la resistencia tienen múltiples ventajas, incluido el bajo consumo de energía, la facilidad de ensamblaje del dispositivo y la adquisición simple de señales, etc. Sin embargo, la mayoría de los sensores de presión piezorresistivos publicados tienen baja sensibilidad o poca linealidad en un amplio rango. Para un despliegue generalizado de los sensores de presión en más escenarios de aplicación, los sensores de presión ideales requieren alta sensibilidad y alta linealidad en un amplio rango de detección.

Recientemente, se han informado varias estrategias para mejorar la sensibilidad y la linealidad. La preparación de geometrías de nanoestructura o microestructura (como arrugas21, micropirámides22, microcúpulas23, micropilares24, estructura de enclavamiento25, etc.26,27) en el sustrato flexible puede mejorar significativamente la sensibilidad debido a la baja corriente inicial y la gran deformabilidad bajo tensión baja. Por ejemplo, Tao et al.28 informaron sobre un sensor de presión piezorresistivo basado en una estructura de microdomo entrelazado con una alta sensibilidad de 53 kPa−1 y un rango de presión de 58,4 a 960 Pa. Mientras que la microestructura rápidamente saturada entra en contacto con los sitios durante la compresión da como resultado una alta la sensibilidad y la respuesta lineal solo son válidas en un rango de detección bajo (<10 kPa). Para extender el rango de detección lineal, la introducción de una estructura porosa ha demostrado ser una forma efectiva debido a la alta compresibilidad y la considerable generación de vías conductoras durante la compresión. Seunghwan et al.29 desarrollaron un sensor de esponja porosa con una sensibilidad de 0,01–0,02 kPa−1 en un amplio rango de detección de 10 Pa a 1,2 MPa. Sin embargo, los poros aumentan la distancia entre los rellenos conductores lo que dificulta el contacto de los rellenos conductores y la generación de vías conductoras. Por lo tanto, la mayoría de los sensores de presión porosos exhiben una baja sensibilidad (<1 kPa−1) en un amplio rango. Algunos estudios propusieron la estructura jerárquica multicapa o multiescala con mejoras tanto en la sensibilidad como en el rango de detección lineal. Por ejemplo, Youngoh Lee et al.30 fabricaron un sensor táctil con geometría de microdomo entrelazado multicapa que presentaba una alta sensibilidad de 47,7 kPa−1 en el rango de 0,0013 a 353 kPa. Sin embargo, el rango de detección lineal de los sensores todavía no es suficiente. Por lo tanto, existe una gran necesidad de fabricar un sensor de presión de alto rendimiento (por ejemplo, una respuesta lineal con alta sensibilidad de más de 1 kPa−1 en el rango de hasta 1 MPa) de una manera simple y rentable.

Aquí, proponemos una estructura porosa de relleno in situ jerárquica como la capa de detección fabricada por impresión DIW y curado de emulsión CNFs/PDMS. La geometría jerárquica aumenta la variación del área de contacto y distribuye la tensión aplicada a la estructura reticular multicapa y la estructura porosa interna. Una estructura tetragonal centrada en la cara (FCT) está diseñada con la mayor compresibilidad en comparación con otros tipos de estructuras de celosía, lo que permite un amplio rango de detección y alta sensibilidad.

La estructura porosa de relleno in situ de CNF tiene una morfología y principios de funcionamiento muy diferentes de la estructura porosa convencional, lo que condujo a un mejor rendimiento de detección de la estructura porosa de relleno in situ. Para las estructuras porosas convencionales fabricadas con plantillas duras o el método de formación de espuma con gas29, los rellenos conductores se separan y excluyen mediante las plantillas duras o el proceso de formación de espuma, lo que da como resultado que el relleno conductor se disperse solo en el borde de los poros. El gran espacio de los poros dificulta el contacto de las cargas conductoras dispersas en los bordes de los poros, dando como resultado que se generen menos caminos conductores. La estructura porosa de relleno in situ está formada por la solidificación de los CNF/PDMS y la evaporación del agua emulsionada, mientras que los CNF dispersos en el agua emulsionada permanecen dentro de los poros, formando redes de CNF incrustadas en los poros. El relleno in situ de las redes CNF en la estructura porosa aumenta drásticamente los sitios de contacto del material conductor y la generación de rutas conductoras durante la compresión, lo que logra una alta sensibilidad y una alta linealidad.

Basado en una geometría jerárquica de este tipo y una estructura porosa de llenado in situ de CNF secundarios, el HPPS logra una alta sensibilidad (4,7 kPa−1) y una alta linealidad (R2 = 0,998) en un amplio rango (0,03–1000 kPa) simultáneamente. La alta sensibilidad y la linealidad permiten que el sensor de presión tenga una resolución de alta presión. Por lo tanto, el sensor es capaz de detectar un cambio de baja presión (10 kPa) bajo una precompresión alta de 643 kPa. Los HPPS se utilizan para detectar diversos estímulos, desde baja presión, como detección de pulso, reconocimiento de voz, hasta grandes presiones, como el movimiento del pie humano, detección de presión de neumáticos. La demostración de ligeros cambios de presión tras una gran precompresión indicó que nuestros sensores de presión tienen una resolución de alta presión. Además, se emplea una matriz de sensores de plantilla inteligente que consta de 5 sensores ubicados en diferentes posiciones para detectar la presión plantar para diagnosticar enfermedades del pie y detectar la biomecánica deportiva. Con el notable rendimiento de detección, prevemos que la estructura porosa de relleno jerárquico in situ puede proporcionar una estrategia de diseño prometedora para fabricar dispositivos portátiles de alto rendimiento para aplicaciones en monitoreo de salud, inteligencia artificial, interfaces hombre-máquina, robótica, etc.11, 12

El proceso de fabricación de la estructura porosa de llenado jerárquico in situ mediante la técnica de impresión DIW se ilustra en la Fig. 1. Primero, se preparó la emulsión de PDMS agregando gota a gota la solución acuosa con una concentración de cloruro de calcio de 3,5 % en peso en líquido de PDMS/parafina. mezcla a través de bomba de jeringa (Fig. 1a). Después de una vigorosa agitación mecánica, las gotas de agua emulsionada se distribuyen uniformemente en la mezcla para formar una emulsión cremosa de PDMS-agua, que se muestra en las imágenes del microscopio óptico en la Fig. 1a. En segundo lugar, los CNF se agregaron a la emulsión de PDMS. Debido a las movilidades y las propiedades de contención del agua emulsionada, los CNF agregados pueden dispersarse en el agua emulsionada, la matriz de PDMS y las interfaces de PDMS-agua como se presenta en la Fig. 1b. La fotografía de la emulsión PDMS y la emulsión CNF / PDMS se presentan en las figuras complementarias 1a y b, respectivamente. Además, la emulsión de CNF / PDMS con un comportamiento de adelgazamiento de alto cizallamiento y un módulo de almacenamiento grande es beneficiosa para extruir y preservar la estructura de celosía 3D independiente como se interpreta en la Fig. 2a yb complementarias, respectivamente. Por lo tanto, la emulsión CNFs/PDMS puede extruirse de manera uniforme y continua desde la boquilla y apilarse capa por capa para construir una estructura reticular 3D (Fig. 1c). Además, las muestras con diferentes estructuras de celosía 3D se pueden imprimir continuamente mediante la técnica DIW (en la Fig. 3 complementaria). Luego, la estructura reticular de emulsión CNFs/PDMS impresa se calienta a 110 °C para hacer que el PDMS se cure por completo y el agua emulsionada se evapore, lo que da como resultado la formación de una estructura porosa de llenado in situ jerárquica con las redes CNF incrustadas en el poroso interno. , como se muestra en la Fig. 1d. La estructura reticular de CNFs/PDMS curada debe lavarse dos veces en n-hexano y etanol, respectivamente, y luego secarse a 110 °C durante 2 h para eliminar el aceite de parafina y evitar la degradación del rendimiento de detección. (Fig. 4 complementaria). Después de eliminar la parafina, la capa porosa de relleno in situ jerárquica está bien preparada. Mientras tanto, la capa porosa preparada muestra una buena capacidad de flexión (Fig. 5 complementaria). La imagen de microscopía electrónica de barrido (SEM) de la varilla en la estructura de celosía se muestra en la figura complementaria 6a. A medida que el agua emulsionada incrustada con los CNF se evapora, las redes de CNF quedan en los poros internos, que se pueden ver en las imágenes SEM de la sección transversal de la barra (Fig. 1e, f). La figura 1e muestra la vista en sección transversal de la capa de detección porosa de llenado in situ jerárquico que consta de múltiples capas de varillas de celosía con una distancia de aproximadamente 500 μm entre cada varilla. En la superficie de la sección transversal de una sola varilla de celosía (Fig. 1f), la estructura porosa interna con un diámetro de 5 a 10 μm se distribuye uniformemente en la varilla de celosía. La pequeña brecha de alrededor de 1 μm entre las redes de CNF incrustadas se observa en una estructura de un solo poro (imágenes de inserción de la Fig. 1f). Además, la imagen SEM en la Fig. 6b complementaria muestra que algunas redes CNF también existen en la matriz PDMS. Con las ventajas de la técnica DIW, las estructuras de celosía fabricadas a medida con diferentes tamaños (1 × 1 cm2 y 2,5 × 2,5 cm2) se muestran en la Fig. 1h, respectivamente. El diagrama esquemático de todo el HPPS ensamblado se muestra en la Fig. 1g, en el que la estructura porosa de relleno in situ jerárquica sirve como capa de detección y la cinta de tela de Ni (Fig. 7 complementaria) y la película electrohilada de poliuretanos termoplásticos (TPU) ( Fig. 8 complementaria) actúan como electrodos y capas protectoras, respectivamente. La imagen óptica del HPPS ensamblado se muestra en la Fig. 1i.

Diagrama esquemático e imágenes de microscopio de una emulsión PDMS, b emulsión CNFs/PDMS (barra de escala: 20 µm). c Diagrama esquemático e imagen óptica de la estructura porosa de llenado in situ jerárquico mediante impresión DIW (barra de escala: 1 cm). d Diagrama esquemático de la estructura porosa de llenado in situ jerárquica. e Imagen SEM de la sección transversal de la estructura reticular multicapa (barra de escala: 200 µm). f Imagen SEM de sección transversal de la estructura porosa interna en una sola barra de celosía (barra de escala: 200 µm). Imagen SEM de gran aumento insertada de redes CNF incrustadas en una estructura de un solo poro (barra de escala: 5 µm). g Estructura esquemática del HPPS. h Imagen óptica de estructura porosa de relleno in situ jerárquica con diferentes tamaños. i Imagen óptica de HPPS.

Para desarrollar los parámetros de preparación óptimos para la capa de detección, se investiga minuciosamente la influencia de la porosidad, la relación de masa de CNF, los tipos de estructura y el número de capas de detección apiladas, respectivamente. Aquí, cuando se estudia una de las variables, las otras permanecen sin cambios. Y la sensibilidad a la presión (S) se define como S = (ΔI/I0)/ΔP, donde ΔI representa el cambio de corriente del sensor, I0 representa la corriente sin presión y ΔP representa la presión aplicada. La configuración del experimento para detectar el cambio actual del sensor se muestra esquemáticamente en la Fig. 9 complementaria.

Primero, se prepararon e investigaron cuatro tipos de capas de detección con el mismo volumen de contorno extendido, como se muestra en la Fig. 2a, la Fig. 10 complementaria, la Fig. 11 complementaria y la Tabla 1 complementaria. La estructura sólida tiene la sensibilidad más baja de 0,19 kPa− 1, mientras que la estructura porosa y la estructura reticular tienen una mayor sensibilidad de 0,47 kPa−1 y 1,65 kPa−1, respectivamente. Como todos sabemos, una mayor compresión genera más vías conductoras dentro de las capas de detección. Por lo tanto, la estructura porosa formada por el método de plantilla de emulsión tiene una mayor compresibilidad bajo la misma presión. Para la estructura de celosía, la brecha de macroescala entre las varillas de celosía producidas por DIW también proporciona una mayor compresibilidad. Aquí, el efecto sinérgico de la estructura interna porosa y reticular dota a la estructura de la mayor compresibilidad entre ellas, lo que da como resultado la mayor sensibilidad de 2,4 kPa−1 con alta linealidad (R2 = 0,993). Tenga en cuenta que para el efecto de la composición del agua y los CNF, y los tipos de estructuras, los números de capa se fijan en cuatro porque las estructuras con cuatro capas poseen el mejor rendimiento de detección en comparación con las estructuras con otras capas. La razón por la cual la estructura de cuatro capas tiene el mejor rendimiento de detección se explica en detalle en las Figuras complementarias 12, 13, 14 y Tabla 2.

a Respuesta actual y sensibilidad de 1 % en peso de CNF, sensor de presión de 60 % de porosidad con diferentes estructuras geométricas (sólido, poroso, enrejado, enrejado con poroso). Respuesta actual y sensibilidad del sensor de presión SC de cuatro capas con diferente relación de masa de b agua (c) CNF. d Respuesta actual y sensibilidad de 1 % en peso de CNF, sensor de presión de porosidad del 60 % con diferentes estructuras de celosía (PS, SC y FCT).

En segundo lugar, el efecto de la composición del agua en el rendimiento de detección está bien estudiado en la Fig. 2b. Con base en estudios previos y experimentos comparativos (Tabla complementaria 3) sobre el efecto de las cantidades de agua emulsionada en la porosidad, la porosidad podría ajustarse simplemente variando la proporción de masa de agua en el sistema de emulsión31,32. La porosidad aumenta con el aumento del contenido de agua emulsionada. La porosidad se caracteriza a través del método de diferencia de masa (ver la Sección Experimental para más detalles). Como se muestra en la Fig. 2b, la estructura de mayor porosidad exhibe una mayor sensibilidad. En comparación con los sensores con una porosidad del 33 % y el 47 %, el sensor de presión con una porosidad del 60 % presenta una sensibilidad mejorada (3,2 kPa−1) y una linealidad (R2 = 0,998) en el rango de 0 a 750 kPa. Esto se debe a que la estructura de mayor porosidad con el módulo joven más bajo es más comprimible bajo la misma presión. Por lo tanto, una presión sutil deformaría en gran medida la estructura y crearía más vías conductoras en la estructura de alta porosidad.

En tercer lugar, el contenido de CNF también tiene un efecto observable en los sensores. Entonces, se preparan los sensores con una relación de masa de CNF que varía de 0.6% en peso a 1.2% en peso y su influencia en la sensibilidad se estudia en la Fig. 2c. Para los sensores preparados con la cantidad de CNF de 0,6 % en peso a 1 % en peso, la sensibilidad mejoró gradualmente. La relación de masa aumentada de los rellenos conductores puede construir más vías conductoras cuando se aplica con la misma presión, lo que da como resultado una mayor sensibilidad. Sin embargo, los CNF excesivos reducen en gran medida la resistencia en el estado original (I0), lo que conduce a una disminución en los cambios de corriente relativos. Como resultado, la sensibilidad del sensor con 1,2 % en peso de CNF es menor que la del sensor con 1 % en peso de CNF.

Finalmente, tres estructuras de celosía diferentes: cúbica simple (SC), apiladas en paralelo (PS) y FCT33 se fabrican simplemente a través de DIW según el modelo estructural diseñado. Todas las estructuras reticulares se fabrican con la misma cantidad de emulsión. Los diagramas de diseño de las estructuras SC, PS y FCT se muestran en la Fig. 15 complementaria, respectivamente. Las sensibilidades y la simulación de compresión se muestran en la Fig. 2d. Con el contenido óptimo de agua y CNF, la estructura FCT exhibe las sensibilidades más altas entre ellos. La diferente sensibilidad de las tres estructuras reticulares resulta del grado de deformabilidad de la estructura reticular. Luego, se realiza el análisis de elementos finitos (FEA) para analizar la deformación y la distribución de tensiones de tres estructuras de celosía que se muestran en las figuras complementarias. 16 y 17 y Video 1, respectivamente. En los resultados de la simulación, la estructura PS tiene el desplazamiento más pequeño (ΔL = 148 μm) y la estructura FCT tiene el desplazamiento más grande (ΔL = 508 μm). El resultado de la simulación es consistente con el resultado del experimento. En comparación con las estructuras PS y SC, la estructura FCT experimenta una deformación dominante proporcionada por la compresión de las varillas escalonadas en lugar de comprimir las varillas alineadas verticalmente en la estructura PS y SC. Por lo tanto, la tensión se distribuye homogéneamente en los sitios de contacto de cada capa de pila perpendicular. En resumen, en base a la optimización anterior del HPPS, se determina que el 60 % en peso de agua, el 1 % en peso de CNF, las cuatro capas y la estructura reticular FCT son las condiciones de preparación óptimas.

Se estudia el rendimiento de detección del HPPS en diferentes condiciones de prensado. El efecto sinérgico del relleno in situ de la estructura porosa interna y la estructura reticular permite que el sensor tenga alta sensibilidad y alta linealidad en un amplio rango de detección de presión. Como se muestra en la Fig. 3a, el HPPS preparado con la condición optimizada (1 % en peso de CNF, 60 % en peso de agua con estructura FCT) logra una alta sensibilidad de 4,7 kPa−1 y una alta linealidad con el coeficiente de correlación de 0,998 en la presión amplia. desde 0,032 hasta 1000 kPa. En comparación con los sensores de presión piezorresistivos informados anteriormente en la Fig. 3b15,28,30,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49, 50,51,52, nuestro HPPS exhibe una alta sensibilidad y un amplio rango de linealidad de presión. El HPPS exhibe una limitación de detección baja de 32 Pa, como se muestra en la figura complementaria 18. La velocidad de respuesta dinámica del sensor se mide presionando repentinamente con una fuerza de 17 kPa seguida de una liberación rápida. El tiempo de respuesta y relajación es de 24 ms y 15 ms (fig. 3c), respectivamente, que son comparables al tiempo de respuesta de la piel humana (30-50 ms)12. Las curvas de corriente-voltaje (I–V) del sensor de presión de −3 V a 3 V bajo diferentes presiones muestran una relación lineal, lo que indica que el HPPS posee las características de contacto óhmico (Fig. 3d). A medida que la presión aumenta de 0 a 600 kPa, la resistencia disminuye drásticamente. El cambio de corriente relativo del sensor bajo seis ciclos de carga/descarga de presión incremental se mide para investigar el rendimiento de detección de presión dinámica (Fig. 3e). El sensor de presión muestra una señal constante y una respuesta transitoria al proceso cíclico de carga/descarga, lo que indica que el sensor de presión es capaz de funcionar de manera estable en un amplio rango. El efecto de la frecuencia de carga también debe considerarse para evaluar la estabilidad del rendimiento de detección de presión dinámica. Como se muestra en la Fig. 3f, el cambio de corriente relativo no muestra dependencia de la frecuencia ni retraso bajo una presión constante de 100 kPa con una frecuencia de 0,2 a 5 Hz. La alta sensibilidad y la alta linealidad bajo un amplio rango de presión permiten que el sensor de presión tenga una resolución de alta presión. El sensor de presión podría detectar el ligero cambio de presión bajo una precompresión alta. La Figura 3g representa el cambio sincrónico de corriente y presión. Al principio, el sensor se comprime a 643 kPa como referencia P0, y luego se agregan en secuencia la ligera presión incremental (10 kPa, 21 kPa y 32 kPa). Los resultados muestran que el sensor tiene la capacidad de diferenciar la ligera presión incremental bajo una gran precompresión. Como se ilustra en la Fig. 3h, el sensor de presión exhibe una alta reproducibilidad y durabilidad bajo la presión de 28 kPa, 50 kPa y 200 kPa durante 35 000 ciclos, respectivamente. En la figura insertada, la señal muestra que no hay un cambio de amplitud evidente en la prueba del ciclo. Para estudiar la reproducibilidad del sensor de presión, los estudios de barra de error en términos de rango de presión y sensibilidad se realizaron midiendo ocho sensores en la Fig. 19 complementaria y la Tabla complementaria 4. Los ocho sensores tienen valores de sensibilidad muy cercanos en un amplio rango de detección de 1 MPa. Además, los ocho sensores exhiben una linealidad muy alta. No hay desviación significativa en la sensibilidad y la linealidad, lo que implica la buena reproducibilidad del sensor de presión.

a Cambio de corriente relativo basado en la capa de detección optimizada bajo diferentes presiones (0,032 kPa–1000 kPa). b Comparación de la sensibilidad de nuestro sensor de presión con otras literaturas reportadas. c Tiempos de respuesta y recuperación del HPPS bajo la presión de 17 kPa. d Curvas de corriente-voltaje del HPPS bajo diferentes presiones. e Respuesta dinámica del HPPS bajo ciclos de carga/descarga de baja presión a alta presión. f Respuesta dinámica del HPPS por debajo de 100 kPa a diferentes frecuencias. g Detección de pequeña presión bajo precompresión de 643 kPa. h Rendimiento de repetibilidad de HPPS durante 35 000 ciclos de carga/descarga bajo la presión de 28 kPa, 50 kPa y 200 kPa, respectivamente.

El efecto sinérgico de la estructura multicapa y la estructura porosa de llenado in situ jerárquico permite que el sensor de presión tenga alta sensibilidad, alta linealidad en un amplio rango de presión. Para comprender los mecanismos de detección de alto rendimiento de HPPS, se realizan pruebas de compresión micromecánica e imágenes SEM in situ. Para todas las siguientes imágenes SEM, la dirección de compresión es vertical (de arriba hacia abajo). La Figura 4a–i visualiza las vistas transversales de la evolución de la estructura con una compresión del 0 %, 26 % y 63 % en diferentes escalas. La ilustración esquemática del mecanismo de detección detallado se muestra en la Fig. 4j-m y la Fig. 20 complementaria.

Imágenes SEM de sección transversal de la estructura reticular en un estado original, compresión b del 26 %, compresión c del 63 % (barra de escala: 300 µm). Imágenes SEM transversales de la estructura porosa en el estado original d, compresión e del 26 %, compresión f del 63 % (barra de escala: 100 µm). Imágenes SEM transversales de las redes CNF incrustadas en un solo poro en el estado original g, compresión h del 26 %, compresión i del 63 % (barra de escala: 10 µm; barra de escala de imagen insertada i: 3 µm). Ilustración esquemática y diagrama de circuito del mecanismo de detección de HPPS bajo j compresión pequeña, k compresión media, l compresión grande. m Se utiliza un pequeño cambio de presión bajo una gran precarga para ilustrar el rendimiento de resolución de alta presión.

La Fig. 21 complementaria visualiza la interfaz entre la capa de detección y los electrodos de Ni. La microestructura textil ondulada de los electrodos de Ni forma menos puntos de contacto iniciales con la capa de detección, lo que da como resultado una alta resistencia de contacto en estado descargado. Las Figuras 4a, d, g y j ilustran la morfología de la red multicapa y la estructura porosa de llenado in situ jerárquico antes de la compresión. El espacio entre las capas apiladas hace que la estructura reticular sea altamente comprimible (Fig. 4a). La estructura porosa de llenado in situ formada por el método de plantilla de emulsión da como resultado que las redes de CNF existan en la matriz PDMS, en la interfaz e incrustadas en los poros (Fig. 4d y g). Esto podría crear más sitios de contacto entre las redes CNF durante la compresión, lo que resulta en una alta sensibilidad en el rango de detección.

Con una compresión muy baja (Fig. 21 complementaria), el área de contacto (línea naranja) entre los electrodos de Ni y la capa de detección aumenta significativamente, lo que resulta en una disminución de la resistencia de contacto en un rango de presión bajo. Además, los poros internos se comprimen ligeramente y las redes de CNF incrustadas en la estructura porosa se contactan ligeramente entre sí, generando algunas vías conductoras que aumentan la corriente. Se lleva a cabo un experimento de comparación (Fig. 22 complementaria) de los efectos del electrodo de microestructura textil ondulada y el electrodo de Cu plano en el rendimiento de detección a baja presión para demostrar que los electrodos de Ni pueden mejorar el rendimiento de detección en un rango de baja presión. Además, no hay una desviación significativa en la sensibilidad entre el rango de baja presión (4,64 kPa−1, <500 Pa) y el de alta presión (4,7 kPa−1, <1 MPa), lo que confirma aún más la alta sensibilidad y la linealidad en toda la detección. rango.

Con una compresión del 26 % (Fig. 4b, e, h y k), las varillas de la red se deforman y se contactan parcialmente entre sí para crear más vías conductoras. En comparación con la estructura de una sola capa, la estructura multicapa tiene un mayor cambio de área de contacto y una distribución efectiva de la tensión, lo que genera más vías conductoras durante la compresión30,53. Esto también se verifica en la prueba de sensibilidad de diferentes capas en la Fig. 12 complementaria. En las imágenes SEM de gran aumento de la Fig. 4e y h, los poros internos (línea discontinua roja, línea discontinua amarilla) comienzan a encogerse y las redes CNF se incrustan en poroso estructura en contacto entre sí para construir más vías conductoras. La introducción de una estructura porosa de relleno in situ mejora aún más la sensibilidad y la linealidad. Esto se puede demostrar con los resultados de la Fig. 2a, donde la sensibilidad de la estructura reticular con estructura porosa interna es mayor que la estructura reticular sin ella.

En este documento, se utiliza una ilustración esquemática de la figura complementaria 20 para interpretar el mecanismo de alto rendimiento de la estructura porosa de llenado in situ en comparación con otros tipos de estructura porosa hueca convencional. La superioridad de nuestra estructura porosa de relleno in situ con respecto a las estructuras porosas convencionales se debe a diferentes morfologías y diferentes principios de trabajo. Para las estructuras porosas convencionales que normalmente se fabrican mediante plantillas duras (como azúcar, sal y otras plantillas de partículas sólidas) o el método de formación de espuma con gas, los rellenos conductores se separan y excluyen mediante plantillas duras o proceso de formación de espuma. Esto da como resultado que el relleno conductor solo se pueda dispersar en el borde de los poros. Cuando se aplica con un ligero cambio de presión, el gran espacio de los poros dificulta el contacto de los rellenos conductores dispersos en el borde de los poros, lo que da como resultado que la mayoría de los caminos conductores se generen solo en el elastómero. Por lo tanto, para sensores porosos convencionales, el cambio de resistencia es relativamente pequeño en todo el rango de detección. Para nuestra estructura porosa de relleno in situ fabricada con el método de plantilla de emulsión blanda, los CNF pueden dispersarse dentro de la plantilla blanda cuando se mezclan con la emulsión de PDMS. Luego, durante el proceso de curado a alta temperatura, el agua emulsionada se evapora, mientras que los CNF dispersos en agua emulsionada permanecen dentro de los poros, formando redes de CNF incrustadas en los poros. Esto condujo a que los rellenos conductores no solo se adhirieran al borde de los poros, sino que también los rellenaran in situ. Cuando se aplica un ligero cambio de presión, las redes de CNF incrustadas en la estructura porosa interna pueden contactar fácilmente entre sí para generar vías conductoras independientes en los poros internos. Además, las redes de CNF también podrían servir como un "puente" para conectar el relleno conductor separado disperso en los bordes de los poros para formar vías más conductoras. Este resultado en la ruta conductora podría generarse en elastómero, poros e interfase elastómero-poros. Por lo tanto, se puede inducir un cambio de resistencia más significativo en todo el rango de detección. Se lleva a cabo una comparación del rendimiento de detección del sensor poroso de llenado in situ con el sensor poroso convencional con la misma porosidad y la misma relación de CNF para demostrar aún más la superioridad de la estructura porosa de llenado in situ frente a la estructura porosa convencional (Figura complementaria 23) .

Con una compresión del 63 % (Fig. 4c, f, i y l), la mayor deformación y el estrecho contacto de las varillas de celosía generarán más vías conductoras y reducirán la resistencia. En las imágenes SEM de gran aumento de las figuras 4f e i, los poros se reducen aún más y las redes de CNF incrustadas en la estructura porosa se comprimen para formar vías más conductoras. Durante todo el proceso de compresión, las vías conductoras se generan continuamente debido al contacto gradual de las redes CNF de llenado in situ en microescala y la deformación y el contacto de las varillas de la red en macroescala.

Se puede observar en la Fig. 4i y m, incluso con una compresión alta del 63 %, todavía hay algunas brechas a escala nanométrica entre cada nanofibra de carbono debido a las características de malla de las redes CNF. Por lo tanto, después de una gran compresión previa, un ligero cambio de presión aún podría inducir algunas vías conductoras para generar redes CNF a nanoescala. Esto puede demostrarse con el resultado de la Fig. 3g.

La resistencia total de HPPS se expresa en términos de la suma de la resistencia del material de detección (Rp, Rf) y la resistencia de contacto (Rc, Rl). En teoría, la resistencia total se expresa como sigue Eq. (1):

donde Rc denota la resistencia de contacto entre la capa de detección y el electrodo, Rl denota la resistencia de contacto entre la varilla de celosía entrelazada vecina, Rp denota la resistencia de las vías conductoras generadas en la matriz PDMS y Rf denota la resistencia de las vías independientes generadas dentro de la estructura porosa.

Debido a la alta sensibilidad y alta linealidad en un amplio rango, el sensor de presión se puede utilizar en diversas aplicaciones. Como está presente en la Fig. 24 complementaria, se detectan y distinguen diferentes presiones leves para verificar la alta sensibilidad y la resolución de alta presión del HPPS. Para detectar la ligera presión, se utiliza cinta adhesiva para fijar el sensor firmemente sobre la mesa. El peso de los objetos ligeros, desde un grano de arroz (0,022 g) hasta un pequeño tornillo (0,7 g), se detectan y distinguen en función de la diferencia del cambio actual. Debido a su alta sensibilidad, el sensor se puede usar para detectar el período del pulso de la muñeca y la forma de onda en tiempo real cuando está adherido a la piel de la muñeca con la cinta médica (Fig. 5a). Como se ilustra en la Fig. 5a, el pulso arterial podría leerse con precisión tanto en condiciones normales (66 latidos por minuto) como después del ejercicio (108 latidos por minuto). Mientras tanto, cada pulso periódico con tres picos característicos distinguibles se puede reconocer con precisión en ambos estados: onda de percusión (P), onda de marea (T) y onda diastólica (D). Esto sugiere que el HPPS podría aplicarse potencialmente en el control de la atención médica y el diagnóstico de enfermedades. A continuación, el sensor de presión se utiliza para reconocer diferentes voces (Fig. 25 complementaria). Como se muestra en el recuadro, el sensor se coloca en la garganta para detectar la vibración sutil cuando habla el voluntario. Las palabras 'buenos' y 'días' corresponden a características del patrón de cambio actual, lo que indica que el sensor es capaz de distinguir diferentes voces. La palabra 'bueno' se repite cinco veces para demostrar su repetibilidad. Además, el ángulo de flexión de los dedos también podría medirse con precisión (Fig. 5b, Fig. 26 complementaria y Video 2). Cuando el ángulo de flexión del dedo cambia gradualmente, el cambio de corriente muestra un aumento gradual. El cambio actual permanece constante cuando el dedo mantiene un cierto ángulo y vuelve al valor original cuando el dedo vuelve a la posición original. Como se muestra en la figura 5c y el video complementario 3, el sensor de presión se fija en la suela para detectar los diferentes estados de movimiento. Se pueden distinguir diferentes movimientos, como caminar, caminar a paso ligero, correr y saltar, según la nitidez, la frecuencia y la intensidad de la señal en la Fig. 5c. El sensor se puede utilizar para medir la presión de los neumáticos al andar en bicicleta, como se muestra en la Fig. 5d. Al andar en bicicleta con llantas infladas, las llantas generan una gran presión en el sensor, lo que da como resultado una señal de corriente grande. Cuando el neumático se queda sin aire, el área de contacto del neumático con el suelo se vuelve más grande, lo que resulta en una disminución de la presión del neumático en el sensor. Los sensores con un amplio rango se pueden aplicar potencialmente a la percepción táctil de las interfaces hombre-máquina para detectar pequeñas presiones, como soplar, tocar, y luego presiones más grandes, como apuñalar y aplastar (Figura complementaria 27). Además, el sensor de presión se utiliza como balanza electrónica para verificar la sensibilidad lineal a alta presión, como se muestra en la Fig. 5e. La placa cuadrada de PET se coloca encima del sensor para soportar el peso, y cuatro pequeñas columnas se ubican en las cuatro esquinas para estabilizar el PET. Cuando se cargaron secuencialmente tres pesos incrementales (20 g, 40 g, 60 g) bajo pesos de precarga de 0 kg y 3 kg, los cambios actuales para cada aumento de masa de 20 g en ambos casos exhiben el mismo valor, lo que indica la buena linealidad de el sensor de presión bajo alta presión.

un HPPS conectado a la muñeca para controlar el pulso de la muñeca de una persona sana antes y después del ejercicio, y la señal de pulso única ampliada contiene picos característicos: onda P, onda T y onda D. b Seguimiento de la flexión de los dedos con diferentes ángulos. c Grabación en tiempo real de los movimientos humanos, incluidos caminar, caminar a paso ligero, correr y saltar. d Medir la presión de los neumáticos mientras se monta en bicicleta. e Medir los tres cambios de peso de 20 g en secuencia bajo los pesos de precarga de 0 y 3 kg. f Medir el diminuto cambio de presión de una botella de agua bajo la precarga de un peso humano. Medición del cambio de presión de ga humano y ha caja de agua bajo la precarga del peso de un automóvil.

Sobre todo, el HPPS tiene un gran potencial para detectar la pequeña presión incremental bajo una gran precompresión. En la Fig. 5f–h, se usa un sensor de presión de 2,5 × 2,5 cm2 para demostrar las características de resolución de alta presión en un amplio rango de presión. Como se muestra en la Fig. 5f, un hombre de 80 kg se para con un pie en el sensor de presión y luego se le colocó una botella de agua (~550 g) en la mano. Todo el proceso, incluido el ligero cambio de presión debido a la adición de una botella de agua, puede detectarse por el cambio de corriente. Además, en otro experimento (Fig. 5g y Video complementario 4), la rueda delantera de un automóvil (1700 kg) se presiona primero sobre el sensor como precompresión. Cuando un hombre (80 kg) se sube al automóvil, el aumento de la presión conduce a un aumento escalonado del cambio de corriente. Cuando el coche sale del sensor de presión, la señal recupera instantáneamente su estado original. Como se muestra en la Fig. 5h y el Video complementario 5, se coloca un objeto más liviano (una caja de agua embotellada, 6 kg) sobre el automóvil. Todo el proceso, incluido el cambio de peso de una caja de agua embotellada, podría registrarse con precisión a través del cambio de señal obvio. Las oscilaciones de la señal (marcadas en un círculo rojo) en el recuadro de la Fig. 5g, h indican la ligera vibración y el movimiento mientras un hombre y una caja de agua cargan el automóvil.

La monitorización de la distribución de la presión plantar es de gran importancia en la prevención y diagnóstico de enfermedades podológicas, prevención de lesiones, análisis de la marcha, biomecánica deportiva, etc30,54. Por ejemplo, la marcha y la postura anormales al caminar pueden causar una presión local excesiva en ciertas áreas del pie, lo que puede conducir a diversas enfermedades, como fascitis plantar, úlceras del pie diabético, etc.55,56. La marcha anormal típica, incluida la supinación y la pronación, se muestra en las imágenes insertadas en la Fig. 6d, e. A excepción de la supinación y la pronación congénitas, algunos casos adquiridos son el resultado del uso de zapatos inadecuados, sobrepeso, deficiencia de calcio o malos hábitos para caminar. Para la supinación y pronación adquiridas, es difícil prevenir y diagnosticar la enfermedad en una etapa temprana57.

una imagen óptica de la matriz HPPS en la plantilla inteligente y la anatomía correspondiente en la ilustración esquemática del pie humano. b Evolución del mapeo de distribución de presión durante el proceso de vigilia dinámica. Las variaciones de corriente registradas en tiempo real y la presión calculada correspondiente de los cinco sensores para detectar la postura al caminar de tres personas diferentes con (c) marcha neutra (d) marcha en supinación (e) marcha en pronación, respectivamente. Las variaciones de corriente registradas en tiempo real y la presión calculada correspondiente de los cinco sensores para reconocer la biomecánica deportiva de (f) correr (g) ponerse de puntillas (h) ponerse en cuclillas, respectivamente.

Aquí, nuestro sensor de presión de rango amplio y alta sensibilidad es capaz de detectar con precisión la distribución de la presión plantar, que se puede utilizar para diagnosticar la marcha anormal en una etapa temprana. La alta linealidad del sensor de presión es capaz de distinguir claramente la intensidad de presión de diferentes áreas locales. Como se esquematiza en la Fig. 6a, cinco sensores de presión están integrados en la plantilla inteligente. Cada sensor se coloca en las áreas correspondientes del calcáneo posterior (n.º 1), cuneiforme medial (n.º 2), primer metatarsiano (n.º 3), quinto metatarsiano (n.º 4) y primera falange (n.º 5). La evolución del mapa de distribución de presión durante el proceso de vigilia dinámica (golpe de talón, apoyo medio y despegue de los dedos) se reconstruye a partir de las señales adquiridas, como se muestra en la Fig. 6b.

La figura 6c-e demuestra y compara la variación actual y la presión calculada correspondiente en función del tiempo para tres modos de caminar diferentes: neutral, supinación y pronación. Para la marcha neutra (Fig. 6c), la señal del sensor n.° 1 aumenta primero debido a que el talón toca el suelo. Luego, el aumento de la señal del sensor n.º 3, 4 indica la posición media y, por último, el aumento de la señal del sensor n.º 5 sugiere que el talón se levanta en la etapa final. Para la marcha en supinación (Fig. 6d), la señal del sensor n.º 4 es mucho más alta que la del sensor n.º 3, lo que indica un desplazamiento del baricentro hacia el exterior del pie (quinto metatarsiano). En el caso de la pronación (Fig. 6e), el desplazamiento del baricentro hacia el interior del pie conduce a una señal más alta en el sensor n.º 3 (primer metatarsiano). Además, la etapa temprana de la marcha en pronación da como resultado un pie ligeramente plano, lo que hace que el arco se deforme levemente para tocar el sensor n.° 2 (cuneiforme medial) como se muestra en la imagen insertada en la Fig. 6e. Por lo tanto, la alta sensibilidad del sensor de presión permite la identificación de anomalías menores en la marcha y, por lo tanto, realiza un diagnóstico de pronación y supinación en una etapa temprana. La alta linealidad del sensor de presión podría distinguir fácilmente tres modos de caminar diferentes al comparar la distribución de la presión plantar.

Además de la prevención y el diagnóstico de enfermedades del pie, nuestro sensor también se puede aplicar a la detección de biomecánica deportiva (Fig. 6f–h). Compare con la marcha normal (Fig. 6c, velocidad de paso: 48 pasos por minuto), se observa una señal de corriente más grande y una frecuencia más alta durante la carrera (Fig. 6f, velocidad de paso: 100 pasos por minuto). Durante el proceso de ponerse de puntillas (Fig. 6g), se concentra más presión en la primera falange, lo que provoca una señal intensa en el sensor #1. Durante el proceso de sentadilla (Fig. 6h), la señal experimenta cambios constantes debido a la alteración del baricentro. Los resultados anteriores indican que la alta sensibilidad y la alta linealidad en el sensor de presión de amplio rango tienen un potencial sobresaliente en dispositivos médicos portátiles y equipos deportivos para propósitos de monitoreo en tiempo real.

En resumen, diseñamos un sensor de presión porosa de llenado in situ jerárquico con alta sensibilidad y alta linealidad en un amplio rango de detección. La geometría jerárquica impresa DIW logra un amplio rango de detección porque la red multicapa y la estructura porosa interna aumentan el área de contacto y distribuyen la tensión aplicada. La estrategia de formación in situ de redes CNF incrustadas en la estructura porosa interna proporciona un aumento significativo y continuo en el área de contacto en cada poro individual, lo que da como resultado una alta sensibilidad y alta linealidad. Por lo tanto, nuestro sensor de presión logra una alta sensibilidad (4,7 kPa−1) y una alta linealidad (R2 = 0,998) en un amplio rango (0,03–1000 kPa). Estas capacidades de detección permiten que el sensor de presión detecte diversos estímulos, desde baja presión, como detección de pulso, reconocimiento de voz, detección de ataduras de dedos en regímenes de presión media hasta movimiento del pie humano, monitoreo de presión de neumáticos en regiones de alta presión. Además, el sensor puede detectar un cambio de baja presión bajo una alta compresión debido a su resolución de alta presión. Con el excelente rendimiento del sensor de presión, se puede aplicar a dispositivos biomédicos y electrónicos personales en un futuro cercano. Además, este método de fabricación rentable de estructura porosa de relleno in situ jerárquico proporciona una estrategia de diseño general para otros tipos de sensores.

Se compraron nanofibras de carbono (CNF, modelo XFM60, pureza > 95% en peso) con un diámetro de 50 a 200 nm y una longitud de 1 a 15 µm de la empresa XFNANO. La matriz de PDMS (Sylgard 184) y el agente de curado se compraron a Dow Corning Co., Ltd. La parafina líquida se obtuvo a Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. N-hexano (AR, 97 %), 1,1,1,3 ,3,3-hexafluoro-2-propanol (99,5 %) y etanol (ACS, pureza > 99,5 %) se adquirieron de Aladdin Co., Ltd. Los gránulos de TPU se adquirieron de Bayer Material Science.

La matriz de PDMS Sylgard 184 (5 g) y el agente de curado se mezclaron completamente en una proporción de 10:1 en un vaso de precipitados de 50 ml. Luego, la solución de PDMS preparada se diluyó con parafina líquida (5 g) mediante una máquina de dispersión de alto cizallamiento (FS400-S, LICHEN Co., Ltd) a una velocidad de agitación de 1200 rpm. A continuación, la solución acuosa con una concentración de cloruro de calcio del 3,5 % en peso se añadió gota a gota mediante una bomba de jeringa para microfluidos (SP-1000, Ningbo Annuo Medical Apparatus e Instruments Technology Co., Ltd) con un caudal de 48 ml/h bajo condiciones mecánicas. emocionante. Después de agregar toda el agua a la mezcla líquida de PDMS/parafina, se obtuvo una emulsión de PDMS blanca y cremosa. Luego se mezcló a fondo una determinada proporción de CNF para formar una tinta de emulsión CNF/PDMS negra y cremosa. Una vez completada la preparación, la tinta de emulsión CNFs/PDMS estaba lista para la caracterización y la impresión DIW.

La morfología de la emulsión PDMS y la emulsión CNFs/PDMS se caracterizó mediante microscopio vertical (ZEISS Axio Imager Vario) con lente objetivo (40x). La emulsión se goteó sobre el portaobjetos del microscopio y se cubrió con un cubreobjetos antes de la observación.

Los comportamientos reológicos de las tintas se obtuvieron utilizando un reómetro (Physica MCR-301, Anton Paar GmbH Co., Ltd) a temperatura ambiente (25 °C). La viscosidad de cizallamiento de la tinta se midió aumentando la velocidad de cizallamiento de 10−2 a 103 s−1. El módulo de almacenamiento de cizallamiento (G') y el módulo de pérdida viscosa (G") se obtuvieron en un modo oscilatorio con una frecuencia constante de 1 Hz en el rango de tensión de 10−2 a 103 Pa.

La estructura reticular de emulsión 3D CNFs/PDMS se fabricó utilizando impresión DIW de extrusión neumática (SHOTmini200ΩX, Musashi Engineering, Inc.). Toda la estructura de celosía impresa DIW se fabricó sobre la base de los modelos de estructura de celosía diseñados por el software de modelado 3D en la impresora DIW. La estructura reticular impresa se extruyó y depositó sobre los sustratos de PET. Según la optimización primaria, el diámetro de la boquilla era de 0,84 mm, la velocidad de movimiento del cabezal de impresión era de 6 mm s−1 y la presión de extrusión se controlaba en el rango de 50–100 kPa según varias composiciones de emulsión CNF/PDMS. Después de la impresión DIW, la estructura reticular de la emulsión CNFs/PDMS se calentó en un horno a 110 °C durante 2 h para curar mientras se evaporaba el agua emulsionada. La estructura reticular de CNFs/PDMS curada se lavó dos veces en n-hexano y etanol respectivamente y posteriormente se secó a 110 °C durante 2 h en un horno. El grosor de la estructura reticular de CNFs/PDMS con cuatro capas es de alrededor de 1,6 mm.

La porosidad de la estructura reticular de la emulsión CNFs/PDMS se controló mediante la cantidad de agua añadida, mientras que la proporción de CNFs:PDMS es fija. La porosidad de la esponja CNFs/PDMS se calculó en base a la siguiente ecuación. (2):

La fabricación de HPPS fue la siguiente: en primer lugar, la película de TPU como capa de encapsulación se preparó mediante electrohilado de 4% en peso de TPU disuelto en 1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanol con un voltaje positivo de 10 kV y una tensión negativa de 2 kV. La película de TPU se cortó en 2 × 2 cm2 para la capa protectora. El patrón del electrodo se diseñó utilizando el software CorelDRAW. Se utilizó una máquina de corte por láser (4060, FST) para grabar la cinta de tela conductora en el patrón prediseñado. Luego, las dos piezas de cintas de tela conductora cortadas se transfirieron a las dos piezas de película de TPU cortada como electrodo superior e inferior, respectivamente. La capa de detección de HPPS se encapsuló entre dos piezas de película cuadrada de TPU con la cinta de tela conductora.

La morfología y microestructura de las muestras se observaron mediante microscopía electrónica de barrido de emisión de campo con el voltaje de 5 kV (Sirion200, FEI, EE. UU.). Se utilizaron el motor lineal controlado por computadora (LinMot) y un dinamómetro digital (Mark-10, EE. UU.) para proporcionar y medir la presión, respectivamente. Se pegaron dos piezas de placa cuadrada de PMMA con una longitud de 1 cm de largo y un espesor de 1 mm en la cabeza del dinamómetro digital y la cabeza del motor lineal, respectivamente. El sensor estaba adherido a la placa de PMMA en la cabeza del dinamómetro digital. Para el rendimiento de detección de presión, el motor lineal se configuró para aplicar presión de acuerdo con las condiciones de prueba apropiadas. La presión fue registrada por el dinamómetro digital. Mientras tanto, la corriente se registró en tiempo real utilizando un medidor de fuente digital controlado por LabVIEW (Keithley 2611B). El voltaje fuente-drenaje fue de 0,1 V, excepto por la demostración de resolución de alta presión (Fig. 3g) que fue de 0,07 V. Las curvas I–V se midieron con un analizador electroquímico (CHI660E) en el rango de presión de (0–600 kPa ). Para la prueba de resolución de alta presión (Fig. 3g), prueba de detección de presión de objetos diminutos (Fig. 24 complementaria), detección de pulso (Fig. 5a), reconocimiento de voz (Fig. 25 complementaria), demostración de resolución de alta presión (Fig. 24). 5f–h), la corriente se registró con un electrómetro (Keithley 6514).

El sensor de 3 × 3 cm2 se usó para la demostración de resolución de alta presión (Fig. 5f-h), y el sensor de 1 × 1 cm2 se usó para todas las demás pruebas y demostraciones. La sensibilidad (S) se calculó de acuerdo con la siguiente ecuación. (3):

Sensibilidad (S)

Donde I0 es la corriente inicial del sensor sin carga de presión, y ΔI son los cambios de corriente del sensor bajo un cambio de presión fijo (ΔP).

La distribución de tensiones y desplazamientos de las estructuras reticulares PS, SC y FCT bajo presión externa se simuló utilizando el software COMSOL. La varilla de celosía única se fijó en 1 mm de largo y 0,5 mm de diámetro, la distancia entre dos varillas de celosía se fijó en 1 mm. A dos placas se les dieron las propiedades del acero para emparedar la estructura de celosía. Se aplicó una fuerza de compresión lineal para comprimir las estructuras de celosía.

La película de PET en forma de pie fue cortada por una máquina de corte por láser. Los 5 sensores de presión se colocan en las 5 posiciones de la película de PET, incluida la 1.ª falange (n.º 5), el 5.º metatarsiano (n.º 4), el 1.er metatarsiano (n.º 3), la cuña medial (n.º 2) y el calcáneo posterior (n.º 1) .

Los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Este trabajo fue apoyado por el Esquema de Talento 3315 Municipal de Ningbo por la Oficina de Ciencia y Tecnología de Ningbo, la Fundación Provincial de Ciencias Naturales de Zhejiang de China (Subvención LR19F010001).

Estos autores contribuyeron por igual: Jin Xu, Huayang Li

Instituto de Nuevos Materiales, Departamento de Ingeniería Mecánica, de Materiales y de Fabricación, Universidad de Nottingham Ningbo China, 315100, Ningbo, China

Jin Xu, Huayang Li, Yiming Yin, Jinwei Cao, Hanfang Feng, Hao Tan y Guang Zhu

CAS Key Laboratory of Magnetic Materials and Devices, Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering, Chinese Academy of Sciences, 315201, Ningbo, China

Huayang Li y Jinwei Cao

Escuela de Nanociencia y Tecnología, Universidad de la Academia de Ciencias de China, 100049, Beijing, China

Xin-li

Ningbo Sezen Technology Co., Ltd, 315042, Ningbo, China

wandibao

Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Universidad de Tecnología Química de Beijing, 100029, Beijing, China

fanyuan xiao

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

JX y HL contribuyeron igualmente a este trabajo. GZ y JX concibieron la idea y diseñaron los experimentos. JX, YY, XL, HF, WB y HT llevaron a cabo el desarrollo del dispositivo y la medición del rendimiento. JX, HL, FX, JC contribuyeron a la simulación FEA y al dibujo del diagrama esquemático. JX, HL, YY, XL, JC, HFWB y HT participaron en la discusión de los datos experimentales. JX analizó los resultados experimentales y escribió el documento. JX, HL y YY participaron en la revisión del documento. GZ y HL supervisó el proceso de investigación.

Correspondencia a Huayang Li o Guang Zhu.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Xu, J., Li, H., Yin, Y. et al. Sensor de presión de alta sensibilidad y amplio rango de linealidad basado en una estructura porosa de relleno jerárquico in situ. npj Flex Electron 6, 62 (2022). https://doi.org/10.1038/s41528-022-00191-7

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Recibido: 09 marzo 2022

Aceptado: 21 junio 2022

Publicado: 19 julio 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41528-022-00191-7

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