Sensores de pressão baseados em capacitor CMAG flexíveis para mapeamento de pressão estática e monitoramento de onda de pulso em tempo real da artéria radial. a) Fotografia de uma matriz de 5 × 5 pixels com grãos de arroz, soja e feijão vermelho pesando ~ 20, 158 e 219 mg, respectivamente (esquerda), e a distribuição correspondente da mudança de capacitância normalizada na matriz sensorial (direita). b) Fotografia de uma matriz de 5 × 5 pixels com um centavo pesando 3,11 g (esquerda) e a distribuição correspondente da mudança de capacitância normalizada (direita). c) Fotografia de um sensor de pressão CMAG tipo tatuagem, flexível e confortável. d) Fotografia do sensor de pressão conectado próximo à artéria do pulso. e) Monitoramento da onda de pulso em tempo real dos seres humanos A e B antes e após 3 minutos de exercício. f) Comparação das formas de onda de visualização ampliada do sujeito humano A antes e após 3 min de exercício extraído das caixas tracejadas em e mostrando informações de saúde importantes, como o índice de reflexão (RI) =(P2 / P1) × 100% e rigidez arterial índice (SI) =altura do sujeito / ∆TDVP (em unidades de m s − 1). Crédito:Huang et al.
Sensores microscópicos que podem detectar pequenas mudanças na pressão têm inúmeras aplicações úteis, particularmente para o desenvolvimento de robôs e dispositivos vestíveis de monitoramento de saúde. A maioria dos sensores de pressão capacitivos e baseados em transistor existentes, Contudo, tem uma série de limitações, incluindo baixa sensibilidade, velocidade de resposta lenta, alto consumo de energia e estabilidade insatisfatória.
Pesquisadores da Universidade da Califórnia e da Universidade de Hunan propuseram recentemente uma nova estratégia para desenvolver sensores de pressão altamente sensíveis que poderiam superar algumas das limitações dos sensores de pressão existentes. A abordagem deles, apresentado em um artigo publicado em Nature Electronics , envolve a integração de uma porta de entreferro condutiva microestruturada (CMAG) com transistores semicondutores 2-D.
"Sempre me interessei mais por aplicações práticas do que por pesquisa teórica, "Yun-Chiao Huang, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse TechXplore. "Durante meu primeiro ano na UCLA, O Prof. Duan me encorajou a explorar diferentes áreas e encontrar o tópico que mais me apaixona. Depois de ler muitos artigos, Fiquei interessado em aplicativos de detecção de pressão e comecei a fazer experiências com eles. "
Huang e seus colegas fabricaram seus sensores de pressão integrando CMAGs com transistores semicondutores 2-D, como eles descobriram que este design melhorou seu desempenho de detecção. Essa ideia veio a eles durante uma reunião de grupo em que Huang estava apresentando algumas de suas descobertas de pesquisa.
"Pensamos que se pudéssemos criar espaços de ar microestruturados 'reais' para superar o comportamento viscoelástico dos elastômeros de dispositivos microestruturados convencionais e integrá-los com transistores 2-D, nossos sensores exibiriam maior sensibilidade à pressão e respostas mais rápidas, "Disse Huang." Isso beneficiaria uma ampla gama de aplicações práticas, como detecção de onda acústica, mapeamento de pressão, monitoramento de saúde, e mais."
Nos sensores desenvolvidos pelos pesquisadores, CMAGs criam espaços de ar microestruturados sem resultar em comportamento viscoelástico indesejável, o que é observado em elastômeros em dispositivos mais convencionais. Em última análise, isso leva a uma maior sensibilidade, tempos de resposta mais rápidos, baixo consumo de energia e estabilidade notável.
"Ao integrar transistores semicondutores 2-D com CMAGs exclusivos, nossos sensores de transistor CMAG podem ser aprimorados para melhor desempenho, permitindo uma ampla gama de aplicações, "Huang disse.
Em experimentos iniciais, os sensores construídos pelos pesquisadores exibiram uma sensibilidade ajustável e faixa de detecção de pressão, com uma sensibilidade média de 44kPa -1 no regime de 0-5 kPa e uma sensibilidade de pico de até 770 kPa -1 . Além disso, ao usar as portas de entreferro como portas sensíveis à pressão para transistores semicondutores 2-D, Huang e seus colegas conseguiram aumentar ainda mais a sensibilidade de seus dispositivos para ~ 10 3 –10 7 kPa -1 , em um regime de pressão otimizado de ~ 1,5 kPa.
A estratégia de design baseada em CMAG introduzida por Huang e seus colegas é bastante fácil de implementar. Além disso, pode ser aplicado ao desenvolvimento de sensores capacitivos e baseados em transistores.
Os pesquisadores demonstraram o potencial de seus sensores de pressão para uma série de aplicações, incluindo a implementação de mapeamento de pressão estática, a medição de ondas de pulso humano e a detecção de ondas sonoras. No futuro, seus sensores altamente sensíveis podem ser usados para desenvolver robôs com capacidades de detecção mais avançadas, dispositivos vestíveis para monitorar a saúde dos pacientes ao longo do tempo, e várias outras ferramentas tecnológicas.
"Esperançosamente, o conceito de CMAGs abrirá caminho para novos tipos de sensores de pressão, "Huang disse." Agora estamos trabalhando em matrizes sensoriais de pressão conformados / flexíveis com base no conceito de CMAGs, que habilitará a interface homem-máquina e aplicativos relacionados. Estamos ansiosos para apresentar mais do nosso trabalho no futuro. "
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