As technology advances, there is a growing demand for pressure sensors, particularly in the context of wearable devices. Traditional pressure sensors have rigid properties which is unsuitable for flexible devices. However, flexible pressure sensors are leading to the prominence of pressure sensors. Based on their mechanisms, flexible pressure sensors can be categorized into four types: piezoresistive, piezoelectric, triboelectric, and capacitive pressure sensors. Among these, capacitive sensors have gained attention for their ability to detect both static and dynamic forces, coupled with their simple structure and cost-effectiveness in device design and analysis.
Capacitive sensors typically consist of a dielectric layer and two electrodes, responding to applied pressure by inducing changes in capacitance. However, their sensitivity is limited due to the close proximity of the electrodes, making them less than ideal for wearable devices. In response to this challenge, researchers have focused on enhancing the sensitivity of capacitive sensors through various strategies.
Recent efforts to increase the sensitivity of flexible capacitive pressure sensors can be classified into three main strategies. The first involves incorporating air gaps within the dielectric layer or at the electrode-dielectric interface. The second strategy entails doping or coating polymers with high dielectric constants or conductive fillers. The third strategy involves introducing ionic conductors into the dielectric layer.
In this study, these three strategies are used to develop a capacitive sensor for increased sensitivity. Firstly, we used glucose as a template to add air gaps into dielectric layer based on polydimethylsiloxane (PDMS). Then, by mixing the carbon nanotubes (CNTs) with glucose to fabricate a porous elastomer coating with CNTs. Finally, introducing an ionic liquid (IL) with the proposed porous elastomer, a highly sensitive capacitive pressure sensor is achieved. The pressure sensor exhibits high sensitivity (~0.815kPa-1) in the high-pressure range (80−120 kPa). Furthermore, it delivers excellent performance with a fast response time (∼76 ms), in conjunction with high repeatability, reproducibility, and reliability (5 and 100 kPa/1000 cycles). Compared to traditional pressure sensors, the developed flexible pressure sensor has a broad detection range (0-120kPa). On the other hand, diverse applications of the developed sensor have been showed. The proposed pressure sensor is able to be applied in wearable devices to monitor the finger motion. Besides, we demonstrate the flexible sensor array integrated with fabricated sensors to detect the static force. At the same time, the proposed pressure sensors are conducted to make a plantar system to monitor the human motion.
기술이 발전함에 따라 특히 웨어러블 장치에서 압력 센서에 대한 수요가 증가하고 있다. 기존의 압력 센서는 견고하기 때문에 유연한 장치에 적합하지 않아 유연한 압력 센서 개발이 필요하다. 메커니즘에 따라 유연한 압력 센서는 압저항, 압전, 마찰 전기 및 정전 방식 압력 센서의 네 가지 유형으로 분류할 수 있다. 이 중 정전식 센서는 정적 힘과 동적 힘을 모두 감지할 수 있는 능력과 장치 설계 및 분석의 간단한 구조 및 비용 효율성으로 주목을 받고 있다.
정전 용량 센서는 일반적으로 유전층과 두 개의 전극으로 구성되며 정전 용량의 변화를 유도하여 적용된 압력에 반응한다. 그러나 전극의 근접성으로 인해 감도가 제한되어 웨어러블 장치에 적합하지 않다. 이러한 문제에 대응하여 그동안 다양한 전략을 통해 정전 용량 센서의 감도를 향상시키는 데 중점을 두는 연구가 수행되어왔다.
연성 정전식 압력 센서의 감도를 높이기 위한 최근연구 동향을 세 가지 주요 전략으로 분류할 수 있다. 첫 번째는 유전층 내 또는 전극-유전체 계면에 에어 갭을 통합하는 것이다. 두 번째 전략은 유전 상수가 높은 폴리머 또는 전도성 필러를 도핑 또는 코팅하는 것이다. 세 번째 전략은 유전층에 이온 전도체를 도입하는 것이다.
본 연구에서는 이 세 가지 전략을 결합하여 감도가 높은 정전식 센서를 개발하였다. 포도당을 템플릿으로 사용하여 폴리디메틸실록산(PDMS) 및 탄소 나노튜브(CNT)를 기반으로 하는 다공성 엘라스토머를 제조하고, 이온 액체(IL)를 집적하여 고감도 정전 용량 압력 센서를 제작하였다.. 압력 센서는 고압 범위(0.815-1kPa)에서 높은 감도(~80kPa-120)를 나타냅니다. 또한 높은 반복성, 재현성 및 신뢰성(5 및 100kPa/1000 사이클)과 함께 빠른 응답 시간(∼76ms)으로 뛰어난 성능을 제공합니다. 기존의 압력 센서와 비교하여 개발된 유연한 압력 센서는 감지 범위(0-120kPa)가 넓습니다. 한편, 개발된 센서의 다양한 응용이 보여졌습니다. 제안된 압력 센서는 손가락 움직임을 모니터링하기 위해 웨어러블 디바이스에 적용될 수 있습니다. 또한, 저희는 제작된 센서와 통합된 유연한 센서 어레이를 시연하여 정적인 힘을 감지합니다. 동시에 제안된 압력 센서는 사람의 움직임을 모니터링하기 위한 플랜타 시스템을 만들기 위해 수행됩니다.
