Sensores de presión flexibles basados en condensadores CMAG para mapeo de presión estática y monitoreo de ondas de pulso en tiempo real de la arteria radial. a) Fotografía de una matriz de 5 × 5 píxeles con granos de arroz, soja y frijol rojo que pesen ~ 20, 158 y 219 mg, respectivamente (izquierda), y la distribución correspondiente del cambio de capacitancia normalizado en la matriz sensorial (derecha). b) Fotografía de una matriz de 5 × 5 píxeles con un centavo que pesa 3,11 g (izquierda) y la distribución correspondiente del cambio de capacitancia normalizado (derecha). c) Fotografía de un sensor de presión CMAG flexible y cómodo similar a un tatuaje. d) Fotografía del sensor de presión colocado cerca de la arteria de la muñeca. e) Monitorización de la onda de pulso en tiempo real de los sujetos humanos A y B antes y después de 3 minutos de ejercicio. f) Comparación de las formas de onda de vista ampliada del sujeto humano A antes y después de 3 minutos de ejercicio extraídas de los recuadros punteados en e que muestran información de salud importante como el índice de reflexión (RI) =(P2 / P1) × 100% y rigidez arterial índice (SI) =altura del sujeto / ∆TDVP (en unidades de m s − 1). Crédito:Huang et al.
Los sensores microscópicos que pueden detectar pequeños cambios de presión tienen numerosas aplicaciones útiles, particularmente para el desarrollo de robots y dispositivos portátiles de monitoreo de la salud. La mayoría de los sensores de presión capacitivos y basados en transistores existentes, sin embargo, tienen una serie de limitaciones, incluyendo baja sensibilidad, velocidad de respuesta lenta, alto consumo de energía y estabilidad insatisfactoria.
Investigadores de la Universidad de California y la Universidad de Hunan han propuesto recientemente una nueva estrategia para desarrollar sensores de presión altamente sensibles que podrían superar algunas de las limitaciones de los sensores de presión existentes. Su enfoque presentado en un artículo publicado en Electrónica de la naturaleza , implica la integración de una puerta de entrehierro microestructurada conductora (CMAG) con transistores semiconductores 2-D.
"Siempre me han interesado más las aplicaciones prácticas que la investigación teórica, "Yun-Chiao Huang, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo a TechXplore. "Durante mi primer año en UCLA, El profesor Duan me animó a explorar diferentes áreas y encontrar el tema que más me apasionaba. Después de leer muchos artículos, Me interesé en las aplicaciones de detección de presión y comencé a experimentar con ellas ".
Huang y sus colegas fabricaron sus sensores de presión integrando CMAG con transistores semiconductores 2-D, ya que descubrieron que este diseño mejoraba su rendimiento de detección. Esta idea se les ocurrió durante una reunión de grupo en la que Huang presentaba algunos de los hallazgos de su investigación.
"Pensamos que si podíamos crear espacios de aire microestructurados 'reales' para superar el comportamiento viscoelástico de los elastómeros de los dispositivos microestructurados convencionales e integrarlos con transistores 2-D, nuestros sensores exhibirían una mayor sensibilidad a la presión y respuestas más rápidas, ", Dijo Huang." Esto beneficiaría a una amplia gama de aplicaciones prácticas, como la detección de ondas acústicas, mapeo de presión, vigilancia de la salud, y más."
En los sensores desarrollados por los investigadores, Los CMAG crean espacios de aire microestructurados sin dar como resultado un comportamiento viscoelástico indeseable, que se observa en elastómeros dentro de dispositivos más convencionales. Esto finalmente conduce a una mayor sensibilidad, tiempos de respuesta más rápidos, bajo consumo de energía y notable estabilidad.
"Al integrar transistores semiconductores 2-D con CMAG únicos, nuestros sensores de transistores CMAG se pueden mejorar aún más para un mejor rendimiento, permitiendo una amplia gama de aplicaciones, "Dijo Huang.
En experimentos iniciales, los sensores construidos por los investigadores exhibieron una sensibilidad sintonizable y un rango de detección de presión, con una sensibilidad media de 44 kPa -1 en el régimen de 0-5 kPa y una sensibilidad máxima de hasta 770 kPa -1 . Además, cuando se utilizan las compuertas de aire como compuertas sensibles a la presión para transistores semiconductores 2-D, Huang y sus colegas pudieron aumentar aún más la sensibilidad de sus dispositivos a ~ 10 3 –10 7 kPa −1 , a un régimen de presión optimizado de ~ 1,5 kPa.
La estrategia de diseño basada en CMAG presentada por Huang y sus colegas es bastante fácil de implementar. Además, se puede aplicar al desarrollo de sensores capacitivos y basados en transistores.
Los investigadores demostraron el potencial de sus sensores de presión para una serie de aplicaciones, incluida la implementación de mapas de presión estática, la medición de las ondas del pulso humano y la detección de ondas sonoras. En el futuro, sus sensores altamente sensibles podrían usarse para desarrollar robots con capacidades de detección más avanzadas, dispositivos portátiles para controlar la salud de los pacientes a lo largo del tiempo, y varias otras herramientas tecnológicas.
"Ojalá, el concepto de CMAG allanará el camino para un nuevo tipo de sensores de presión, ", Dijo Huang." Ahora estamos trabajando en matrices sensoriales de presión conformadas / flexibles basadas en el concepto de CMAG, que habilitará la interfaz hombre-máquina y aplicaciones relacionadas. Esperamos poder mostrar más de nuestro trabajo en el futuro ".
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