Capteur de pression à haute sensibilité et à large plage de linéarité basé sur la hiérarchie

npj Flexible Electronics volume 6, Numéro d'article : 62 (2022) Citer cet article

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Les capteurs de pression piézorésistifs flexibles à haute sensibilité sur une large plage de linéarité ont attiré énormément d'attention pour leurs applications dans la surveillance de la santé, l'intelligence artificielle et les interfaces homme-machine. Nous rapportons ici un capteur piézorésistif poreux de remplissage in situ hiérarchique (HPPS) par impression directe à l'encre (DIW) et durcissement d'une émulsion de nanofibres de carbone (CNF)/polydiméthylsiloxane (PDMS). La géométrie hiérarchique augmente considérablement la zone de contact, répartit les contraintes sur le réseau multicouche et la structure poreuse interne, ce qui se traduit par une large plage de détection. De plus, contrairement à la structure poreuse creuse conventionnelle, la structure poreuse de remplissage in situ des réseaux CNF génère plus de sites de contact et de voies conductrices pendant la compression, atteignant ainsi une sensibilité et une linéarité élevées sur toute la plage de détection. Par conséquent, le HPPS optimisé atteint une sensibilité élevée (4,7 kPa−1) et une linéarité (coefficient de détermination, R2 = 0,998) sur une large plage (0,03–1000 kPa), ainsi qu'un temps de réponse et une répétabilité remarquables. En outre, les applications dans divers scénarios de pression et surveillance des soins de santé sont démontrées.

Les capteurs de pression flexible avec la capacité de transduire des informations tactiles dans les signaux électriques ont attiré une grande attention en raison de leurs applications prometteuses dans la surveillance de la santé1,2,3,4,5, l'intelligence artificielle6,7, les interfaces humaines-machine8,9,10, robotique11,12, etc. En règle piézoélectrique17,18 et triboélectrique19,20. Parmi ces capteurs de pression, les capteurs piézorésistifs qui transfèrent les informations mécaniques en variation de résistance, présentent de multiples avantages, notamment une faible consommation d'énergie, la facilité d'assemblage de l'appareil et une acquisition simple du signal, etc. Cependant, la plupart des capteurs de pression piézorésistifs publiés souffrent d'une faible sensibilité ou d'une mauvaise linéarité sur une large plage. Pour un déploiement généralisé des capteurs de pression dans davantage de scénarios d'application, les capteurs de pression idéaux nécessitent une sensibilité élevée et une linéarité élevée sur une large plage de détection.

Récemment, plusieurs stratégies pour améliorer la sensibilité et la linéarité ont été rapportées. La préparation de géométries de nanostructure ou de microstructure (telles que les rides21, les micropyramides22, les microdômes23, les micropiliers24, la structure de verrouillage25, etc.26,27) sur le substrat flexible peut améliorer considérablement la sensibilité en raison du faible courant initial et de la grande déformabilité sous faible contrainte. Par exemple, Tao et al.28 ont rapporté un capteur de pression piézorésistif à base de microdôme emboîtable avec une sensibilité élevée de 53 kPa-1 et une plage de pression de 58,4 à 960 Pa. Alors que la microstructure rapidement saturée entre en contact avec les sites pendant la compression, la sensibilité élevée et la réponse linéaire ne sont valables que dans une plage de détection faible (<10 kPa). Pour étendre la plage de détection linéaire, l'introduction d'une structure poreuse s'est avérée être un moyen efficace en raison de la compressibilité élevée et de la génération considérable de voies conductrices lors de la compression. Seunghwan et al.29 ont développé un capteur en éponge poreuse avec une sensibilité de 0,01 à 0,02 kPa−1 dans une large plage de détection de 10 Pa à 1,2 MPa. Néanmoins, les pores augmentent la distance entre les charges conductrices qui empêchent le contact des charges conductrices et la génération de voies conductrices. Ainsi, la plupart des capteurs de pression poreux présentent une faible sensibilité (<1 kPa-1) sur une large plage. Quelques études ont proposé la structure hiérarchique multicouche ou multiéchelle avec une amélioration à la fois de la sensibilité et de la plage de détection linéaire. Par exemple, Youngoh Lee et al.30 ont fabriqué un capteur tactile avec une géométrie de microdôme multicouche imbriquée qui présentait une sensibilité élevée de 47,7 kPa-1 sur la plage de 0,0013 à 353 kPa. Cependant, la plage de détection linéaire des capteurs n'est toujours pas suffisante. Par conséquent, il est nécessaire de fabriquer un capteur de pression hautes performances (par exemple, une réponse linéaire avec une sensibilité élevée supérieure à 1 kPa-1 sur la plage allant jusqu'à 1 MPa) de manière simple et économique.

Ici, nous proposons une structure poreuse de remplissage in situ hiérarchique en tant que couche de détection fabriquée par impression DIW et durcissement de l'émulsion CNFs/PDMS. La géométrie hiérarchique augmente la variation de la zone de contact et distribue la contrainte appliquée à la structure en treillis multicouche et à la structure poreuse interne. Une structure Face-Centered Tetragonal (FCT) est conçue avec la compressibilité la plus élevée par rapport aux autres types de structures en treillis, permettant une large plage de détection et une sensibilité élevée.

La structure poreuse de remplissage in situ des CNF a une morphologie et des principes de fonctionnement très différents de la structure poreuse conventionnelle, ce qui a conduit à une meilleure performance de détection de la structure poreuse de remplissage in situ. Pour les structures poreuses conventionnelles fabriquées par des gabarits durs ou une méthode de moussage au gaz29, les charges conductrices sont séparées et exclues par les gabarits durs ou le procédé de moussage, ce qui fait que la charge conductrice n'est dispersée qu'au bord des pores. Le grand espace des pores gêne le contact des charges conductrices dispersées sur les bords des pores, ce qui entraîne la génération de moins de chemins conducteurs. La structure poreuse de remplissage in situ est formée par la solidification des CNF/PDMS et l'évaporation de l'eau émulsifiée, tandis que les CNF dispersés dans l'eau émulsifiée restent à l'intérieur des pores, formant des réseaux de CNF intégrés dans les pores. Le remplissage in situ des réseaux CNF dans la structure poreuse augmente considérablement les sites de contact du matériau conducteur et la génération de voies conductrices pendant la compression, ce qui permet d'obtenir une sensibilité élevée et une linéarité élevée.

Sur la base d'une telle géométrie hiérarchique et d'une structure poreuse de remplissage in situ de CNF secondaires, le HPPS atteint simultanément une sensibilité élevée (4, 7 kPa-1) et une linéarité élevée (R2 = 0, 998) sur une large plage (0, 03 à 1 000 kPa). La haute sensibilité et la linéarité permettent au capteur de pression d'avoir une résolution haute pression. Par conséquent, le capteur est capable de détecter un changement de basse pression (10 kPa) sous une pré-compression élevée de 643 kPa. Les HPPS sont utilisés pour détecter divers stimuli allant de la basse pression, comme la détection du pouls, la reconnaissance vocale, à la pression élevée, comme le mouvement du pied humain, la détection de la pression des pneus. La démonstration de légers changements de pression lors d'une pré-compression importante a indiqué que nos capteurs de pression ont une résolution à haute pression. De plus, un réseau de capteurs de semelle intérieure intelligents comprenant 5 capteurs situés dans différentes positions est utilisé pour la détection de la pression plantaire afin de diagnostiquer les maladies du pied et la détection de la biomécanique sportive. Avec les performances de détection remarquables, nous envisageons que la structure poreuse de remplissage in situ hiérarchique puisse fournir une stratégie de conception prometteuse pour fabriquer des dispositifs portables hautes performances pour des applications dans la surveillance de la santé, l'intelligence artificielle, les interfaces homme-machine, la robotique, etc.11,12

Le processus de fabrication de la structure poreuse de remplissage in situ hiérarchique par la technique d'impression DIW est illustré à la Fig. 1. Tout d'abord, l'émulsion PDMS a été préparée en ajoutant la solution aqueuse avec la concentration de chlorure de calcium de 3, 5% en poids goutte à goutte dans le mélange liquide PDMS / Paraffine via une pompe à seringue (Fig. 1a). Après une agitation mécanique vigoureuse, les gouttelettes d'eau émulsifiées sont uniformément réparties dans le mélange pour former une émulsion crémeuse PDMS-eau, comme le montrent les images au microscope optique de la figure 1a. Deuxièmement, les CNF ont été ajoutés dans l'émulsion de PDMS. En raison des mobilités et des propriétés de confinement de l'eau émulsifiée, les CNF ajoutés peuvent se disperser dans l'eau émulsifiée, la matrice PDMS et les interfaces PDMS-eau, comme présenté à la Fig. 1b. La photographie de l'émulsion PDMS et de l'émulsion CNF / PDMS est présentée dans les Fig. 1a et b supplémentaires, respectivement. De plus, l'émulsion CNFs / PDMS avec un comportement d'amincissement par cisaillement élevé et un module de stockage élevé est bénéfique pour l'extrusion et la préservation de la structure de réseau 3D autonome, comme interprété dans les Fig. 2a et b supplémentaires, respectivement. Ainsi, l'émulsion CNFs / PDMS peut être extrudée uniformément et en continu à partir de la buse et empilée couche par couche pour construire une structure en treillis 3D (Fig. 1c). De plus, les échantillons avec différentes structures de réseau 3D peuvent être imprimés en continu par la technique DIW (dans la Fig. 3 supplémentaire). Ensuite, la structure de réseau d'émulsion CNFs / PDMS imprimée est chauffée à 110 ° C pour que le PDMS durcisse complètement et que l'eau émulsifiée s'évapore, ce qui entraîne la formation d'une structure poreuse de remplissage hiérarchique in situ avec les réseaux CNFs intégrés dans le poreux interne, comme illustré à la Fig. 1d. La structure de réseau CNFs/PDMS durcie doit être lavée deux fois dans du n-hexane et de l'éthanol, respectivement, puis séchée à 110 ° C pendant 2 h pour éliminer l'huile de paraffine afin d'éviter la dégradation des performances de détection. (Fig. 4 supplémentaire). Une fois la paraffine retirée, la couche poreuse de remplissage hiérarchique in situ est bien préparée. Pendant ce temps, la couche poreuse préparée montre une bonne capacité de flexion (Fig. 5 supplémentaire). L'image de microscopie électronique à balayage (SEM) de la tige dans la structure en treillis est illustrée à la Fig. 6a supplémentaire. Au fur et à mesure que l'eau émulsifiée incorporée aux CNF s'évapore, les réseaux de CNF restent dans les pores internes, ce qui peut être vu sur les images SEM en coupe de la tige (Fig.1e, f). La figure 1e montre la vue en coupe transversale de la couche de détection poreuse de remplissage hiérarchique in situ constituée de multicouches de tiges de réseau avec une distance d'environ 500 μm entre chaque tige. Sur la surface en coupe d'une seule tige de treillis (Fig. 1f), la structure poreuse interne d'un diamètre de 5 à 10 μm se répartit uniformément dans la tige de treillis. Le petit écart d'environ 1 μm parmi les réseaux de CNF intégrés est observé dans une structure à un seul pore (images en médaillon de la Fig. 1f). De plus, l'image SEM de la Fig. 6b supplémentaire montre que certains réseaux CNF existent également dans la matrice PDMS. Avec les avantages de la technique DIW, les structures en treillis fabriquées sur mesure avec différentes tailles (1 × 1 cm2 et 2,5 × 2,5 cm2) sont illustrées à la Fig. 1h, respectivement. Le schéma de principe de l'ensemble HPPS assemblé est illustré à la Fig. 1g, dans laquelle la structure poreuse de remplissage hiérarchique in situ servant de couche de détection et le ruban de tissu Ni (Fig. 7 supplémentaire) et le film d'électrofilage de polyuréthanes thermoplastiques (TPU) (Fig. 8 supplémentaire) agissent respectivement comme électrodes et couches protectrices. L'image optique du HPPS assemblé est illustrée à la Fig. 1i.

Schéma de principe et images au microscope d'une émulsion PDMS, b émulsion CNFs/PDMS (barre d'échelle : 20 µm). c Schéma de principe et image optique d'une structure poreuse de remplissage in situ hiérarchique par impression DIW (barre d'échelle : 1 cm). d Schéma de principe d'une structure poreuse de remplissage hiérarchique in situ. e Image SEM en coupe de la structure en treillis multicouche (barre d'échelle : 200 µm). f Image SEM en coupe de la structure poreuse interne dans une seule tige de réseau (barre d'échelle : 200 µm). Image MEB à fort grossissement en médaillon des réseaux de CNF intégrés dans une structure à un seul pore (barre d'échelle : 5 µm). g Structure schématique du HPPS. h Image optique d'une structure poreuse remplissant hiérarchiquement in situ avec différentes tailles. i Image optique de HPPS.

Pour développer les paramètres de préparation optimaux pour la couche de détection, l'influence de la porosité, le rapport de masse des CNF, les types de structure et les nombres de couches de détection empilés sont étudiés en profondeur, respectivement. Ici, lorsqu'une des variables est étudiée, les autres restent inchangées. Et la sensibilité à la pression (S) est définie comme S = (ΔI/I0)/ΔP, où ΔI représente le changement de courant du capteur, I0 représente le courant sans pression et ΔP représente la pression appliquée. La configuration de l'expérience pour détecter le changement de courant du capteur est schématiquement illustrée à la Fig. 9 supplémentaire.

Tout d'abord, quatre types de couches de détection avec le même volume de contour étendu ont été préparés et étudiés, comme illustré à la Fig. 2a, à la Fig. Comme nous le savons tous, une compression plus élevée génère plus de voies conductrices dans les couches de détection. Ainsi, la structure poreuse formée par la méthode du modèle d'émulsion a une compressibilité plus élevée sous la même pression. Pour la structure en treillis, l'écart à grande échelle entre les tiges de treillis produites par DIW offre également une compressibilité plus élevée. Ici, l'effet synergique de la structure poreuse interne et en treillis confère à la structure la compressibilité la plus élevée parmi elles, ce qui se traduit par la sensibilité la plus élevée de 2,4 kPa−1 avec une linéarité élevée (R2 = 0,993). Notez que pour l'effet de la composition de l'eau et des CNF, et des types de structure, les nombres de couches sont fixés à quatre car les structures à quatre couches possèdent les meilleures performances de détection par rapport aux structures à autres couches. La raison pour laquelle la structure à quatre couches a les meilleures performances de détection est expliquée en détail dans les Fig. 12, Fig. 13, Fig. 14 et Tableau 2 supplémentaires.

a Réponse en courant et sensibilité de 1 % en poids de CNF, capteur de pression à 60 % de porosité avec différentes structures géométriques (solide, poreux, treillis, treillis avec poreux). Réponse actuelle et sensibilité du capteur de pression SC à quatre couches avec un rapport de masse différent de l'eau b (c) CNF. d Réponse en courant et sensibilité de 1 % en poids de CNF, capteur de pression à 60 % de porosité avec différentes structures de réseau (PS, SC et FCT).

Deuxièmement, l'effet de la composition de l'eau sur les performances de détection est bien étudié sur la figure 2b. Sur la base des études précédentes et des expériences comparatives (tableau supplémentaire 3) sur l'effet des quantités d'eau émulsifiée sur la porosité, la porosité pourrait être simplement ajustée en faisant varier le rapport massique de l'eau dans le système d'émulsion31,32. La porosité augmente avec l'augmentation de la teneur en eau émulsionnée. La porosité est caractérisée par la méthode de la différence de masse (voir la section expérimentale pour plus de détails). Comme le montre la figure 2b, la structure à porosité plus élevée présente une sensibilité plus élevée. Comparé aux capteurs avec une porosité de 33 % et 47 %, le capteur de pression avec une porosité de 60 % présente une sensibilité (3,2 kPa−1) et une linéarité (R2 = 0,998) améliorées dans la plage de 0 à 750 kPa. En effet, la structure de porosité plus élevée avec le module jeune inférieur est plus compressible sous la même pression. Ainsi, une pression subtile déformerait largement la structure et créerait des voies plus conductrices dans la structure à haute porosité.

Troisièmement, le contenu des CNF a également un effet observable sur les capteurs. Ainsi, les capteurs avec le rapport de masse CNFs allant de 0,6 % en poids à 1,2 % en poids sont préparés et son influence sur la sensibilité est étudiée sur la Fig. 2c. Pour les capteurs préparés avec la quantité de CNF de 0,6 % en poids à 1 % en poids, la sensibilité s'est progressivement améliorée. Le rapport massique accru des charges conductrices peut construire des voies plus conductrices lorsqu'elles sont appliquées avec la même pression, ce qui se traduit par une sensibilité plus élevée. Cependant, des CNF excessifs réduisent considérablement la résistance dans l'état d'origine (I0), ce qui entraîne une diminution des variations de courant relatives. En conséquence, la sensibilité du capteur avec 1,2 % en poids de CNF est inférieure à celle du capteur avec 1 % en poids de CNF.

Enfin, trois structures de réseau différentes : cubique simple (SC), empilé parallèle (PS) et FCT33 sont simplement fabriquées via DIW sur la base du modèle structurel conçu. Toutes les structures en treillis sont fabriquées avec la même quantité d'émulsion. Les schémas de conception des structures SC, PS et FCT sont illustrés à la Fig. 15 supplémentaire, respectivement. Les sensibilités et la simulation de compression sont illustrées à la Fig. 2d. Avec la teneur optimale en eau et en CNF, la structure FCT présente les sensibilités les plus élevées parmi celles-ci. La sensibilité différente de trois structures en treillis résulte du degré de déformabilité de la structure en treillis. Ensuite, l'analyse par éléments finis (FEA) est effectuée pour analyser la déformation et la répartition des contraintes de trois structures en treillis sont illustrées dans les figures supplémentaires. 16 et 17 et Vidéo 1, respectivement. Dans les résultats de la simulation, la structure PS a le plus petit déplacement (ΔL = 148 μm) et la structure FCT a le plus grand déplacement (ΔL = 508 μm). Le résultat de la simulation est cohérent avec le résultat de l'expérience. Comparée aux structures PS et SC, la structure FCT subit une déformation dominante fournie par la compression des tiges décalées plutôt que de comprimer les tiges alignées verticalement dans la structure PS et SC. Ainsi, la contrainte est répartie de manière homogène dans les sites de contact de chaque couche d'empilement perpendiculaire. En bref, sur la base de l'optimisation ci-dessus du HPPS, il est déterminé que 60 % en poids d'eau, 1 % en poids de CNF, quatre couches et la structure en treillis FCT sont les conditions de préparation optimales.

Les performances de détection du HPPS dans différentes conditions de pressage sont étudiées. L'effet synergique du remplissage in situ de la structure poreuse interne et de la structure en treillis permet au capteur d'avoir une sensibilité élevée et une linéarité élevée sur une large plage de détection de pression. Comme le montre la figure 3a, le HPPS préparé avec la condition optimisée (1 % en poids de CNF, 60 % en poids d'eau avec structure FCT) atteint une sensibilité élevée de 4,7 kPa-1 et une linéarité élevée avec le coefficient de corrélation de 0,998 dans la large pression allant de 0,032 à 1000 kPa. En comparaison avec les capteurs de pression piézorésistifs précédemment rapportés sur la Fig. 3b15,28,30,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50,51,52, notre HPPS présente une sensibilité élevée et une large gamme de pression de linéarité. Le HPPS présente une faible limitation de détection de 32 Pa, comme le montre la Fig. 18 supplémentaire. La vitesse de réponse dynamique du capteur est mesurée en appuyant soudainement avec une force de 17 kPa suivie d'un relâchement rapide. Les temps de réponse et de relaxation sont respectivement de 24 ms et 15 ms (Fig. 3c), ce qui est comparable au temps de réponse de la peau humaine (30 à 50 ms)12. Les courbes courant-tension (I – V) du capteur de pression de -3 V à 3 V sous différentes pressions affichent une relation linéaire, indiquant que le HPPS possède les caractéristiques de contact ohmique (Fig. 3d). Lorsque la pression augmente de 0 à 600 kPa, la résistance diminue considérablement. Le changement de courant relatif du capteur sous six cycles de chargement/déchargement de pression incrémentiels est mesuré pour étudier les performances de détection de pression dynamique (Fig. 3e). Le capteur de pression présente un signal stable et une réponse transitoire au processus de chargement/déchargement cyclique, indiquant que le capteur de pression est capable de fonctionner de manière stable dans une large plage. L'effet de la fréquence de chargement doit également être pris en compte pour évaluer la stabilité des performances de détection de pression dynamique. Comme le montre la figure 3f, le changement de courant relatif ne présente aucune dépendance à la fréquence ni aucun retard sous une pression constante de 100 kPa avec une fréquence de 0,2 à 5 Hz. La haute sensibilité et la haute linéarité sous une large plage de pression permettent au capteur de pression d'avoir une résolution haute pression. Le capteur de pression pourrait détecter le léger changement de pression sous une pré-compression élevée. La figure 3g représente le changement synchrone du courant et de la pression. Au début, le capteur est compressé à 643 kPa comme référence P0, puis les légères pressions incrémentielles (10 kPa, 21 kPa et 32 kPa) ont été ajoutées en séquence. Les résultats montrent que le capteur a la capacité de différencier la légère pression incrémentale sous une grande pré-compression. Comme illustré sur la figure 3h, le capteur de pression présente une reproductibilité et une durabilité élevées sous la pression de 28 kPa, 50 kPa et 200 kPa pendant 35 000 cycles, respectivement. Dans la figure en médaillon, le signal montre qu'il n'y a pas de changement d'amplitude évident dans le test de cycle. Pour étudier la reproductibilité du capteur de pression, les études de la barre d'erreur en termes de plage de pression et de sensibilité ont été menées en mesurant huit capteurs dans la Fig. 19 supplémentaire et le tableau supplémentaire 4. Les huit capteurs ont des valeurs de sensibilité très proches sur une large plage de détection de 1 MPa. De plus, les huit capteurs présentent une linéarité très élevée. Il n'y a pas d'écart significatif de sensibilité et de linéarité, ce qui implique la bonne reproductibilité du capteur de pression.

a Changement de courant relatif basé sur la couche de détection optimisée sous différentes pressions (0,032 kPa–1000 kPa). b Comparaison de la sensibilité de notre capteur de pression avec d'autres littératures rapportées. c Temps de réponse et de récupération du HPPS sous la pression de 17 kPa. d Courbes courant-tension du HPPS sous différentes pressions. e Réponse dynamique du HPPS sous des cycles de chargement/déchargement de basse pression à haute pression. f Réponse dynamique du HPPS sous 100 kPa à différentes fréquences. g Détection d'une infime pression sous pré-compression de 643 kPa. h Performances de répétabilité du HPPS sur 35 000 cycles de chargement/déchargement sous une pression de 28 kPa, 50 kPa et 200 kPa respectivement.

L'effet synergique de la structure multicouche et de la structure poreuse de remplissage in situ hiérarchique permet au capteur de pression d'avoir une sensibilité élevée et une linéarité élevée sur une large plage de pression. Afin de comprendre les mécanismes de détection haute performance du HPPS, un test de compression micromécanique et une imagerie SEM in situ sont effectués. Pour toutes les images SEM suivantes, la direction de compression est verticale (de haut en bas). La figure 4a–i visualise les vues en coupe de l'évolution de la structure à 0 %, 26 % et 63 % de compression à différentes échelles. L'illustration schématique du mécanisme de détection détaillé est illustrée à la Fig. 4j – m et à la Fig. 20 supplémentaire.

Images SEM en coupe de la structure du réseau à l'état d'origine, b compression de 26 %, c compression de 63 % (barre d'échelle : 300 µm). Images SEM en coupe de la structure poreuse à l'état d'origine, e compression de 26 %, f compression de 63 % (barre d'échelle : 100 µm). Images SEM en coupe transversale des réseaux de CNF enrobés dans un seul pore à g état d'origine, compression h de 26 %, compression i de 63 % (barre d'échelle : 10 μm ; barre d'échelle de l'image en médaillon : 3 μm). Illustration schématique et schéma de circuit du mécanisme de détection du HPPS sous j petite compression, k compression moyenne, l grande compression. m Un petit changement de pression sous une grande précharge est utilisé pour illustrer les performances de résolution à haute pression.

La Fig. 21 supplémentaire visualise l'interface entre la couche de détection et les électrodes de Ni. La microstructure textile ondulée des électrodes Ni forme moins de points de contact initiaux avec la couche de détection, ce qui se traduit par une résistance de contact élevée à l'état déchargé. Les figures 4a, d, g et j illustrent la morphologie du réseau multicouche et de la structure poreuse de remplissage in situ hiérarchique avant compression. L'espace entre les couches empilées rend la structure en treillis hautement compressible (Fig. 4a). La structure poreuse de remplissage in situ formée par la méthode du modèle d'émulsion se traduit par des réseaux de CNF existant dans la matrice PDMS, sur l'interface et intégrés dans les pores (Fig. 4d et g). Cela pourrait créer plus de sites de contact entre les réseaux CNF pendant la compression, ce qui se traduirait par une sensibilité élevée sur la plage de détection.

À très faible compression (Fig. 21 supplémentaire), la zone de contact (ligne orange) entre les électrodes Ni et la couche de détection augmente considérablement, ce qui entraîne une diminution de la résistance de contact dans la plage de basse pression. De plus, les pores internes se compriment légèrement et les réseaux de CNF intégrés dans la structure poreuse se touchent légèrement, générant des voies conductrices qui augmentent le courant. Une expérience de comparaison (Fig. 22 supplémentaire) des effets de l'électrode à microstructure textile ondulée et de l'électrode plate en Cu sur les performances de détection à basse pression est menée pour prouver que les électrodes Ni peuvent améliorer les performances de détection dans la plage de basse pression. De plus, il n'y a pas d'écart significatif de sensibilité entre la plage basse pression (4,64 kPa-1, <500 Pa) et la plage haute pression (4,7 kPa-1, <1 MPa), ce qui confirme encore la haute sensibilité et la linéarité sur toute la plage de détection.

À 26 % de compression (Fig. 4b, e, h et k), les tiges du réseau se déforment et entrent partiellement en contact les unes avec les autres pour créer des voies plus conductrices. Par rapport à la structure monocouche, la structure multicouche présente un changement de zone de contact plus important et une répartition efficace des contraintes, générant ainsi davantage de voies conductrices pendant la compression30,53. Ceci est également vérifié dans le test de sensibilité de différentes couches dans la Fig. 12 supplémentaire. Dans les images SEM à fort grossissement des Fig. 4e et h, les pores internes (ligne pointillée rouge, ligne pointillée jaune) commencent à rétrécir et les réseaux CNF intégrés dans la structure poreuse se contactent pour créer des voies plus conductrices. L'introduction de la structure poreuse de remplissage in situ améliore encore la sensibilité et la linéarité. Cela peut être prouvé par les résultats de la figure 2a, où la sensibilité de la structure en treillis avec une structure poreuse interne est supérieure à celle de la structure en treillis sans elle.

Ici, une illustration schématique de la Fig. 20 supplémentaire est utilisée pour interpréter le mécanisme haute performance de la structure poreuse de remplissage in situ par rapport à d'autres types de structure poreuse creuse conventionnelle. La supériorité de notre structure poreuse de remplissage in situ par rapport aux structures poreuses conventionnelles est causée par différentes morphologies et différents principes de fonctionnement. Pour les structures poreuses conventionnelles qui sont généralement fabriquées par des modèles durs (comme le sucre, le sel et d'autres modèles de particules solides) ou la méthode de moussage au gaz, les charges conductrices sont séparées et exclues par les modèles durs ou le processus de moussage. Il en résulte que la charge conductrice ne peut être dispersée qu'au bord des pores. Lorsqu'il est appliqué avec un léger changement de pression, le grand espace des pores empêche le contact des charges conductrices dispersées au bord des pores, ce qui se traduit par la plupart des chemins conducteurs générés uniquement dans l'élastomère. Par conséquent, pour les capteurs poreux conventionnels, le changement de résistance est relativement faible sur toute la plage de détection. Pour notre structure poreuse de remplissage in situ fabriquée par la méthode du modèle d'émulsion souple, les CNF peuvent se disperser à l'intérieur du modèle souple lorsqu'ils sont mélangés à l'émulsion PDMS. Ensuite, pendant le processus de durcissement à haute température, l'eau émulsifiée s'évapore, tandis que les CNF dispersés dans l'eau émulsifiée restent à l'intérieur des pores, formant des réseaux de CNF intégrés dans les pores. Cela a conduit les charges conductrices non seulement à se fixer au bord des pores, mais également à remplir in situ les pores. Lorsqu'un léger changement de pression est appliqué, les réseaux CNF intégrés dans la structure poreuse interne peuvent facilement se contacter pour générer des voies conductrices autonomes dans les pores internes. De plus, les réseaux CNF pourraient également servir de «pont» pour connecter la charge conductrice séparée dispersée sur les bords des pores pour former des voies plus conductrices. Ce résultat dans le chemin conducteur pourrait générer dans l'élastomère, les pores et l'interface élastomère-pores. Par conséquent, un changement de résistance plus significatif peut être induit sur toute la plage de détection. Une comparaison des performances de détection du capteur poreux de remplissage in situ avec un capteur poreux conventionnel avec la même porosité et le même rapport de CNF est effectuée pour prouver davantage la supériorité de la structure poreuse de remplissage in situ sur la structure poreuse conventionnelle (Fig. 23 supplémentaire).

À 63 % de compression (Fig. 4c, f, i et l), la déformation supplémentaire et le contact étroit des tiges de réseau généreront davantage de voies conductrices et réduiront la résistance. Dans les images SEM à fort grossissement des Fig. 4f et i, les pores se rétrécissent davantage et les réseaux de CNF intégrés dans une structure poreuse sont comprimés pour former des voies plus conductrices. Pendant tout le processus de compression, des voies conductrices sont générées en continu en raison du contact progressif des réseaux de CNF de remplissage in situ à l'échelle microscopique et de la déformation et du contact des tiges du réseau à l'échelle macroscopique.

On peut observer à partir des Fig. 4i et m, même à une forte compression de 63%, qu'il existe encore des écarts à l'échelle nanométrique entre chaque nanofibre de carbone en raison des caractéristiques de maillage des réseaux CNF. Ainsi, lors d'une énorme pré-compression, un léger changement de pression pourrait encore induire la génération de voies conductrices dans les réseaux de CNF à l'échelle nanométrique. Ceci peut être démontré par le résultat de la Fig. 3g.

La résistance totale du HPPS est exprimée en termes de somme de la résistance du matériau de détection (Rp, Rf) et de la résistance de contact (Rc, Rl). En théorie, la résistance totale s'exprime comme suit Eq. (1):

où Rc désigne la résistance de contact entre la couche de détection et l'électrode, Rl désigne la résistance de contact entre la tige de réseau verrouillée voisine, Rp désigne la résistance des voies conductrices générées dans la matrice PDMS et Rf désigne la résistance des voies autonomes générées à l'intérieur de la structure poreuse.

En raison de la sensibilité élevée et de la linéarité élevée sur une large plage, le capteur de pression peut être utilisé dans diverses applications. Comme le montre la Fig. 24 supplémentaire, différentes légères pressions sont détectées et distinguées pour vérifier la haute sensibilité et la résolution haute pression du HPPS. Afin de détecter la légère pression, du ruban adhésif est utilisé pour fixer fermement le capteur sur la table. Le poids des objets légers d'un grain de riz (0,022 g) à une minuscule vis (0,7 g) est détecté et distingué en fonction de la différence de changement de courant. En raison de sa haute sensibilité, le capteur peut être utilisé pour détecter la période et la forme d'onde du pouls du poignet en temps réel lorsqu'il est attaché à la peau du poignet par le ruban médical (Fig. 5a). Comme illustré sur la figure 5a, le pouls artériel peut être lu avec précision dans des conditions normales (66 battements par minute) et après l'exercice (108 battements par minute). Pendant ce temps, chaque impulsion périodique avec trois pics caractéristiques distincts peut être reconnue avec précision dans les deux états : onde de percussion (P), onde de marée (T) et onde diastolique (D). Cela suggère que le HPPS pourrait potentiellement s'appliquer à la surveillance des soins de santé et au diagnostic des maladies. Ensuite, le capteur de pression est utilisé pour reconnaître différentes voix (Fig. 25 supplémentaire). Comme le montre l'encart, le capteur est fixé sur la gorge pour détecter la vibration subtile lorsque le volontaire parle. Les mots « bon » et « matin » correspondent aux caractéristiques du modèle de changement actuel, indiquant que le capteur est capable de distinguer différentes voix. Le mot « bon » est répété cinq fois pour démontrer sa répétabilité. De plus, l'angle de flexion des doigts pourrait également être mesuré avec précision (Fig. 5b, Fig. 26 supplémentaire et Vidéo 2). Lorsque l'angle de flexion du doigt change progressivement, le changement de courant présente une augmentation progressive. Le changement actuel reste constant lorsque le doigt maintient un certain angle, et il revient à la valeur d'origine lorsque le doigt revient à la position d'origine. Comme le montrent la Fig. 5c et la Vidéo supplémentaire 3, le capteur de pression est fixé sur la semelle pour détecter les différents états de mouvement. Différents mouvements, y compris la marche, la marche rapide, la course et le saut, peuvent être distingués en fonction de la netteté, de la fréquence et de l'intensité du signal sur la figure 5c. Le capteur peut être utilisé pour mesurer la pression des pneus pendant la conduite d'un vélo, comme illustré sur la figure 5d. Lorsque vous roulez à vélo avec des pneus gonflés, les pneus génèrent une forte pression sur le capteur, ce qui se traduit par un signal de courant important. Lorsque le pneu est à sec, la surface de contact du pneu avec le sol devient plus grande, ce qui entraîne une diminution de la pression du pneu sur le capteur. Des capteurs à large portée peuvent potentiellement être appliqués à la perception tactile des interfaces homme-machine pour détecter de petites pressions telles que souffler, toucher, puis des pressions plus importantes telles que poignarder et fracasser (Fig. 27 supplémentaire). De plus, le capteur de pression est utilisé comme balance électronique pour vérifier la sensibilité linéaire à haute pression, comme illustré sur la figure 5e. La plaque PET carrée est placée sur le dessus du capteur pour supporter le poids, et quatre petites colonnes sont situées aux quatre coins pour stabiliser le PET. Lorsque trois poids supplémentaires (20 g, 40 g, 60 g) ont été chargés séquentiellement sous des poids de préchargement de 0 kg et 3 kg, les changements de courant pour chaque augmentation de masse de 20 g dans les deux cas présentent la même valeur, indiquant la bonne linéarité du capteur de pression sous haute pression.

un HPPS attaché au poignet pour surveiller le pouls du poignet d'une personne en bonne santé avant et après l'exercice, et le signal de pouls unique agrandi contient des pics caractéristiques : onde P, onde T et onde D. b Surveillance de la flexion des doigts avec différents angles. c Enregistrement en temps réel des mouvements humains, y compris la marche, la marche rapide, la course et le saut. d Mesurer la pression des pneus en faisant du vélo. e Mesurer les trois changements de poids de 20 g en séquence sous les poids de précharge de 0 et 3 kg. f Mesurer le petit changement de pression d'une bouteille d'eau sous la précharge d'un poids humain. Mesurer le changement de pression de ga humain et ha boîte d'eau sous la précharge d'un poids de voiture.

Surtout, le HPPS a un grand potentiel pour détecter la petite presse incrémentale sous une grande pré-compression. Sur la Fig. 5f – h, un capteur de pression de 2,5 × 2,5 cm2 est utilisé pour démontrer les caractéristiques de résolution à haute pression dans une large plage de pression. Comme le montre la figure 5f, un homme de 80 kg se tient debout avec un pied sur le capteur de pression, puis une bouteille d'eau (~ 550 g) a été placée sur sa main. L'ensemble du processus, y compris le léger changement de pression dû à l'ajout d'une bouteille d'eau, peut être détecté par le changement de courant. De plus, dans une autre expérience (Fig. 5g et Vidéo supplémentaire 4), la roue avant d'une voiture (1700 kg) est d'abord pressée sur le capteur en pré-compression. Lorsqu'un homme (80 kg) monte dans la voiture, l'augmentation de la pression entraîne une augmentation progressive du changement de courant. Lorsque la voiture quitte le capteur de pression, le signal revient instantanément à son état d'origine. Comme le montrent la Fig. 5h et la Vidéo supplémentaire 5, un objet plus léger (une boîte d'eau en bouteille, 6 kg) est placé sur la voiture. L'ensemble du processus, y compris le changement de poids d'une boîte d'eau en bouteille, pourrait être enregistré avec précision grâce au changement de signal évident. Les oscillations du signal (marquées d'un cercle rouge) en médaillon de la Fig. 5g, h indiquent la légère vibration et le mouvement pendant qu'un homme et une boîte d'eau sont chargés sur la voiture.

La surveillance de la distribution de la pression plantaire est d'une grande importance dans la prévention et le diagnostic des maladies podiatriques, la prévention des blessures, l'analyse de la marche et la biomécanique sportive, etc.30,54. Par exemple, une démarche et une posture de marche anormales peuvent entraîner une pression locale excessive dans certaines zones du pied, ce qui peut entraîner diverses maladies telles que la fasciite plantaire, les ulcères du pied diabétique, etc.55,56. La démarche anormale typique, y compris la supination et la pronation, est illustrée dans les images en médaillon de la Fig. 6d, e. À l'exception de la supination et de la pronation congénitales, certains cas acquis résultent du port de chaussures inadaptées, d'un surpoids, d'une carence en calcium ou de mauvaises habitudes de marche. Pour la supination et la pronation acquises, il est difficile de prévenir et de diagnostiquer la maladie à un stade précoce57.

a Image optique du réseau HPPS sur la semelle intérieure intelligente et anatomie correspondante dans l'illustration schématique du pied humain. b Évolution de la cartographie de distribution de pression au cours du processus de veille dynamique. Variations de courant enregistrées en temps réel et pression calculée correspondante des cinq capteurs pour détecter la posture de marche de trois personnes différentes avec (c) démarche neutre (d) démarche de supination (e) démarche de pronation, respectivement. Variations de courant enregistrées en temps réel et pression calculée correspondante des cinq capteurs pour reconnaître la biomécanique sportive de (f) Course à pied (g) Debout sur la pointe des pieds (h) Accroupi, respectivement.

Ici, notre capteur de pression très sensible sur une large plage est capable de détecter avec précision la distribution de la pression plantaire, qui peut être utilisée pour diagnostiquer une démarche anormale à un stade précoce. La haute linéarité du capteur de pression est capable de distinguer clairement l'intensité de pression de différentes zones locales. Comme illustré à la Fig. 6a, cinq capteurs de pression sont intégrés dans la semelle intérieure intelligente. Chaque capteur est placé dans les zones correspondantes du calcanéus postérieur (#1), du cunéiforme médial (#2), du 1er métatarsien (#3), du 5e métatarsien (#4) et de la 1ère phalange (#5). L'évolution de la carte de répartition de la pression au cours du processus d'éveil dynamique (coup de talon, position médiane et pointe du pied) est reconstruite à partir des signaux acquis, comme le montre la figure 6b.

Les figures 6c à e montrent et comparent la variation actuelle et la pression calculée correspondante en fonction du temps pour trois allures de marche différentes : neutre, supination et pronation. Pour une démarche neutre (Fig. 6c), le signal du capteur #1 augmente d'abord parce que le talon touche le sol. Ensuite, la montée du signal du capteur n ° 3, 4 indique la position médiane, et enfin, la croissance du signal du capteur n ° 5 suggère que le talon se soulève dans la phase finale. Pour la marche en supination (Fig. 6d), le signal du capteur n°4 est beaucoup plus élevé que le capteur n°3 qui indique un déplacement du barycentre vers l'extérieur du pied (5e métatarsien). En cas de pronation (Fig. 6e), le déplacement du barycentre vers l'intérieur du pied entraîne un signal plus élevé dans le capteur n°3 (1er métatarsien). De plus, le stade précoce de la démarche de pronation se traduit par un pied légèrement plat, ce qui provoque une légère déformation de la voûte plantaire pour toucher le capteur n° 2 (cunéiforme médial), comme le montre l'image en médaillon de la Fig. 6e. Par conséquent, la haute sensibilité du capteur de pression permet d'identifier des anomalies mineures de la marche, réalisant ainsi un diagnostic de pronation et de supination à un stade précoce. La grande linéarité du capteur de pression permet de distinguer facilement trois allures de marche différentes en comparant la répartition de la pression plantaire.

En plus de la prévention et du diagnostic des maladies du pied, notre capteur peut également être appliqué à la détection biomécanique du sport (Fig. 6f–h). Comparé à la marche normale (Fig. 6c, vitesse de pas : 48 pas par minute), un signal de courant plus important et une fréquence plus élevée sont observés pendant la course (Fig. 6f, vitesse de pas : 100 pas par minute). Pendant le processus de se tenir sur la pointe des pieds (Fig. 6g), plus de pression est concentrée sur la 1ère phalange, ce qui provoque un signal intense dans le capteur n°1. Au cours du processus d'accroupissement (Fig. 6h), l'expérience du signal change constamment en raison de la modification du barycentre. Les résultats ci-dessus indiquent que la haute sensibilité et la haute linéarité sur le capteur de pression à large plage ont un potentiel exceptionnel dans les dispositifs médicaux portables et les équipements sportifs à des fins de surveillance en temps réel.

En résumé, nous avons conçu un capteur de pression poreux à remplissage in situ hiérarchique avec une sensibilité élevée et une linéarité élevée sur une large plage de détection. La géométrie hiérarchique imprimée DIW permet d'obtenir une large plage de détection car le réseau multicouche et la structure poreuse interne augmentent la zone de contact et répartissent les contraintes appliquées. La stratégie de formation in situ de réseaux de CNF intégrés à la structure poreuse interne permet une augmentation significative et continue de la surface de contact dans chaque pore, ce qui se traduit par une sensibilité élevée et une linéarité élevée. Par conséquent, notre capteur de pression atteint une sensibilité élevée (4,7 kPa−1) et une linéarité élevée (R2 = 0,998) sur une large plage (0,03–1000 kPa). Ces capacités de détection permettent au capteur de pression de détecter divers stimuli allant de la basse pression, tels que la détection du pouls, la reconnaissance vocale, la détection du pincement des doigts dans les régimes de pression moyenne au mouvement du pied humain, la surveillance de la pression des pneus dans les régions à haute pression. De plus, le capteur est capable de détecter un changement de basse pression sous une compression élevée en raison de sa résolution à haute pression. Grâce aux performances exceptionnelles du capteur de pression, il pourra être appliqué aux appareils électroniques personnels et biomédicaux dans un proche avenir. De plus, cette méthode de fabrication à faible coût de structure poreuse de remplissage in situ hiérarchique fournit une stratégie de conception générale pour d'autres types de capteurs.

Des nanofibres de carbone (CNF, modèle XFM60, pureté> 95% en poids) d'un diamètre de 50 à 200 nm et d'une longueur de 1 à 15 µm ont été achetées auprès de la société XFNANO. La matrice PDMS (Sylgard 184) et l'agent de durcissement ont été achetés auprès de Dow Corning Co., Ltd. Le liquide de paraffine a été obtenu auprès de Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. .

La matrice PDMS Sylgard 184 (5 g) et l'agent de durcissement entièrement mélangés dans un rapport de 10:1 dans un bécher de 50 ml. Ensuite, la solution de PDMS préparée a été diluée avec du liquide de paraffine (5 g) par une machine de dispersion à cisaillement élevé (FS400-S, LICHEN Co., Ltd) à une vitesse d'agitation de 1200 tr/min. Ensuite, la solution aqueuse avec une concentration en chlorure de calcium de 3,5 % en poids a été ajoutée goutte à goutte à l'aide d'une pompe à seringue microfluide (SP-1000, Ningbo Annuo Medical Apparatus et Instruments Technology Co., Ltd) avec un débit de 48 ml/h sous agitation mécanique. Après que toute l'eau ait été ajoutée dans le mélange liquide PDMS/paraffine, une émulsion PDMS blanche et crémeuse a été obtenue. Ensuite, un certain rapport de CNF a été soigneusement mélangé pour former une encre d'émulsion CNF/PDMS noire et crémeuse. Une fois la préparation terminée, l'encre en émulsion CNFs/PDMS était prête pour la caractérisation et l'impression DIW.

La morphologie de l'émulsion PDMS et de l'émulsion CNFs/PDMS a été caractérisée au microscope droit (ZEISS Axio Imager Vario) avec objectif (40×). L'émulsion a été coulée sur la lame du microscope et recouverte d'une lamelle avant observation.

Les comportements rhéologiques des encres ont été obtenus à l'aide d'un rhéomètre (Physica MCR-301, Anton Paar GmbH Co., Ltd) à température ambiante (25 °C). La viscosité de cisaillement de l'encre a été mesurée en augmentant le taux de cisaillement de 10-2 à 103 s-1. Le module de stockage en cisaillement (G') et le module de perte visqueuse (G") ont été obtenus en mode oscillatoire avec une fréquence constante de 1 Hz dans la plage de contraintes de 10−2 à 103 Pa.

La structure de réseau d'émulsion 3D CNFs / PDMS a été fabriquée à l'aide d'une impression DIW par extrusion pneumatique (SHOTmini200ΩX, Musashi Engineering, Inc.). Toute la structure en treillis imprimée DIW a été fabriquée sur la base des modèles de structure en treillis conçus par le logiciel de modélisation 3D dans l'imprimante DIW. La structure en treillis imprimée a été extrudée et déposée sur les substrats en PET. Sur la base de l'optimisation primaire, le diamètre de la buse était de 0,84 mm, la vitesse de déplacement de la tête d'impression était de 6 mm s−1 et la pression d'extrusion était contrôlée dans la plage de 50 à 100 kPa selon diverses compositions d'émulsion CNF/PDMS. Après l'impression DIW, la structure du réseau d'émulsion CNFs/PDMS a été chauffée dans un four à 110 ° C pendant 2 h pour durcir tout en évaporant l'eau émulsifiée. La structure de réseau CNFs/PDMS durcie a été lavée deux fois dans du n-hexane et de l'éthanol respectivement, puis séchée à 110 ° C pendant 2 h dans une étuve. L'épaisseur de la structure en réseau CNFs/PDMS à quatre couches est d'environ 1,6 mm.

La porosité de la structure de réseau de l'émulsion CNFs/PDMS a été contrôlée par la quantité d'eau ajoutée tandis que le rapport CNFs/PDMS est fixe. La porosité de l'éponge CNFs/PDMS a été calculée sur la base de l'équation suivante. (2):

La fabrication de HPPS était la suivante : tout d'abord, le film de TPU en tant que couche d'encapsulation a été préparé par électrofilage de 4 % en poids de TPU dissous dans du 1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanol avec une tension positive de 10 kV et une tension négative de 2 kV. Le film TPU a été découpé en 2 × 2 cm2 pour la couche protectrice. Le motif de l'électrode a été conçu à l'aide du logiciel CorelDRAW. Une machine de découpe laser (4060, FST) a été utilisée pour graver le ruban de tissu conducteur selon le motif prédéfini. Ensuite, les deux morceaux de rubans de tissu conducteur coupés ont été transférés sur les deux morceaux de film de TPU coupé en tant qu'électrode supérieure et électrode inférieure, respectivement. La couche de détection de HPPS a été encapsulée entre deux morceaux de film carré en TPU avec le ruban de tissu conducteur.

La morphologie et la microstructure des échantillons ont été observées par microscopie électronique à balayage à émission de champ avec une tension de 5 kV (Sirion200, FEI, USA). Le moteur linéaire contrôlé par ordinateur (LinMot) et un dynamomètre numérique (Mark-10, USA) ont été utilisés pour fournir et mesurer la pression, respectivement. Deux morceaux de plaque carrée en PMMA d'une longueur de 1 cm et d'une épaisseur de 1 mm ont été collés sur la tête du dynamomètre numérique et la tête du moteur linéaire, respectivement. Le capteur était collé sur la plaque de PMMA sur la tête du dynamomètre numérique. Pour des performances de détection de pression, le moteur linéaire a été réglé pour appliquer la pression en fonction des conditions de test appropriées. La pression a été enregistrée par le dynamomètre numérique. Pendant ce temps, le courant a été enregistré en temps réel à l'aide d'un compteur de source numérique contrôlé par LabVIEW (Keithley 2611B). La tension source-drain était de 0, 1 V, sauf pour la démonstration de résolution à haute pression (Fig. 3g) était de 0, 07 V. Les courbes I – V ont été mesurées par un analyseur électrochimique (CHI660E) dans la plage de pression de (0 – 600 kPa). Pour le test de résolution à haute pression (Fig. 3g), le test de détection de pression d'un petit objet (Fig. 24 supplémentaire), la détection d'impulsions (Fig. 5a), la reconnaissance vocale (Fig. 25 supplémentaire), la démonstration de résolution à haute pression (Fig. 5f – h), le courant a été enregistré à l'aide d'un électromètre (Keithley 6514).

Le capteur 3 × 3 cm2 a été utilisé pour la démonstration de résolution à haute pression (Fig. 5f – h), et le capteur 1 × 1 cm2 a été utilisé pour tous les autres tests et démonstrations. La sensibilité (S) a été calculée selon l'équation suivante. (3):

Sensibilité(S)

Où I0 est le courant initial du capteur sans charge de pression, et ΔI est les changements de courant du capteur sous un changement de pression fixe (ΔP).

La distribution des contraintes et des déplacements des structures en treillis PS, SC et FCT sous pression externe a été simulée à l'aide du logiciel COMSOL. La tige de treillis unique a été fixée à 1 mm de long et 0,5 mm de diamètre, la distance entre deux tiges de treillis a été fixée à 1 mm. Deux plaques ont reçu les propriétés de l'acier pour prendre en sandwich la structure en treillis. Une force de compression linéaire a été appliquée pour comprimer les structures en treillis.

Le film PET en forme de pied a été découpé par une machine de découpe laser. Les 5 capteurs de pression sont disposés sur les 5 positions du film PET, y compris la 1ère phalange (#5), le 5e métatarsien (#4), le 1er métatarsien (#3), le cunéiforme médial (#2) et le calcanéum postérieur (#1).

Les données à l'appui des conclusions de cette étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Ce travail a été soutenu par Ningbo Municipal 3315 Talent Scheme by Ningbo Science and Technology Bureau, la Fondation provinciale des sciences naturelles du Zhejiang de Chine (Grant LR19F010001).

Ces auteurs ont contribué à parts égales : Jin Xu, Huayang Li

New Materials Institute, Department of Mechanical, Materials and Manufacturing Engineering, University of Nottingham Ningbo China, 315100, Ningbo, Chine

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

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

Huayang Li et Jinwei Cao

École des nanosciences et de la technologie, Université de l'Académie chinoise des sciences, 100049, Pékin, Chine

Xin Li

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

Wandi Bao

Collège de génie mécanique et électrique, Université de technologie chimique de Pékin, 100029, Pékin, Chine

Fan Yuan Xiao

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JX et HL ont contribué à parts égales à ce travail. GZ et JX ont conçu l'idée et conçu les expériences. JX, YY, XL, HF, WB et HT ont réalisé le développement de l'appareil et la mesure des performances. JX, HL, FX, JC ont contribué à la simulation FEA et au dessin du diagramme schématique. JX, HL, YY, XL, JC, HFWB et HT ont participé à la discussion des données expérimentales. JX a analysé les résultats expérimentaux et a rédigé l'article. JX, HL et YY ont participé à la révision de l'article. GZ et HL ont supervisé le processus de recherche.

Correspondance avec Huayang Li ou Guang Zhu.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Xu, J., Li, H., Yin, Y. et al. Capteur de pression à haute sensibilité et à large plage de linéarité basé sur une structure poreuse de remplissage in situ hiérarchique. npj Flex Electron 6, 62 (2022). https://doi.org/10.1038/s41528-022-00191-7

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Reçu : 09 mars 2022

Accepté : 21 juin 2022

Publié: 19 juillet 2022

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

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