用于機(jī)器人和醫(yī)療應(yīng)用的高度靈敏的壓力傳感器

能夠檢測(cè)壓力微小變化的微型傳感器有許多有用的應(yīng)用，特別是在機(jī)器人和健康監(jiān)測(cè)可穿戴設(shè)備的開(kāi)發(fā)方面。然而，目前大多數(shù)基于電容和晶體管的壓力傳感器都有一些局限性，包括靈敏度低、響應(yīng)速度慢、功耗高和穩(wěn)定性差等。

加利福尼亞大學(xué)和湖南大學(xué)的研究人員最近提出了一種開(kāi)發(fā)高靈敏度壓力傳感器的新策略，這種傳感器可以克服現(xiàn)有壓力傳感器的一些限制。他們的方法，發(fā)表在《自然電子》雜志上的一篇論文中，需要將導(dǎo)電微結(jié)構(gòu)氣隙門(CMAG)與二維半導(dǎo)體晶體管集成。

“我一直對(duì)實(shí)際應(yīng)用比對(duì)理論研究更感興趣，”開(kāi)展這項(xiàng)研究的研究人員之一黃云超(音)告訴TechXplore。在加州大學(xué)洛杉磯分校的第一年，段教授鼓勵(lì)我探索不同的領(lǐng)域，找到我最感興趣的話題。在閱讀了許多論文之后，我對(duì)壓力傳感應(yīng)用產(chǎn)生了興趣，并開(kāi)始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。”

Huang和她的同事們將CMAGs與二維半導(dǎo)體晶體管集成，制作了他們的壓力傳感器，因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn)這種設(shè)計(jì)提高了傳感器的傳感性能。這個(gè)想法是在一次小組會(huì)議上產(chǎn)生的，當(dāng)時(shí)黃正在展示她的一些研究成果。

黃說(shuō):“我們認(rèn)為，如果我們能夠制造出‘真正的’微結(jié)構(gòu)空氣隙，克服傳統(tǒng)微結(jié)構(gòu)器件中彈性體的粘彈性行為，并將其與二維晶體管集成，我們的傳感器將表現(xiàn)出更強(qiáng)的壓力敏感性和更快的響應(yīng)速度?！薄斑@將有利于廣泛的實(shí)際應(yīng)用，如聲波探測(cè)、壓力測(cè)繪、健康監(jiān)測(cè)等?！?/p>

在研究人員開(kāi)發(fā)的傳感器中，CMAGs在不產(chǎn)生粘彈性行為的情況下制造出微結(jié)構(gòu)的空氣間隙，而粘彈性行為在傳統(tǒng)設(shè)備的彈性體中可以觀察到。這最終會(huì)導(dǎo)致更高的靈敏度、更快的響應(yīng)時(shí)間、更低的功耗和顯著的穩(wěn)定性。

黃說(shuō):“透過(guò)將二維半導(dǎo)體電晶體與獨(dú)特的CMAGs集成，我們的CMAG電晶體感應(yīng)器可進(jìn)一步提升效能，使應(yīng)用范圍更廣?！?/p>

在最初的實(shí)驗(yàn)中，研究人員制造的傳感器顯示出可調(diào)靈敏度和壓力感應(yīng)范圍，在0-5千帕范圍內(nèi)平均靈敏度為44kpa，最高靈敏度為770 kPa。此外，當(dāng)使用氣隙門作為2-D半導(dǎo)體晶體管的壓敏門時(shí)，Huang和她的同事能夠進(jìn)一步將他們的器件的靈敏度提高到大約103-107 kPa?1，優(yōu)化的壓力范圍約為1.5 kPa。

Huang和她的同事提出的基于cmagi的設(shè)計(jì)策略非常容易實(shí)現(xiàn)。此外，它還可以應(yīng)用于電容式和晶體管式傳感器的開(kāi)發(fā)。

研究人員展示了他們的壓力傳感器在許多應(yīng)用方面的潛力，包括靜壓繪圖的實(shí)現(xiàn)、人體脈搏波的測(cè)量和聲波的探測(cè)。在未來(lái)，他們的高靈敏度傳感器可以用于開(kāi)發(fā)具有更先進(jìn)的傳感能力的機(jī)器人、監(jiān)測(cè)病人長(zhǎng)期健康狀況的可穿戴設(shè)備，以及其他一些技術(shù)工具。

黃說(shuō):“希望CMAGs的概念能為新型壓力傳感器鋪平道路。”“我們現(xiàn)在正致力于基于CMAGs概念的保形/柔性壓力傳感器陣列，這將使人機(jī)界面和相關(guān)應(yīng)用成為可能?！蔽覀兤诖谖磥?lái)展示更多我們的作品。”