Drucksensor mit hoher Empfindlichkeit und großem Linearitätsbereich basierend auf hierarchischem In

npj Flexible Electronics Band 6, Artikelnummer: 62 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Flexible piezoresistive Drucksensoren mit hoher Empfindlichkeit über einen breiten Linearitätsbereich erregen aufgrund ihrer Anwendungen in den Bereichen Gesundheitsüberwachung, künstliche Intelligenz und Mensch-Maschine-Schnittstellen große Aufmerksamkeit. Hier berichten wir über einen hierarchischen in-situ-füllenden porösen piezoresistiven Sensor (HPPS) durch direktes Tintenschreiben (DIW) Drucken und Aushärten einer Emulsion aus Kohlenstoffnanofasern (CNFs)/Polydimethylsiloxan (PDMS). Die hierarchische Geometrie vergrößert die Kontaktfläche deutlich, verteilt die Spannung auf das mehrschichtige Gitter und die innere poröse Struktur, was zu einem breiten Erfassungsbereich führt. Darüber hinaus erzeugen die CNFs, die die poröse Struktur vor Ort füllen, im Gegensatz zu herkömmlichen hohlen porösen Strukturen mehr Kontaktstellen und leitende Pfade während der Kompression, wodurch eine hohe Empfindlichkeit und Linearität über den gesamten Erfassungsbereich erreicht wird. Daher erreicht das optimierte HPPS eine hohe Empfindlichkeit (4,7 kPa−1) und Linearität (Bestimmungskoeffizient, R2 = 0,998) über einen weiten Bereich (0,03–1000 kPa) sowie eine bemerkenswerte Reaktionszeit und Wiederholbarkeit. Darüber hinaus werden die Anwendungen in verschiedenen Druckszenarien und zur Gesundheitsüberwachung demonstriert.

Flexible Drucksensoren mit der Fähigkeit, taktile Informationen in elektrische Signale umzuwandeln, haben aufgrund ihrer vielversprechenden Anwendungen in der Gesundheitsüberwachung1,2,3,4,5, künstlicher Intelligenz6,7, Mensch-Maschine-Schnittstellen8,9,10 und Robotik11 große Aufmerksamkeit erregt. 12 usw. Typischerweise werden flexible Drucksensoren basierend auf dem Erfassungsmechanismus in vier Typen eingeteilt: piezoresistiv13,14, kapazitiv15,16, piezoelektrisch17,18 und triboelektrisch19,20. Unter diesen Drucksensoren haben piezoresistive Sensoren, die die mechanischen Informationen in Widerstandsänderungen umwandeln, mehrere Vorteile, darunter einen geringen Energieverbrauch, eine einfache Gerätemontage und eine einfache Signalerfassung usw. Die meisten veröffentlichten piezoresistiven Drucksensoren weisen jedoch eine geringe Empfindlichkeit oder schlechte Linearität auf über einen weiten Bereich. Für den breiten Einsatz der Drucksensoren in weiteren Anwendungsszenarien erfordern die idealen Drucksensoren eine hohe Empfindlichkeit und hohe Linearität über einen breiten Erfassungsbereich.

Kürzlich wurde über mehrere Strategien zur Verbesserung der Empfindlichkeit und Linearität berichtet. Die Herstellung von Nanostruktur- oder Mikrostrukturgeometrien (z. B. Falten21, Mikropyramiden22, Mikrodome23, Mikrosäulen24, Interlock-Strukturen25 usw.26,27) auf dem flexiblen Substrat kann die Empfindlichkeit aufgrund des geringen Anfangsstroms und der großen Verformbarkeit bei geringer Spannung erheblich verbessern. Beispielsweise berichteten Tao et al.28 über einen auf einer ineinandergreifenden Mikrokuppelstruktur basierenden piezoresistiven Drucksensor mit einer hohen Empfindlichkeit von 53 kPa−1 und einem Druckbereich von 58,4 bis 960 Pa. Während die schnell gesättigte Mikrostruktur die Stellen während der Kompression berührt, führt dies zu einem hohen Druck Empfindlichkeit und lineare Reaktion sind nur in einem niedrigen Erfassungsbereich (<10 kPa) gültig. Um den linearen Erfassungsbereich zu erweitern, hat sich die Einführung einer porösen Struktur aufgrund der hohen Kompressibilität und der erheblichen Bildung leitfähiger Pfade während der Komprimierung als wirksam erwiesen. Seunghwan et al.29 entwickelten einen porösen Schwammsensor mit einer Empfindlichkeit von 0,01–0,02 kPa−1 und einem breiten Erfassungsbereich von 10 Pa bis 1,2 MPa. Dennoch vergrößern die Poren den Abstand zwischen den leitfähigen Füllstoffen, was den Kontakt leitfähiger Füllstoffe und die Bildung leitfähiger Pfade behindert. Daher weisen die meisten porösen Drucksensoren über einen weiten Bereich eine geringe Empfindlichkeit (<1 kPa−1) auf. Einige Studien schlugen eine mehrschichtige oder mehrskalige hierarchische Struktur mit Verbesserung sowohl der Empfindlichkeit als auch des linearen Erfassungsbereichs vor. Beispielsweise stellten Youngoh Lee et al.30 einen taktilen Sensor mit mehrschichtiger ineinandergreifender Mikrokuppelgeometrie her, der eine hohe Empfindlichkeit von 47,7 kPa−1 über den Bereich von 0,0013 bis 353 kPa aufwies. Allerdings reicht der lineare Erfassungsbereich der Sensoren noch nicht aus. Daher besteht ein dringender Bedarf, einen Drucksensor mit hoher Leistung (z. B. eine lineare Reaktion mit hoher Empfindlichkeit über 1 kPa-1 über den Bereich bis zu 1 MPa) auf einfache und kostengünstige Weise herzustellen.

Hier schlagen wir eine hierarchische in-situ-füllende poröse Struktur als Sensorschicht vor, die durch DIW-Drucken und Aushärten einer CNFs/PDMS-Emulsion hergestellt wird. Die hierarchische Geometrie erhöht die Variation der Kontaktfläche und verteilt die aufgebrachte Spannung auf die mehrschichtige Gitterstruktur und die innere poröse Struktur. Eine flächenzentrierte tetragonale Struktur (FCT) weist im Vergleich zu anderen Arten von Gitterstrukturen die höchste Kompressibilität auf und ermöglicht einen großen Erfassungsbereich und eine hohe Empfindlichkeit.

Die in-situ-füllende poröse CNF-Struktur weist eine ganz andere Morphologie und Arbeitsprinzipien als die herkömmliche poröse Struktur auf, was zu einer besseren Erfassungsleistung der in-situ-füllenden porösen Struktur führte. Bei herkömmlichen porösen Strukturen, die durch Hartschablonen oder das Gasschäumverfahren29 hergestellt werden, werden die leitfähigen Füllstoffe durch die Hartschablonen oder den Schäumprozess getrennt und ausgeschlossen, was dazu führt, dass der leitfähige Füllstoff nur am Rand der Poren verteilt wird. Der große Porenraum behindert den Kontakt der an den Rändern der Poren verteilten leitfähigen Füllstoffe, was dazu führt, dass weniger leitfähige Pfade entstehen. Die in-situ füllende poröse Struktur wird durch die Verfestigung von CNFs/PDMS und die Verdunstung von emulgiertem Wasser gebildet, während die in emulgiertem Wasser dispergierten CNFs in den Poren verbleiben und in den Poren eingebettete CNF-Netzwerke bilden. Durch das In-situ-Füllung der porösen Struktur mit CNF-Netzwerken werden die Kontaktstellen des leitfähigen Materials und die Erzeugung leitfähiger Pfade während der Komprimierung drastisch erhöht, wodurch eine hohe Empfindlichkeit und hohe Linearität erreicht werden.

Basierend auf einer solchen hierarchischen Geometrie und sekundären CNFs, die die poröse Struktur in situ füllen, erreicht das HPPS gleichzeitig eine hohe Empfindlichkeit (4,7 kPa−1) und eine hohe Linearität (R2 = 0,998) über einen weiten Bereich (0,03–1000 kPa). Die hohe Empfindlichkeit und Linearität ermöglichen dem Drucksensor eine hohe Druckauflösung. Daher ist der Sensor in der Lage, eine geringe Druckänderung (10 kPa) bei einer hohen Vorkompression von 643 kPa zu erkennen. Die HPPS werden zur Erkennung verschiedener Reize verwendet, von niedrigem Druck wie Pulserkennung, Spracherkennung bis hin zu großem Druck wie menschliche Fußbewegungen und Reifendruckerkennung. Der Nachweis geringfügiger Druckänderungen bei großer Vorkompression zeigte, dass unsere Drucksensoren eine hohe Druckauflösung haben. Darüber hinaus wird ein intelligentes Einlegesohlen-Sensor-Array bestehend aus fünf Sensoren an unterschiedlichen Positionen zur Messung des Plantardrucks eingesetzt, um Fußkrankheiten zu diagnostizieren und Sportbiomechanik zu erkennen. Aufgrund der bemerkenswerten Sensorleistung gehen wir davon aus, dass die hierarchische In-situ-Füllung der porösen Struktur eine vielversprechende Designstrategie zur Herstellung tragbarer Hochleistungsgeräte für Anwendungen in den Bereichen Gesundheitsüberwachung, künstliche Intelligenz, Mensch-Maschine-Schnittstellen, Robotik usw. bieten kann.11, 12

Der Herstellungsprozess der hierarchischen in-situ-füllenden porösen Struktur durch DIW-Drucktechnik ist in Abb. 1 dargestellt. Zunächst wurde die PDMS-Emulsion hergestellt, indem die wässrige Lösung mit einer Calciumchloridkonzentration von 3,5 Gew.-% tropfenweise in PDMS/Paraffin-Flüssigkeit gegeben wurde Mischung durch Spritzenpumpe (Abb. 1a). Nach kräftigem mechanischem Rühren werden die emulgierten Wassertröpfchen gleichmäßig in der Mischung verteilt und bilden eine cremige PDMS-Wasser-Emulsion, die in den optischen Mikroskopbildern in Abb. 1a dargestellt ist. Zweitens wurden die CNFs in die PDMS-Emulsion gegeben. Aufgrund der Mobilität und der Aufnahmeeigenschaften des emulgierten Wassers können sich die zugesetzten CNFs im emulgierten Wasser, in der PDMS-Matrix und in den PDMS-Wasser-Grenzflächen verteilen, wie in Abb. 1b dargestellt. Das Foto der PDMS-Emulsion und der CNFs/PDMS-Emulsion ist in der ergänzenden Abbildung 1a bzw. b dargestellt. Darüber hinaus ist die CNFs/PDMS-Emulsion mit hohem Strukturviskositätsverhalten und großem Speichermodul vorteilhaft beim Extrudieren und bewahrt die eigenständige 3D-Gitterstruktur, wie in der ergänzenden Abbildung 2a bzw. b interpretiert. Somit kann die CNFs/PDMS-Emulsion gleichmäßig und kontinuierlich aus der Düse extrudiert und Schicht für Schicht gestapelt werden, um eine 3D-Gitterstruktur aufzubauen (Abb. 1c). Darüber hinaus können Proben mit unterschiedlichen 3D-Gitterstrukturen kontinuierlich mit der DIW-Technik gedruckt werden (in ergänzender Abbildung 3). Anschließend wird die gedruckte CNFs/PDMS-Emulsionsgitterstruktur auf 110 °C erhitzt, um das PDMS vollständig auszuhärten und emulgiertes Wasser zu verdampfen, was zur Bildung einer hierarchischen in-situ-füllenden porösen Struktur mit den im inneren Poren eingebetteten CNFs-Netzwerken führt , wie in Abb. 1d gezeigt. Die ausgehärtete CNFs/PDMS-Gitterstruktur muss zweimal in n-Hexan bzw. Ethanol gewaschen und anschließend 2 Stunden lang bei 110 °C getrocknet werden, um das Paraffinöl zu entfernen und eine Verschlechterung der Sensorleistung zu verhindern. (Ergänzende Abbildung 4). Nachdem das Paraffin entfernt wurde, ist die hierarchische, in-situ füllende poröse Schicht gut vorbereitet. Mittlerweile zeigt die vorbereitete poröse Schicht eine gute Biegefähigkeit (ergänzende Abbildung 5). Das Rasterelektronenmikroskop-Bild (REM) des Stabes in der Gitterstruktur ist in der ergänzenden Abbildung 6a dargestellt. Wenn das mit den CNFs eingebettete emulgierte Wasser verdunstet, bleiben die CNFs-Netzwerke in den inneren Poren zurück, was in den REM-Querschnittsbildern des Stabes zu sehen ist (Abb. 1e, f). Abbildung 1e zeigt die Querschnittsansicht der hierarchischen In-situ-Füllung der porösen Sensorschicht, die aus mehreren Schichten von Gitterstäben mit einem Abstand von etwa 500 μm zwischen den einzelnen Stäben besteht. Auf der Querschnittsfläche eines einzelnen Gitterstabs (Abb. 1f) verteilt sich die innere poröse Struktur mit einem Durchmesser von 5–10 μm gleichmäßig im Gitterstab. Die kleine Lücke von etwa 1 μm zwischen den eingebetteten CNF-Netzwerken wird in einer einzelnen Porenstruktur beobachtet (Einschubbilder in Abb. 1f). Darüber hinaus zeigt das REM-Bild in der ergänzenden Abbildung 6b, dass einige CNF-Netzwerke auch in der PDMS-Matrix vorhanden sind. Mit den Vorteilen der DIW-Technik sind in Abb. 1h jeweils individuell gefertigte Gitterstrukturen mit unterschiedlichen Größen (1 × 1 cm2 und 2,5 × 2,5 cm2) dargestellt. Das schematische Diagramm des gesamten zusammengebauten HPPS ist in Abb. 1g dargestellt, in dem die hierarchische poröse In-situ-Füllstruktur als Sensorschicht und das Ni-Gewebeband (ergänzende Abb. 7) und der Elektrospinnfilm aus thermoplastischem Polyurethan (TPU) dienen ( Ergänzende Abbildung 8) fungieren als Elektroden bzw. Schutzschichten. Das optische Bild des zusammengebauten HPPS ist in Abb. 1i dargestellt.

Schematische Darstellung und Mikroskopbilder einer PDMS-Emulsion, b CNFs/PDMS-Emulsion (Maßstabsbalken: 20 µm). c Schematische Darstellung und optisches Bild einer hierarchischen In-situ-Füllung der porösen Struktur durch DIW-Druck (Maßstabsbalken: 1 cm). d Schematische Darstellung einer hierarchischen In-situ-Füllung der porösen Struktur. e Querschnitts-REM-Bild der mehrschichtigen Gitterstruktur (Maßstabsbalken: 200 µm). f Querschnitts-REM-Bild der inneren porösen Struktur in einem einzelnen Gitterstab (Maßstabsbalken: 200 µm). Eingefügtes SEM-Bild mit hoher Vergrößerung von CNF-Netzwerken, die in eine einzelne Porenstruktur eingebettet sind (Maßstabsbalken: 5 µm). g Schematischer Aufbau des HPPS. h Optisches Bild einer hierarchischen In-situ-Füllung einer porösen Struktur mit unterschiedlichen Größen. i Optisches Bild von HPPS.

Um die optimalen Vorbereitungsparameter für die Sensorschicht zu entwickeln, wird der Einfluss der Porosität, des CNF-Massenverhältnisses, der Strukturtypen und der Anzahl der gestapelten Sensorschichten gründlich untersucht. Wenn hier eine der Variablen untersucht wird, bleiben die anderen unverändert. Und die Druckempfindlichkeit (S) ist definiert als S = (ΔI/I0)/ΔP, wobei ΔI die Stromänderung des Sensors darstellt, I0 den Strom ohne Druck darstellt und ΔP den angelegten Druck darstellt. Der Versuchsaufbau zur Erfassung der Stromänderung des Sensors ist in der ergänzenden Abbildung 9 schematisch dargestellt.

Zunächst wurden vier Arten von Sensorschichten mit demselben erweiterten Konturvolumen hergestellt und untersucht, wie in Abb. 2a, ergänzender Abb. 10, ergänzender Abb. 11 und ergänzender Tabelle 1 dargestellt. Die feste Struktur weist die niedrigste Empfindlichkeit von 0, 19 kPa auf 1, während die poröse Struktur und die Gitterstruktur eine höhere Empfindlichkeit von 0,47 kPa-1 bzw. 1,65 kPa-1 aufweisen. Wie wir alle wissen, erzeugt eine höhere Komprimierung mehr leitfähige Pfade innerhalb der Sensorschichten. Daher weist die durch die Emulsionstemplatmethode gebildete poröse Struktur bei gleichem Druck eine höhere Kompressibilität auf. Für die Gitterstruktur sorgt der vom DIW hergestellte makroskalige Spalt zwischen den Gitterstäben auch für eine höhere Kompressibilität. Hier verleiht der synergetische Effekt der inneren Poren- und Gitterstruktur der Struktur die höchste Kompressibilität unter ihnen, was zu der höchsten Empfindlichkeit von 2,4 kPa−1 bei hoher Linearität (R2 = 0,993) führt. Beachten Sie, dass für den Einfluss der Zusammensetzung von Wasser und CNFs sowie der Strukturtypen die Schichtanzahl auf vier festgelegt ist, da die Strukturen mit vier Schichten im Vergleich zu Strukturen mit anderen Schichten die beste Erfassungsleistung aufweisen. Der Grund dafür, dass die Vierschichtstruktur die beste Erfassungsleistung aufweist, wird in der ergänzenden Abbildung 12, Abbildung 13, Abbildung 14 und Tabelle 2 ausführlich erläutert.

a Aktuelle Reaktion und Empfindlichkeit von 1 Gew.-% CNFs, 60 % Porositäts-Drucksensor mit unterschiedlichen geometrischen Strukturen (fest, porös, Gitter, Gitter mit Porös). Aktuelle Reaktion und Empfindlichkeit eines vierschichtigen SC-Drucksensors mit unterschiedlichem Massenverhältnis von b-Wasser (c)-CNFs. d Aktuelle Reaktion und Empfindlichkeit von 1 Gew.-% CNFs, 60 % Porositätsdrucksensor mit unterschiedlichen Gitterstrukturen (PS, SC und FCT).

Zweitens ist der Einfluss der Wasserzusammensetzung auf die Sensorleistung in Abb. 2b gut untersucht. Basierend auf früheren Studien und Vergleichsexperimenten (Ergänzungstabelle 3) zum Einfluss der Mengen an emulgiertem Wasser auf die Porosität konnte die Porosität einfach durch Variation des Massenverhältnisses von Wasser im Emulsionssystem angepasst werden31,32. Mit steigendem Gehalt an emulgiertem Wasser nimmt die Porosität zu. Die Porosität wird durch die Massendifferenzmethode charakterisiert (Einzelheiten finden Sie im experimentellen Teil). Wie in Abb. 2b gezeigt, weist die Struktur mit höherer Porosität eine höhere Empfindlichkeit auf. Im Vergleich zu den Sensoren mit 33 % und 47 % Porosität weist der Drucksensor mit 60 % Porosität eine verbesserte Empfindlichkeit (3,2 kPa−1) und Linearität (R2 = 0,998) im Bereich von 0–750 kPa auf. Dies liegt daran, dass die Struktur mit höherer Porosität und niedrigerem Young-Modul bei gleichem Druck besser komprimierbar ist. Somit würde ein geringfügiger Druck die Struktur stark verformen und mehr leitende Pfade in der Struktur mit hoher Porosität schaffen.

Drittens hat der Gehalt an CNFs auch einen beobachtbaren Einfluss auf die Sensoren. Daher werden die Sensoren mit einem CNF-Massenverhältnis im Bereich von 0,6 Gew.-% bis 1,2 Gew.-% hergestellt und ihr Einfluss auf die Empfindlichkeit in Abb. 2c untersucht. Bei den Sensoren, die mit einer CNF-Menge von 0,6 bis 1 Gew.-% hergestellt wurden, verbesserte sich die Empfindlichkeit allmählich. Durch das erhöhte Massenverhältnis der leitfähigen Füllstoffe können bei gleichem Druck mehr leitfähige Pfade aufgebaut werden, was zu einer höheren Empfindlichkeit führt. Allerdings verringern übermäßige CNFs den Widerstand im ursprünglichen Zustand (I0) stark, was zu einer Verringerung der relativen Stromänderungen führt. Infolgedessen ist die Empfindlichkeit des Sensors mit 1,2 Gew.-% CNFs geringer als die des Sensors mit 1 Gew.-% CNFs.

Schließlich werden drei verschiedene Gitterstrukturen: Simple Cubic (SC), Parallel Stacked (PS) und FCT33 einfach durch DIW basierend auf dem entworfenen Strukturmodell hergestellt. Alle Gitterstrukturen werden mit der gleichen Menge Emulsion hergestellt. Die Entwurfsdiagramme der SC-, PS- und FCT-Strukturen sind jeweils in der ergänzenden Abbildung 15 dargestellt. Die Empfindlichkeiten und die Kompressionssimulation sind in Abb. 2d dargestellt. Mit dem optimalen Gehalt an Wasser und CNFs weist die FCT-Struktur unter ihnen die höchsten Empfindlichkeiten auf. Die unterschiedliche Empfindlichkeit der drei Gitterstrukturen ergibt sich aus dem Grad der Verformbarkeit der Gitterstruktur. Anschließend wird die Finite-Elemente-Analyse (FEA) durchgeführt, um die Verformung zu analysieren, und die Spannungsverteilung von drei Gitterstrukturen ist in den ergänzenden Abbildungen dargestellt. 16 und 17 bzw. Video 1. In den Simulationsergebnissen weist die PS-Struktur die kleinste Verschiebung (ΔL = 148 μm) und die FCT-Struktur die größte Verschiebung (ΔL = 508 μm) auf. Das Simulationsergebnis stimmt mit dem Experimentergebnis überein. Im Vergleich zu PS- und SC-Strukturen erfährt die FCT-Struktur eine dominante Verformung, die durch die Komprimierung der versetzten Stäbe entsteht, anstatt die vertikal ausgerichteten Stäbe in der PS- und SC-Struktur zu komprimieren. Somit ist die Spannung an den Kontaktstellen jeder senkrechten Stapelschicht homogen verteilt. Kurz gesagt, basierend auf der obigen Optimierung des HPPS wird festgestellt, dass 60 Gew.-% Wasser, 1 Gew.-% CNFs, vier Schichten und die FCT-Gitterstruktur die optimalen Vorbereitungsbedingungen sind.

Die Sensorleistung des HPPS unter verschiedenen Pressbedingungen wird untersucht. Der synergetische Effekt der In-situ-Füllung der inneren porösen Struktur und der Gitterstruktur ermöglicht dem Sensor eine hohe Empfindlichkeit und hohe Linearität über einen breiten Druckmessbereich. Wie in Abb. 3a gezeigt, erreicht das mit der optimierten Bedingung (1 Gew.-% CNFs, 60 Gew.-% Wasser mit FCT-Struktur) hergestellte HPPS eine hohe Empfindlichkeit von 4,7 kPa−1 und eine hohe Linearität mit dem Korrelationskoeffizienten von 0,998 im breiten Druck im Bereich von 0,032 bis 1000 kPa. Im Vergleich zu den zuvor berichteten piezoresistiven Drucksensoren in Abb. 3b15,28,30,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49, 50,51,52, unser HPPS weist eine hohe Empfindlichkeit und einen breiten linearen Druckbereich auf. Das HPPS weist eine niedrige Erkennungsgrenze von 32 Pa auf, wie in der ergänzenden Abbildung 18 dargestellt. Die dynamische Reaktionsgeschwindigkeit des Sensors wird durch plötzliches Drücken mit einer Kraft von 17 kPa und anschließendes schnelles Lösen gemessen. Die Reaktions- und Relaxationszeit beträgt 24 ms bzw. 15 ms (Abb. 3c), was mit der Reaktionszeit der menschlichen Haut (30–50 ms) vergleichbar ist12. Die Strom-Spannungs-Kurven (I–V) des Drucksensors von –3 V bis 3 V unter verschiedenen Drücken weisen eine lineare Beziehung auf, was darauf hinweist, dass das HPPS die ohmschen Kontakteigenschaften besitzt (Abb. 3d). Wenn der Druck von 0 auf 600 kPa steigt, nimmt der Widerstand dramatisch ab. Die relative Stromänderung des Sensors bei sechs inkrementellen Drucklade-/Entladezyklen wird gemessen, um die Leistung der dynamischen Druckerfassung zu untersuchen (Abb. 3e). Der Drucksensor zeigt ein stetiges Signal und eine vorübergehende Reaktion auf den zyklischen Lade-/Entladevorgang, was darauf hinweist, dass der Drucksensor in einem weiten Bereich stabil arbeiten kann. Bei der Bewertung der Stabilität der dynamischen Druckerfassungsleistung sollte auch der Einfluss der Belastungsfrequenz berücksichtigt werden. Wie in Abb. 3f dargestellt, weist die relative Stromänderung unter einem konstanten Druck von 100 kPa mit einer Frequenz von 0,2 bis 5 Hz keine Frequenzabhängigkeit oder Verzögerung auf. Die hohe Empfindlichkeit und hohe Linearität über einen breiten Druckbereich ermöglichen den Drucksensor mit hoher Druckauflösung. Der Drucksensor konnte die leichte Druckänderung bei hoher Vorverdichtung erkennen. Abbildung 3g zeigt die synchrone Änderung von Strom und Druck. Zuerst wird der Sensor auf 643 kPa als Referenz-P0 komprimiert, und dann werden nacheinander inkrementelle leichte Drücke (10 kPa, 21 kPa und 32 kPa) hinzugefügt. Die Ergebnisse zeigen, dass der Sensor in der Lage ist, den zunehmenden leichten Druck von einem großen Vordruck zu unterscheiden. Wie in Abb. 3h dargestellt, weist der Drucksensor eine hohe Reproduzierbarkeit und Haltbarkeit unter einem Druck von 28 kPa, 50 kPa bzw. 200 kPa während 35.000 Zyklen auf. In der nebenstehenden Abbildung zeigt das Signal, dass es beim Zyklustest keine offensichtliche Amplitudenänderung gibt. Um die Reproduzierbarkeit des Drucksensors zu untersuchen, wurden die Fehlerbalkenstudien in Bezug auf Druckbereich und Empfindlichkeit durchgeführt, indem acht Sensoren in der ergänzenden Abbildung 19 und der ergänzenden Tabelle 4 gemessen wurden. Alle acht Sensoren weisen sehr ähnliche Empfindlichkeitswerte über einen weiten Erfassungsbereich auf 1 MPa. Darüber hinaus weisen alle acht Sensoren eine sehr hohe Linearität auf. Es gibt keine signifikanten Abweichungen in der Empfindlichkeit und Linearität, was auf eine gute Reproduzierbarkeit des Drucksensors schließen lässt.

a Relative Stromänderung basierend auf der optimierten Sensorschicht unter verschiedenen Drücken (0,032 kPa–1000 kPa). b Vergleich der Empfindlichkeit unseres Drucksensors mit anderen berichteten Literaturstellen. c Reaktions- und Erholungszeiten des HPPS unter dem Druck von 17 kPa. d Strom-Spannungs-Kurven des HPPS bei verschiedenen Drücken. e Dynamische Reaktion des HPPS bei Lade-/Entladezyklen von niedrigem Druck auf hohen Druck. f Dynamische Reaktion des HPPS unter 100 kPa bei verschiedenen Frequenzen. g Erkennung von geringem Druck unter Vorkompression von 643 kPa. h Wiederholbarkeitsleistung von HPPS über 35.000 Lade-/Entladezyklen unter einem Druck von 28 kPa, 50 kPa bzw. 200 kPa.

Der synergetische Effekt der mehrschichtigen Struktur und der hierarchischen In-situ-Füllung der porösen Struktur ermöglicht den Drucksensor mit hoher Empfindlichkeit und hoher Linearität über einen breiten Druckbereich. Um die Hochleistungs-Sensormechanismen von HPPS zu verstehen, werden mikromechanische Kompressionstests und In-situ-REM-Bildgebung durchgeführt. Bei allen folgenden REM-Bildern ist die Komprimierungsrichtung vertikal (von oben nach unten). Abbildung 4a–i visualisiert die Querschnittsansichten der Strukturentwicklung bei 0 %, 26 % und 63 % Komprimierung in verschiedenen Maßstäben. Die schematische Darstellung des detaillierten Erfassungsmechanismus ist in Abb. 4j – m und der ergänzenden Abb. 20 dargestellt.

Querschnitts-REM-Bilder der Gitterstruktur im Originalzustand, b-Komprimierung von 26 %, c-Komprimierung von 63 % (Maßstabsbalken: 300 µm). Querschnitts-REM-Bilder der porösen Struktur im d-Originalzustand, e-Komprimierung von 26 %, f-Komprimierung von 63 % (Maßstabsbalken: 100 µm). Querschnitts-REM-Bilder der CNFs-Netzwerke, die in einer einzelnen Pore im g-Originalzustand eingebettet sind, h-Komprimierung von 26 %, i-Komprimierung von 63 % (Maßstabsbalken: 10 µm; i-Einschubbild-Maßstabsbalken: 3 µm). Schematische Darstellung und Schaltplan des Sensormechanismus von HPPS bei j kleiner Kompression, k mittlerer Kompression, l großer Kompression. m Eine kleine Druckänderung unter einer großen Vorspannung wird verwendet, um die hohe Druckauflösungsleistung zu veranschaulichen.

Ergänzende Abbildung 21 visualisiert die Schnittstelle zwischen der Sensorschicht und den Ni-Elektroden. Die wellige textile Mikrostruktur der Ni-Elektroden bildet weniger anfängliche Kontaktpunkte mit der Sensorschicht, was zu einem hohen Kontaktwiderstand im unbelasteten Zustand führt. Abbildung 4a, d, g und j veranschaulichen die Morphologie des mehrschichtigen Gitters und der hierarchischen In-situ-Füllung der porösen Struktur vor der Kompression. Der Raum zwischen den gestapelten Schichten macht die Gitterstruktur stark komprimierbar (Abb. 4a). Die in situ gefüllte poröse Struktur, die durch die Emulsionstemplate-Methode gebildet wird, führt dazu, dass CNF-Netzwerke in der PDMS-Matrix an der Grenzfläche vorhanden und in Poren eingebettet sind (Abb. 4d und g). Dadurch könnten während der Komprimierung mehr Kontaktstellen zwischen CNF-Netzwerken entstehen, was zu einer hohen Empfindlichkeit über den Erfassungsbereich führen würde.

Bei sehr geringer Kompression (ergänzende Abbildung 21) nimmt die Kontaktfläche (orangefarbene Linie) zwischen den Ni-Elektroden und der Sensorschicht deutlich zu, was zu einer Verringerung des Kontaktwiderstands im Niederdruckbereich führt. Darüber hinaus werden die inneren Poren leicht komprimiert und die in die poröse Struktur eingebetteten CNF-Netzwerke berühren sich leicht, wodurch einige leitende Pfade entstehen, die den Strom erhöhen. Ein Vergleichsexperiment (ergänzende Abbildung 22) der Auswirkungen einer gewellten Textilmikrostrukturelektrode und einer flachen Cu-Elektrode auf die Erfassungsleistung bei niedrigem Druck wird durchgeführt, um zu beweisen, dass die Ni-Elektroden die Erfassungsleistung im Niederdruckbereich verbessern können. Darüber hinaus gibt es keine signifikante Abweichung in der Empfindlichkeit zwischen dem Niederdruck- (4,64 kPa-1, <500 Pa) und dem Hochdruckbereich (4,7 kPa-1, <1 MPa), was die hohe Empfindlichkeit und Linearität über die gesamte Messung weiter bestätigt Reichweite.

Bei einer Kompression von 26 % (Abb. 4b, e, h und k) verformen sich die Gitterstäbe und berühren sich teilweise, um mehr leitfähige Pfade zu schaffen. Im Vergleich zur einschichtigen Struktur weist die mehrschichtige Struktur eine größere Kontaktflächenänderung und eine effektivere Spannungsverteilung auf, wodurch während der Kompression mehr leitfähige Pfade entstehen30,53. Dies wird auch im Empfindlichkeitstest verschiedener Schichten in der ergänzenden Abbildung 12 bestätigt. In den REM-Bildern mit hoher Vergrößerung in Abbildung 4e und h beginnen die inneren Poren (rote gestrichelte Linie, gelbe gestrichelte Linie) zu schrumpfen und CNF-Netzwerke sind porös eingebettet Struktur kontaktieren einander, um mehr leitende Pfade aufzubauen. Die Einführung einer in-situ füllenden porösen Struktur verbessert die Empfindlichkeit und Linearität weiter. Dies lässt sich anhand der Ergebnisse in Abb. 2a belegen, wo die Empfindlichkeit der Gitterstruktur mit interner poröser Struktur höher ist als die der Gitterstruktur ohne diese.

Hier wird eine schematische Darstellung der ergänzenden Abbildung 20 verwendet, um den Hochleistungsmechanismus der In-situ-Füllung poröser Strukturen im Vergleich zu anderen Arten herkömmlicher hohler poröser Strukturen zu interpretieren. Die Überlegenheit unserer in-situ füllenden porösen Struktur gegenüber herkömmlichen porösen Strukturen ist auf unterschiedliche Morphologien und unterschiedliche Arbeitsprinzipien zurückzuführen. Bei den herkömmlichen porösen Strukturen, die normalerweise durch harte Schablonen (wie Zucker, Salz und andere feste Partikelschablonen) oder das Gasschäumverfahren hergestellt werden, werden die leitfähigen Füllstoffe durch die harten Schablonen oder den Schäumprozess getrennt und ausgeschlossen. Dies führt dazu, dass der leitfähige Füllstoff nur am Rand der Poren dispergiert werden kann. Bei Anwendung mit einer leichten Druckänderung behindert der große Raum der Poren den Kontakt der am Rand der Poren verteilten leitfähigen Füllstoffe, was dazu führt, dass die meisten leitfähigen Pfade nur im Elastomer entstehen. Daher ist bei herkömmlichen porösen Sensoren die Widerstandsänderung über den gesamten Erfassungsbereich relativ gering. Bei unserer in-situ-füllenden porösen Struktur, die mit der Methode der weichen Emulsionsvorlage hergestellt wird, können sich die CNFs beim Mischen mit der PDMS-Emulsion in der weichen Vorlage verteilen. Während des Aushärtungsprozesses bei hoher Temperatur verdampft dann das emulgierte Wasser, während die im emulgierten Wasser dispergierten CNFs in den Poren verbleiben und in den Poren eingebettete CNF-Netzwerke bilden. Dies führte dazu, dass sich die leitfähigen Füllstoffe nicht nur am Rand der Poren anlagerten, sondern die Poren auch in situ ausfüllten. Wenn eine leichte Druckänderung ausgeübt wird, können die in der inneren porösen Struktur eingebetteten CNF-Netzwerke leicht miteinander in Kontakt treten, um freistehende leitende Pfade in den inneren Poren zu erzeugen. Darüber hinaus könnten die CNF-Netzwerke auch als „Brücke“ dienen, um den getrennten leitfähigen Füllstoff, der an den Rändern der Poren verteilt ist, zu verbinden und so leitfähigere Pfade zu bilden. Dies führt dazu, dass der leitfähige Pfad im Elastomer, in den Poren und an der Elastomer-Poren-Grenzfläche entstehen kann. Daher kann über den gesamten Erfassungsbereich eine größere Widerstandsänderung induziert werden. Ein Vergleich der Erfassungsleistung des porösen In-situ-Füllungssensors mit einem herkömmlichen porösen Sensor mit derselben Porosität und demselben CNF-Verhältnis wird durchgeführt, um die Überlegenheit der porösen In-situ-Füllungsstruktur gegenüber der herkömmlichen porösen Struktur weiter zu beweisen (ergänzende Abbildung 23). .

Bei einer Kompression von 63 % (Abb. 4c, f, i und l) führt die weitere Verformung und der enge Kontakt der Gitterstäbe zu mehr leitfähigen Pfaden und verringertem Widerstand. In den stark vergrößerten SEM-Bildern von Abb. 4f und i schrumpfen die Poren weiter und die in die poröse Struktur eingebetteten CNF-Netzwerke werden komprimiert, um leitfähigere Pfade zu bilden. Während des gesamten Kompressionsprozesses werden aufgrund des allmählichen Kontakts von in-situ füllenden CNF-Netzwerken im Mikromaßstab und der Verformung und des Kontakts von Gitterstäben im Makromaßstab kontinuierlich leitfähige Pfade erzeugt.

Aus Abb. 4i und m ist ersichtlich, dass selbst bei einer starken Komprimierung von 63 % aufgrund der Mascheneigenschaften der CNF-Netzwerke immer noch Lücken im Nanomaßstab zwischen den einzelnen Kohlenstoffnanofasern bestehen. Daher könnte eine leichte Druckänderung nach einer starken Vorkomprimierung immer noch dazu führen, dass einige leitende Pfade in nanoskaligen CNF-Netzwerken entstehen. Dies lässt sich anhand des Ergebnisses in Abb. 3g demonstrieren.

Der Gesamtwiderstand von HPPS wird als Summe des Widerstands des Sensormaterials (Rp, Rf) und des Kontaktwiderstands (Rc, Rl) ausgedrückt. Theoretisch wird der Gesamtwiderstand wie folgt ausgedrückt: Gl. (1):

Dabei bezeichnet Rc den Kontaktwiderstand zwischen der Sensorschicht und der Elektrode, Rl den Kontaktwiderstand zwischen den benachbarten ineinandergreifenden Gitterstäben, Rp den Widerstand der in der PDMS-Matrix erzeugten leitenden Pfade und Rf den Widerstand der erzeugten freistehenden Pfade innerhalb der porösen Struktur.

Aufgrund der hohen Empfindlichkeit und hohen Linearität über einen weiten Bereich kann der Drucksensor in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden. Wie in der ergänzenden Abbildung 24 dargestellt, werden unterschiedliche leichte Drücke erfasst und unterschieden, um die hohe Empfindlichkeit und Hochdruckauflösung des HPPS zu überprüfen. Um den leichten Druck zu erkennen, wird der Sensor mit Klebeband fest auf dem Tisch fixiert. Das Gewicht der leichten Objekte vom Reiskorn (0,022 g) bis zur winzigen Schraube (0,7 g) wird anhand der Differenz der Stromänderung erfasst und unterschieden. Aufgrund seiner hohen Empfindlichkeit kann der Sensor verwendet werden, um die Pulsperiode und Wellenform des Handgelenks in Echtzeit zu erfassen, wenn er mit dem medizinischen Klebeband an der Haut des Handgelenks befestigt wird (Abb. 5a). Wie in Abb. 5a dargestellt, konnte der arterielle Puls sowohl unter normalen Bedingungen (66 Schläge pro Minute) als auch nach Belastung (108 Schläge pro Minute) genau abgelesen werden. Mittlerweile kann jeder periodische Puls mit drei unterscheidbaren charakteristischen Spitzen in beiden Zuständen genau erkannt werden: Perkussionswelle (P), Flutwelle (T) und diastolische Welle (D). Dies deutet darauf hin, dass das HPPS möglicherweise in der Gesundheitsüberwachung und Krankheitsdiagnose eingesetzt werden könnte. Als nächstes wird der Drucksensor verwendet, um verschiedene Stimmen zu erkennen (ergänzende Abbildung 25). Wie im Einschub gezeigt, wird der Sensor am Hals befestigt, um die subtile Vibration zu erfassen, wenn der Freiwillige spricht. Die Wörter „Guten“ und „Morgen“ entsprechen den Merkmalen des aktuellen Änderungsmusters und weisen darauf hin, dass der Sensor in der Lage ist, verschiedene Stimmen zu unterscheiden. Das Wort „gut“ wird fünfmal wiederholt, um seine Wiederholbarkeit zu demonstrieren. Darüber hinaus konnte auch der Winkel der Fingerbeugung genau gemessen werden (Abb. 5b, ergänzende Abb. 26 und Video 2). Wenn sich der Beugewinkel des Fingers allmählich ändert, nimmt die aktuelle Änderung schrittweise zu. Die aktuelle Änderung bleibt konstant, wenn der Finger einen bestimmten Winkel beibehält, und kehrt zum ursprünglichen Wert zurück, wenn der Finger wieder in die ursprüngliche Position zurückkehrt. Wie in Abb. 5c und Zusatzvideo 3 gezeigt, ist der Drucksensor an der Sohle befestigt, um die verschiedenen Bewegungszustände zu erkennen. Verschiedene Bewegungen, darunter Gehen, zügiges Gehen, Laufen und Springen, konnten anhand der Schärfe, Frequenz und Intensität des Signals in Abb. 5c unterschieden werden. Der Sensor kann zur Messung des Reifendrucks beim Fahrradfahren verwendet werden, wie in Abb. 5d dargestellt. Beim Fahrradfahren mit aufgepumpten Reifen erzeugen die Reifen einen großen Druck auf den Sensor, was zu einem großen Stromsignal führt. Wenn der Reifen keine Luft mehr hat, wird die Kontaktfläche des Reifens mit dem Boden größer, was zu einem Rückgang des Drucks des Reifens auf den Sensor führt. Sensoren mit einer großen Reichweite können potenziell für die taktile Wahrnehmung von Mensch-Maschine-Schnittstellen eingesetzt werden, um kleine Drücke wie Blasen, Berühren und dann größere Drücke wie Stechen und Zertrümmern zu erkennen (ergänzende Abbildung 27). Darüber hinaus wird der Drucksensor als elektronische Waage verwendet, um die lineare Empfindlichkeit bei hohem Druck zu überprüfen, wie in Abb. 5e dargestellt. Die quadratische PET-Platte wird auf den Sensor gelegt, um das Gewicht zu tragen, und an vier Ecken befinden sich vier kleine Säulen, um das PET zu stabilisieren. Wenn drei inkrementelle Gewichte (20 g, 40 g, 60 g) nacheinander mit Vorladegewichten von 0 kg und 3 kg belastet wurden, weisen die aktuellen Änderungen für jede Massenzunahme von 20 g in beiden Fällen den gleichen Wert auf, was auf die gute Linearität von hinweist Der Drucksensor steht unter hohem Druck.

Ein HPPS, das am Handgelenk befestigt wird, um den Handgelenkspuls einer gesunden Person vor und nach dem Training zu überwachen. Das vergrößerte Einzelpulssignal enthält charakteristische Spitzen: P-Welle, T-Welle und D-Welle. b Überwachung der Fingerbeugung mit unterschiedlichen Winkeln. c Echtzeitaufzeichnung der menschlichen Bewegungen, einschließlich Gehen, zügiges Gehen, Laufen und Springen. d Messung des Reifendrucks beim Fahrradfahren. e Messung der drei 20-g-Gewichtsänderungen nacheinander unter den Vorbelastungsgewichten von 0 und 3 kg. f Messung der winzigen Druckänderung einer Wasserflasche unter der Vorbelastung eines menschlichen Gewichts. Messung der Druckveränderung eines Menschen und einer Kiste Wasser unter der Vorlast eines Fahrzeuggewichts.

Vor allem das HPPS hat ein großes Potenzial bei der Erkennung der inkrementellen kleinen Pressung unter großer Vorverdichtung. In Abb. 5f–h wird ein 2,5 × 2,5 cm2 großer Drucksensor verwendet, um die Hochdruckauflösungseigenschaften in einem breiten Druckbereich zu demonstrieren. Wie in Abb. 5f dargestellt, steht ein 80 kg schwerer Mann mit einem Fuß auf dem Drucksensor und dann wurde eine Flasche Wasser (~550 g) auf seine Hand gestellt. Der gesamte Vorgang, einschließlich der leichten Druckänderung durch die Zugabe einer Flasche Wasser, kann anhand der Stromänderung erkannt werden. Darüber hinaus wird in einem anderen Experiment (Abb. 5g und Zusatzvideo 4) das Vorderrad eines Autos (1700 kg) zunächst als Vorkompression auf den Sensor gedrückt. Wenn ein Mann (80 kg) in das Auto einsteigt, führt der erhöhte Druck zu einer stufenweisen Erhöhung der Stromveränderung. Wenn das Auto den Drucksensor verlässt, kehrt das Signal sofort in seinen ursprünglichen Zustand zurück. Wie in Abb. 5h und Zusatzvideo 5 gezeigt, wird ein leichterer Gegenstand (eine Kiste mit Wasserflaschen, 6 kg) auf das Auto gestellt. Der gesamte Vorgang, einschließlich der Gewichtsveränderung einer Schachtel Wasser in Flaschen, konnte durch die offensichtliche Signaländerung genau aufgezeichnet werden. Die Signalschwingungen (im roten Kreis markiert) im Einschub von Abb. 5g, h zeigen die leichte Vibration und Bewegung an, während ein Mann und eine Kiste Wasser auf das Auto geladen werden.

Die Überwachung der plantaren Druckverteilung ist von großer Bedeutung für die Prävention und Diagnose von Podologieerkrankungen, die Verletzungsprävention, die Ganganalyse und die Sportbiomechanik usw.30,54. Beispielsweise kann ein abnormaler Gang und eine abnormale Gehhaltung zu übermäßigem lokalen Druck in bestimmten Bereichen des Fußes führen, was zu verschiedenen Krankheiten wie Plantarfasziitis, diabetischen Fußgeschwüren usw. führen kann55,56. Der typische abnormale Gang einschließlich Supination und Pronation ist in den Nebenbildern in Abb. 6d dargestellt, z. Mit Ausnahme der angeborenen Supination und Pronation sind einige erworbene Fälle auf das Tragen ungeeigneter Schuhe, Übergewicht, Kalziummangel oder schlechte Gehgewohnheiten zurückzuführen. Bei der erworbenen Supination und Pronation ist es schwierig, die Erkrankung frühzeitig zu verhindern und zu diagnostizieren57.

a Optisches Bild des HPPS-Arrays auf der intelligenten Einlegesohle und entsprechende Anatomie in der schematischen Darstellung des menschlichen Fußes. b Entwicklung der Druckverteilungskartierung während des dynamischen Wachprozesses. In Echtzeit aufgezeichnete Stromschwankungen und der entsprechende berechnete Druck der fünf Sensoren zur Erkennung der Gehhaltung von drei verschiedenen Personen mit (c) neutralem Gang (d) Supinationsgang (e) Pronationsgang. In Echtzeit aufgezeichnete Stromschwankungen und der entsprechende berechnete Druck der fünf Sensoren zur Erkennung der Sportbiomechanik von (f) Laufen (g) Stehen auf Zehenspitzen (h) Hocken.

Dabei ist unser hochempfindlicher Weitbereichs-Drucksensor in der Lage, die plantare Druckverteilung genau zu erkennen, was zur frühzeitigen Diagnose von Gangstörungen genutzt werden kann. Die hohe Linearität des Drucksensors ist in der Lage, die Druckintensität verschiedener lokaler Bereiche klar zu unterscheiden. Wie in Abb. 6a dargestellt, sind fünf Drucksensoren in die intelligente Einlegesohle integriert. Jeder Sensor wird an den entsprechenden Bereichen des hinteren Fersenbeins (#1), des medialen Keilbeins (#2), des 1. Mittelfußknochens (#3), des 5. Mittelfußknochens (#4) und des 1. Fingerglieds (#5) platziert. Die Entwicklung der Druckverteilungskarte während des dynamischen Aufwachprozesses (Fersenauftritt, mittlerer Stand und Zehenabstoß) wird aus den erfassten Signalen rekonstruiert, wie in Abb. 6b dargestellt.

Abbildung 6c–e zeigt und vergleicht die aktuelle Variation und den entsprechenden berechneten Druck als Funktion der Zeit für drei verschiedene Gangarten: Neutral, Supination und Pronation. Beim neutralen Gang (Abb. 6c) steigt zunächst das Signal des Sensors Nr. 1 an, da die Ferse den Boden berührt. Dann zeigt der Anstieg des Sensorsignals Nr. 3 und 4 die mittlere Haltung an, und schließlich deutet der Signalanstieg des Sensors Nr. 5 darauf hin, dass sich die Ferse im Endstadium anhebt. Beim Supinationsgang (Abb. 6d) ist das Signal von Sensor Nr. 4 viel höher als das von Sensor Nr. 3, was auf eine Verschiebung des Schwerpunkts zur Außenseite des Fußes hindeutet (5. Mittelfußknochen). Bei der Pronation (Abb. 6e) führt die Verschiebung des Schwerpunkts zur Innenseite des Fußes zu einem höheren Signal im Sensor Nr. 3 (1. Mittelfußknochen). Darüber hinaus führt das frühe Stadium des Pronationsgangs zu einem leicht flachen Fuß, der dazu führt, dass sich das Fußgewölbe leicht verformt und den Sensor Nr. 2 (mediales Keilbein) berührt, wie im Nebenbild in Abb. 6e dargestellt. Daher ermöglicht die hohe Empfindlichkeit des Drucksensors die Erkennung geringfügiger Ganganomalien und ermöglicht so die Diagnose von Pronation und Supination im Frühstadium. Die hohe Linearität des Drucksensors konnte durch Vergleich der plantaren Druckverteilung leicht drei verschiedene Gangarten unterscheiden.

Neben der Prävention und Diagnose von Fußerkrankungen kann unser Sensor auch zur sportbiomechanischen Erkennung eingesetzt werden (Abb. 6f–h). Im Vergleich zum normalen Gehen (Abb. 6c, Schrittgeschwindigkeit: 48 Schritte pro Minute) werden beim Laufen ein größeres Stromsignal und eine höhere Frequenz beobachtet (Abb. 6f, Schrittgeschwindigkeit: 100 Schritte pro Minute). Beim Stehen auf den Zehenspitzen (Abb. 6g) wird mehr Druck auf das erste Fingerglied konzentriert, was ein intensives Signal im Sensor Nr. 1 verursacht. Während des Hockvorgangs (Abb. 6h) ändert sich das Signalerlebnis aufgrund des sich ändernden Schwerpunkts ständig. Die obigen Ergebnisse zeigen, dass die hohe Empfindlichkeit und die hohe Linearität des Drucksensors über einen breiten Bereich ein hervorragendes Potenzial für tragbare medizinische Geräte und Sportgeräte für Echtzeitüberwachungszwecke haben.

Zusammenfassend haben wir einen hierarchischen, in-situ füllenden porösen Drucksensor mit hoher Empfindlichkeit und hoher Linearität über einen breiten Erfassungsbereich entwickelt. Die vom DIW gedruckte hierarchische Geometrie erreicht einen breiten Erfassungsbereich, da das mehrschichtige Gitter und die interne poröse Struktur die Kontaktfläche vergrößern und die aufgebrachte Spannung verteilen. Die Strategie der In-situ-Bildung von CNF-Netzwerken mit eingebetteter innerer poröser Struktur sorgt für eine signifikante und kontinuierliche Vergrößerung der Kontaktfläche in jeder einzelnen Pore, was zu einer hohen Empfindlichkeit und hohen Linearität führt. Daher erreicht unser Drucksensor eine hohe Empfindlichkeit (4,7 kPa−1) und eine hohe Linearität (R2 = 0,998) über einen weiten Bereich (0,03–1000 kPa). Diese Sensorfunktionen ermöglichen es dem Drucksensor, verschiedene Reize zu erkennen, von niedrigem Druck wie Pulserkennung, Spracherkennung, Erkennung von Fingerbindungen in mittleren Druckbereichen bis hin zu menschlichen Fußbewegungen und Reifendrucküberwachung in Hochdruckregionen. Darüber hinaus ist der Sensor aufgrund seiner hohen Druckauflösung in der Lage, eine geringe Druckänderung bei hoher Kompression zu erkennen. Dank der herausragenden Leistung des Drucksensors kann er in naher Zukunft in der persönlichen Elektronik und in biomedizinischen Geräten eingesetzt werden. Darüber hinaus bietet diese kostengünstige Herstellungsmethode der hierarchischen In-situ-Füllung der porösen Struktur eine allgemeine Designstrategie für andere Arten von Sensoren.

Kohlenstoffnanofasern (CNFs, Modell XFM60, Reinheit > 95 Gew.-%) mit einem Durchmesser von 50–200 nm und einer Länge von 1–15 µm wurden von der Firma XFNANO bezogen. Die PDMS-Matrix (Sylgard 184) und der Härter wurden von Dow Corning Co., Ltd. gekauft. Paraffinflüssigkeit wurde von Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. erhalten. N-Hexan (AR, 97 %), 1,1,1,3 ,3,3-Hexafluor-2-propanol (99,5 %) und Ethanol (ACS, Reinheit > 99,5 %) wurden von Aladdin Co., Ltd. bezogen. TPU-Pellets wurden von Bayer Material Science bezogen.

Die PDMS-Matrix Sylgard 184 (5 g) und der Härter werden im Verhältnis 10:1 in einem 50-ml-Becherglas vollständig vermischt. Dann wurde die vorbereitete PDMS-Lösung mit Paraffinflüssigkeit (5 g) mit einer Dispergiermaschine mit hoher Scherung (FS400-S, LICHEN Co., Ltd) bei einer Rührgeschwindigkeit von 1200 U/min verdünnt. Dann wurde die wässrige Lösung mit einer Calciumchloridkonzentration von 3,5 Gew.-% tropfenweise mit einer Mikroflüssigkeitsspritzenpumpenmaschine (SP-1000, Ningbo Annuo Medical Apparatus und Instruments Technology Co., Ltd) mit einer Durchflussrate von 48 ml/h unter mechanischer Beanspruchung zugegeben rühren. Nachdem das gesamte Wasser in die PDMS/Paraffin-Flüssigkeitsmischung gegeben worden war, wurde eine weiße und cremige PDMS-Emulsion erhalten. Dann wurde ein bestimmtes Verhältnis von CNFs gründlich gemischt, um eine schwarze und cremige CNFs/PDMS-Emulsionstinte zu bilden. Nach Abschluss der Vorbereitung war die CNFs/PDMS-Emulsionstinte für die Charakterisierung und den DIW-Druck bereit.

Die Morphologie der PDMS-Emulsion und der CNFs/PDMS-Emulsion wurde mit einem aufrechten Mikroskop (ZEISS Axio Imager Vario) mit Objektivlinse (40×) charakterisiert. Die Emulsion wurde auf den Objektträger getropft und vor der Beobachtung mit einem Deckglas abgedeckt.

Das rheologische Verhalten der Tinten wurde mit einem Rheometer (Physica MCR-301, Anton Paar GmbH Co., Ltd) bei Umgebungstemperatur (25 °C) ermittelt. Die Scherviskosität der Tinte wurde durch Erhöhen der Scherrate von 10–2 auf 103 s–1 gemessen. Der Scherspeichermodul (G') und der viskose Verlustmodul (G") wurden in einem Oszillationsmodus mit einer konstanten Frequenz von 1 Hz im Spannungsbereich von 10−2 bis 103 Pa ermittelt.

Die 3D-CNFs/PDMS-Emulsionsgitterstruktur wurde mittels pneumatisch extrudierendem DIW-Druck (SHOTmini200ΩX, Musashi Engineering, Inc.) hergestellt. Alle von DIW gedruckten Gitterstrukturen wurden auf der Grundlage von Gitterstrukturmodellen hergestellt, die mit einer 3D-Modellierungssoftware im DIW-Drucker entworfen wurden. Die gedruckte Gitterstruktur wurde extrudiert und auf den PET-Substraten abgeschieden. Basierend auf der primären Optimierung betrug der Düsendurchmesser 0,84 mm, die Bewegungsgeschwindigkeit des Druckkopfs 6 mm s−1 und der Extrusionsdruck wurde je nach Zusammensetzung der CNFs/PDMS-Emulsion im Bereich von 50–100 kPa gesteuert. Nach dem DIW-Drucken wurde die CNFs/PDMS-Emulsionsgitterstruktur 2 Stunden lang in einem Ofen auf 110 °C erhitzt, um auszuhärten, während das emulgierte Wasser verdampfte. Die ausgehärtete CNFs/PDMS-Gitterstruktur wurde zweimal in n-Hexan bzw. Ethanol gewaschen und anschließend 2 Stunden bei 110 °C in einem Ofen getrocknet. Die Dicke der CNFs/PDMS-Gitterstruktur mit vier Schichten beträgt etwa 1,6 mm.

Die Porosität der CNFs/PDMS-Emulsionsgitterstruktur wurde durch die zugesetzte Wassermenge gesteuert, während das Verhältnis von CNFs:PDMS festgelegt war. Die Porosität von CNFs/PDMS-Schwamm wurde basierend auf der folgenden Gleichung berechnet: (2):

Die Herstellung von HPPS verlief wie folgt: Zunächst wurde der TPU-Film als Einkapselungsschicht durch Elektrospinnen von 4 Gew.-% TPU, gelöst in 1,1,1,3,3,3-Hexafluor-2-propanol, mit einer positiven Spannung von hergestellt 10 kV und eine negative Spannung von 2 kV. Der TPU-Film wurde als Schutzschicht in 2 × 2 cm² große Stücke geschnitten. Das Muster der Elektrode wurde mit der CorelDRAW-Software entworfen. Eine Laserschneidmaschine (4060, FST) wurde verwendet, um das leitfähige Gewebeband in das vorgefertigte Muster zu gravieren. Dann wurden die beiden Stücke geschnittener leitfähiger Stoffbänder auf die beiden Stücke geschnittener TPU-Folie als obere bzw. untere Elektrode übertragen. Die Sensorschicht aus HPPS wurde zwischen zwei Stücken quadratischer TPU-Folie mit dem leitfähigen Gewebeband eingekapselt.

Die Morphologie und Mikrostruktur der Proben wurden mittels Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie mit einer Spannung von 5 kV (Sirion200, FEI, USA) beobachtet. Der computergesteuerte Linearmotor (LinMot) und ein digitales Kraftmessgerät (Mark-10, USA) wurden zur Bereitstellung bzw. Messung des Drucks verwendet. Zwei Stücke einer quadratischen PMMA-Platte mit einer Länge von 1 cm und einer Dicke von 1 mm wurden jeweils auf den Kopf des digitalen Kraftmessgeräts und den Kopf des Linearmotors geklebt. Der Sensor wurde auf die PMMA-Platte am Kopf des digitalen Kraftmessgeräts geklebt. Für die Druckerfassungsleistung wurde der Linearmotor so eingestellt, dass er entsprechend den entsprechenden Testbedingungen Druck ausübt. Der Druck wurde mit dem digitalen Kraftmessgerät aufgezeichnet. In der Zwischenzeit wurde der Strom in Echtzeit mit einem von LabVIEW gesteuerten digitalen Quellenmessgerät (Keithley 2611B) aufgezeichnet. Die Source-Drain-Spannung betrug 0,1 V, mit Ausnahme der Demonstration der Hochdruckauflösung (Abb. 3g) betrug sie 0,07 V. Die IV-Kurven wurden mit einem elektrochemischen Analysator (CHI660E) im Druckbereich von (0–600 kPa) gemessen ). Für den Hochdruckauflösungstest (Abb. 3g), den Druckerkennungstest für winzige Objekte (ergänzende Abb. 24), die Pulserkennung (Abb. 5a), die Spracherkennung (ergänzende Abb. 25) und die Demonstration der Hochdruckauflösung (Abb. 5f–h) wurde der Strom mit einem Elektrometer (Keithley 6514) aufgezeichnet.

Der 3 × 3 cm2-Sensor wurde für die Demonstration der Hochdruckauflösung verwendet (Abb. 5f–h), und der 1 × 1 cm2-Sensor wurde für alle anderen Tests und Demonstrationen verwendet. Die Empfindlichkeit (S) wurde gemäß der folgenden Gleichung berechnet: (3):

Empfindlichkeit(S)

Dabei ist I0 der Anfangsstrom des Sensors ohne Druckbelastung und ΔI die Stromänderungen des Sensors bei einer festen Druckänderung (ΔP).

Die Spannungs- und Verschiebungsverteilung von PS-, SC- und FCT-Gitterstrukturen unter äußerem Druck wurde mit der COMSOL-Software simuliert. Der einzelne Gitterstab wurde auf 1 mm Länge und 0,5 mm Durchmesser eingestellt, der Abstand zwischen zwei Gitterstäben wurde auf 1 mm eingestellt. Zwei Platten erhielten die Stahleigenschaften, um die Gitterstruktur einzuschließen. Um die Gitterstrukturen zu komprimieren, wurde eine lineare Druckkraft angewendet.

Die fußförmige PET-Folie wurde mit einer Laserschneidmaschine geschnitten. Die 5 Drucksensoren sind an den 5 Positionen der PET-Folie angeordnet, darunter 1. Phalanx (Nr. 5), 5. Mittelfußknochen (Nr. 4), 1. Mittelfußknochen (Nr. 3), mediales Keilbein (Nr. 2) und hinterer Kalkaneus (Nr. 1). .

Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Schwartz, G. et al. Flexible Polymertransistoren mit hoher Druckempfindlichkeit für den Einsatz in der elektronischen Haut- und Gesundheitsüberwachung. Nat. Komm. 4, 1859 (2013).

Artikel CAS Google Scholar

Son, D. et al. Multifunktionale tragbare Geräte zur Diagnose und Therapie von Bewegungsstörungen. Nat. Nanotechnologie. 9, 397–404 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Chen, G. et al. Elektronische Textilien für tragbare Point-of-Care-Systeme. Chem. Rev. 122, 3259–3291 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Meng, K. et al. Tragbare Drucksensoren zur Pulswellenüberwachung. Adv. Mater. 34, e2109357 (2022).

Libanori, A. et al. Intelligente Textilien für die personalisierte Gesundheitsversorgung. Nat. Elektron. 5, 142–156 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Rus, D. & Tolley, MT Design, Herstellung und Steuerung von Soft-Robotern. Natur 521, 467–475 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Kim, Y. et al. Ein bioinspirierter flexibler organischer künstlicher afferenter Nerv. Science 360, 998–1003 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Jung, S. et al. Durch umgekehrte Mizellen induzierter poröser druckempfindlicher Gummi für tragbare Mensch-Maschine-Schnittstellen. Adv. Mater. 26, 4825–4830 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Jeong, JW et al. Materialien und optimierte Designs für Mensch-Maschine-Schnittstellen über epidermale Elektronik. Adv. Mater. 25, 6839–6846 (2013).

Artikel CAS Google Scholar

Araromi, OA et al. Hochempfindliche und belastbare Dehnmessstreifen für weiche Maschinen. Natur 587, 219–224 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Gorissen, B. et al. Elastische aufblasbare Aktuatoren für Soft-Roboter-Anwendungen. Adv. Mater. 29, 1604977 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Kim, J. et al. Dehnbare Silizium-Nanoband-Elektronik für Hautprothesen. Nat. Komm. 5, 5747 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Gong, S. et al. Ein tragbarer und hochempfindlicher Drucksensor mit ultradünnen Gold-Nanodrähten. Nat. Komm. 5, 3132 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Huang, CB et al. Molekül-Graphen-Hybridmaterialien mit abstimmbarer mechanischer Reaktion: Hochempfindliche Drucksensoren für die Gesundheitsüberwachung. Adv. Mater. 31, e1804600 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Bai, N. et al. Auf einer abgestuften, intrafillable-Architektur basierenden iontronischen Drucksensor mit extrem großer Empfindlichkeit. Nat. Komm. 11, 209 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Ji, B. et al. Bioinspiriertes Hybriddielektrikum für kapazitive und triboelektrische taktile Sensoren mit hoher Empfindlichkeit und ultraweitem Linearitätsbereich. Adv. Mater. 33, e2100859 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Wang, ZL & Song, J. Piezoelektrische Nanogeneratoren basierend auf Zinkoxid-Nanodraht-Arrays. Wissenschaft 312, 242–246 (2006).

Artikel CAS Google Scholar

Shin, K.-Y., Lee, JS & Jang, J. Hochempfindlicher, tragbarer und kabelloser Drucksensor mit freistehender ZnO-Nanonadel/PVDF-Hybriddünnschicht zur Herzfrequenzüberwachung. Nano Energy 22, 95–104 (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Zhu, XX et al. Durch Triboelektrifizierung ermöglichte Berührungssensorik für autonome Positionskartierung und dynamische Verfolgung durch ein flexibles und bereichsskalierbares Sensorarray. Nano Energy 41, 387–393 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Zhu, G. et al. Energieautarke, hochempfindliche, flexible taktile Sensoren basierend auf Kontaktelektrifizierung. Nano Lett. 14, 3208–3213 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Liu, W. et al. Piezoresistiver Drucksensor basierend auf synergistischen Innerconnect-Polyvinylalkohol-Nanodrähten/faltigem Graphenfilm. Klein 14, e1704149 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Choong, CL et al. Hochdehnbare Widerstandsdrucksensoren unter Verwendung eines leitfähigen Elastomerverbunds auf einer Mikropyramidenanordnung. Adv. Mater. 26, 3451–3458 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Park, J. et al. Riesiger Tunnel-Piezowiderstand von Verbundelastomeren mit ineinandergreifenden Mikrokuppelanordnungen für hochempfindliche und multimodale elektronische Häute. ACS Nano 8, 4689–4697 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Ghosh, R. et al. Herstellung piezoresistiver Si-Nanostab-basierter Drucksensor-Arrays: Ein vielversprechender Kandidat für tragbare Atemüberwachungsgeräte. Nano Energy 80, 105537 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Pang, C. et al. Ein flexibler und hochempfindlicher Dehnungsmessstreifensensor mit reversibler Verzahnung von Nanofasern. Nat. Mater. 11, 795–801 (2012).

Artikel CAS Google Scholar

Zhou, K. et al. Templatgesteuertes Wachstum hierarchischer MOF-Hybridarrays für taktile Sensoren. Adv. Funktion. Mater. 30, 2001296 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Li, X. et al. Ultrakomfortables hierarchisches Nanonetzwerk für hochempfindliche Drucksensoren. ACS Nano 14, 9605–9612 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Yang, T. et al. Hierarchisch mikrostrukturbioinspirierte flexible piezoresistive Bioelektronik. ACS Nano 15, 11555–11563 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Kim, S. et al. Tragbarer, extrem weitreichender und biegeunempfindlicher Drucksensor auf Basis von mit einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Netzwerk beschichteten porösen Elastomerschwämmen für Human-Interface- und Gesundheitsgeräte. ACS-Appl. Mater. Schnittstelle 11, 23639–23648 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Lee, Y. et al. Flexible ferroelektrische Sensoren mit ultrahoher Druckempfindlichkeit und linearer Reaktion über einen außergewöhnlich breiten Druckbereich. ACS Nano 12, 4045–4054 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Turco, A. et al. Ein innovativer, schneller und einfacher Soft-Template-Ansatz zur Herstellung von porösem PDMS für die Öl-Wasser-Trennung. J. Mater. Chem. A 5, 23785–23793 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Zhang, L. et al. Auf Paraffinöl basierender Soft-Template-Ansatz zur Herstellung eines wiederverwendbaren porösen PDMS-Schwamms für eine effektive Öl-/Wasser-Trennung. Langmuir 35, 11123–11131 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Xu, J. et al. Selektiver koaxialer Tinten-3D-Druck zur Herstellung von intelligentem Elastomerschaum mit eingebettetem dehnbarem Sensor in einem Durchgang. Zusatz. Hersteller 36, 101487 (2020).

CAS Google Scholar

Zou, B. et al. Wiederverwendetes Leder mit Sensorfunktionen für multifunktionale elektronische Haut. Adv. Wissenschaft. 6, 1801283 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Bae, GY et al. Lineare und hochdruckempfindliche elektronische Haut basierend auf einer bioinspirierten hierarchischen Strukturanordnung. Adv. Mater. 28, 5300–5306 (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Liu, M. et al. Großflächige, rein textile Drucksensoren zur Überwachung menschlicher Bewegung und physiologischer Signale. Adv. Mater. 29, 1703700 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Shi, J. et al. Mehrskaliger hierarchischer Entwurf eines flexiblen piezoresistiven Drucksensors mit hoher Empfindlichkeit und großem Linearitätsbereich. Klein 14, e1800819 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Guo, Y. et al. Ein tragbarer transienter Drucksensor aus MXene-Nanoblättern für eine empfindliche, weitreichende Mensch-Maschine-Schnittstelle. Nano Lett. 19, 1143–1150 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Yu, T. et al. Graphenschaum-Drucksensor basierend auf einer fraktalen Elektrode mit hoher Empfindlichkeit und großem linearen Bereich. Kohlenstoff 182, 497–505 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Chao, M. et al. Atmungsaktive Ti3C2Tx MXene/Protein-Nanokomposite für hochempfindliche medizinische Drucksensoren mit Abbaubarkeit in Lösungsmitteln. ACS Nano 15, 9746–9758 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Li, W. et al. Synergie von poröser Struktur und Mikrostruktur in piezoresistivem Material für leistungsstarke und flexible Drucksensoren. ACS-Appl. Mater. Schnittstelle 13, 19211–19220 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Zheng, Y. et al. Leitfähiger Drucksensor auf Basis von MXene/Baumwollgewebe mit hoher Empfindlichkeit und großem Erfassungsbereich für die Bewegungserkennung von Menschen und E-Haut. Chem. Ing. J. 420, 127720 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Wu, Q. et al. Trioden-imitierender Graphen-Drucksensor mit positiver Widerstandsvariation für Physiologie und Bewegungsüberwachung. ACS Nano 14, 10104–10114 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Zhao, T. et al. Pollenförmige hierarchische Struktur für Drucksensoren mit hoher Empfindlichkeit in einem ultrabreiten linearen Reaktionsbereich. ACS-Appl. Mater. Schnittstelle 12, 55362–55371 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Zhu, G. et al. 3D-gedruckter, von der Haut inspirierter flexibler Drucksensor mit poröser Gradientenstruktur für einstellbare hohe Empfindlichkeit und großen Linearitätsbereich. Adv. Mater. Technol. 7, 2101239 (2021).

Bae, K. et al. Großflächige, übersprechfreie, flexible taktile Sensormatrix, pixeliert durch Mesh-Schichten. ACS-Appl. Mater. Schnittstelle 13, 12259–12267 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Yue, Z. et al. Schwamm-Graphen-Aerogel-Drucksensoren mit einem extrem großen Betriebsbereich für die menschliche Erkennung und Bewegungserkennung. ACS-Appl. Elektron. Mater. 3, 1301–1310 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Bai, N. et al. Abgestufte Verriegelungen für iontronische Drucksensoren mit hoher Empfindlichkeit und hoher Linearität über einen weiten Bereich. ACS Nano 16, 4338–4347 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Zhang, Y. et al. Hochstabile flexible Drucksensoren mit quasihomogener Zusammensetzung und vernetzten Schnittstellen. Nat. Komm. 13, 1317 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Lee, Y. et al. Bioinspirierter Leitfähigkeits- und Steifheitsgradient für hochempfindliche elektronische Häute. ACS Nano 15, 1795–1804 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Park, J. et al. Maßgeschneiderte Kraftempfindlichkeit und -selektivität durch Mikrostrukturtechnik multidirektionaler elektronischer Häute. NPG Asia Mater. 10, 163–176 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Kim, YR et al. Binäre stachelige/kugelförmige Nanopartikelfilme mit hierarchischen Mikro-/Nanostrukturen für leistungsstarke flexible Drucksensoren. ACS-Appl. Mater. Schnittstelle 12, 58403–58411 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Pyo, S. et al. Mehrschichtige, hierarchische gewebebasierte taktile Sensoren mit hoher Empfindlichkeit und Linearität im ultraweiten Druckbereich. Adv. Funktion. Mater. 29, 1902484 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Yin, YM et al. Einfache Herstellung eines flexiblen Drucksensors mit programmierbarer Gitterstruktur. ACS-Appl. Mater. Schnittstelle 13, 10388–10396 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Nie, B. et al. Textilbasiertes drahtloses Drucksensor-Array für die menschlich-interaktive Erfassung. Adv. Funktion. Mater. 29, 1808786 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

van Schie, CH Ein Überblick über die Biomechanik des diabetischen Fußes. Int. J. Low. Extrem. Wunden 4, 160–170 (2005).

Artikel Google Scholar

Pang, Y. et al. Von der Epidermis-Mikrostruktur inspirierter Graphen-Drucksensor mit zufällig verteiltem Spinosum für hohe Empfindlichkeit und große Linearität. ACS Nano 12, 2346–2354 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

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Diese Arbeit wurde vom Ningbo Municipal 3315 Talent Scheme vom Ningbo Science and Technology Bureau und der Zhejiang Provincial Natural Science Foundation of China (Grant LR19F010001) unterstützt.

Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Jin Xu, Huayang Li

New Materials Institute, Abteilung für Maschinenbau, Werkstoffe und Fertigungstechnik, Universität Nottingham Ningbo China, 315100, Ningbo, China

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

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

Huayang Li & Jinwei Cao

School of Nanoscience and Technology, Universität der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, 100049, Peking, China

Xin Li

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

Wandi Bao

Hochschule für Maschinenbau und Elektrotechnik, Universität für Chemische Technologie Peking, 100029, Peking, China

Fanyuan Xiao

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JX und HL haben gleichermaßen zu dieser Arbeit beigetragen. GZ und JX hatten die Idee und gestalteten die Experimente. JX, YY, XL, HF, WB und HT führten die Geräteentwicklung und Leistungsmessung durch. JX, HL, FX, JC trugen zur FEA-Simulation und Zeichnung des schematischen Diagramms bei. JX, HL, YY, XL, JC, HFWB und HT beteiligten sich an der Diskussion der experimentellen Daten. JX analysierte die experimentellen Ergebnisse und verfasste die Arbeit. JX, HL und YY waren an der Überarbeitung des Papiers beteiligt. GZ und HL betreuten den Forschungsprozess.

Korrespondenz mit Huayang Li oder Guang Zhu.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Xu, J., Li, H., Yin, Y. et al. Drucksensor mit hoher Empfindlichkeit und großem Linearitätsbereich, basierend auf einer hierarchischen, in-situ füllenden porösen Struktur. npj Flex Electron 6, 62 (2022). https://doi.org/10.1038/s41528-022-00191-7

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Eingegangen: 09. März 2022

Angenommen: 21. Juni 2022

Veröffentlicht: 19. Juli 2022

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

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