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Resistencia de detección de fuerza

Una resistencia sensora de fuerza es un material cuya resistencia cambia cuando se aplica una fuerza , presión o tensión mecánica . También se les conoce como resistencias sensibles a la fuerza y, a veces, se les denomina con las iniciales FSR . [1]

Uso de FSR

Historia

La tecnología de resistencias detectoras de fuerza fue inventada y patentada en 1977 por Franklin Eventoff. En 1985, Eventoff fundó Interlink Electronics , [2] una empresa basada en su resistencia sensora de fuerza (FSR). En 1987, Eventoff recibió el prestigioso premio internacional IR 100 por desarrollar el FSR. En 2001, Eventoff fundó una nueva empresa, Sensitronics, [3] que dirige actualmente. [4]

Propiedades

Las resistencias detectoras de fuerza consisten en un polímero conductor , que predeciblemente cambia la resistencia después de aplicar fuerza a su superficie. [5] Normalmente se suministran como una lámina de polímero o tinta que se puede aplicar mediante serigrafía . La película sensora está formada por partículas conductoras y no conductoras suspendidas en una matriz. Las partículas son de tamaños submicrométricos formuladas para reducir la dependencia de la temperatura, mejorar las propiedades mecánicas y aumentar la durabilidad de la superficie. La aplicación de una fuerza a la superficie de la película sensora hace que las partículas toquen los electrodos conductores, cambiando la resistencia de la película. Como ocurre con todos los sensores resistivos, los resistores de detección de fuerza requieren una interfaz relativamente simple y pueden funcionar satisfactoriamente en entornos moderadamente hostiles. En comparación con otros sensores de fuerza, las ventajas de los FSR son su tamaño (normalmente un espesor inferior a 0,5 mm), su bajo costo y su buena resistencia a los golpes . Una desventaja es su baja precisión: los resultados de las mediciones pueden diferir en un 10% o más. Los condensadores de detección de fuerza ofrecen una sensibilidad superior y estabilidad a largo plazo, pero requieren una electrónica de accionamiento más complicada.

Principio de funcionamiento de los FSR

Hay dos principios operativos principales en las resistencias de detección de fuerza: percolación y túnel cuántico . Aunque ambos fenómenos ocurren simultáneamente en el polímero conductor, un fenómeno domina sobre el otro dependiendo de la concentración de partículas. [6] La concentración de partículas también se conoce en la literatura como fracción de volumen de relleno . [7] Más recientemente, se han establecido nuevas explicaciones mecanicistas para explicar el rendimiento de las resistencias detectoras de fuerza; estos se basan en la propiedad de la resistencia de contacto que se produce entre los electrodos del sensor y el polímero conductor. Específicamente, la fuerza indujo la transición de los contactos Sharvin a los contactos Holm convencionales . [8] La resistencia de contacto , , desempeña un doble papel importante en la conducción de corriente de las resistencias detectoras de fuerza. En primer lugar, para una determinada tensión o fuerza aplicada , se produce una deformación plástica entre los electrodos del sensor y las partículas de polímero, lo que reduce la resistencia de contacto . [9] [10] En segundo lugar, la superficie irregular del polímero se aplana cuando se somete a fuerzas incrementales y, por lo tanto, se crean más rutas de contacto; esto provoca un incremento en el área efectiva para la conducción de corriente . [10] A escala macroscópica, la superficie del polímero es lisa. Sin embargo, bajo un microscopio electrónico de barrido , el polímero conductor es irregular debido a aglomeraciones del aglutinante polimérico. [11]

Hasta la fecha, ningún modelo integral es capaz de predecir todas las no linealidades observadas en las resistencias detectoras de fuerza. Los múltiples fenómenos que ocurren en el polímero conductor resultan demasiado complejos para abarcarlos todos simultáneamente; esta condición es típica de los sistemas comprendidos dentro de la física de la materia condensada . Sin embargo, en la mayoría de los casos, el comportamiento experimental de las resistencias detectoras de fuerza puede aproximarse groseramente a la teoría de la percolación o a las ecuaciones que gobiernan el túnel cuántico a través de una barrera de potencial rectangular .

Percolación en FSR

El fenómeno de percolación domina en el polímero conductor cuando la concentración de partículas está por encima del umbral de percolación . Una resistencia de detección de fuerza que funciona según la percolación exhibe un coeficiente de presión positivo y, por lo tanto, un incremento en la presión aplicada provoca un incremento en la resistencia eléctrica , [12] [13] Para una tensión aplicada dada , la resistividad eléctrica de la El polímero conductor se puede calcular a partir de: [14]

donde coincide con un prefactor que depende de las propiedades de transporte del polímero conductor y es el exponente crítico de conductividad. [15] Bajo el régimen de percolación, las partículas se separan entre sí cuando se aplica tensión mecánica; esto provoca un incremento neto en la resistencia del dispositivo.

Túneles cuánticos en FSR

El túnel cuántico es el modo de funcionamiento más común de las resistencias de detección de fuerza. Un polímero conductor que opera sobre la base de un túnel cuántico exhibe una disminución de la resistencia para valores incrementales de tensión . Los FSR comerciales como los sensores FlexiForce, [16] Interlink [17] y Peratech [18] funcionan basándose en túneles cuánticos. Los sensores de Peratech también se denominan en la literatura compuestos de túnel cuántico .

La operación de túnel cuántico implica que la separación promedio entre partículas se reduce cuando el polímero conductor se somete a tensión mecánica; Tal reducción causa un incremento en la probabilidad de transmisión de partículas de acuerdo con las ecuaciones para una barrera de potencial rectangular . [19] De manera similar, la resistencia de contacto se reduce en medio de fuerzas aplicadas más grandes. Para operar según el túnel cuántico, la concentración de partículas en el polímero conductor debe mantenerse por debajo del umbral de percolación . [6]

Varios autores han desarrollado modelos teóricos para la conducción de túneles cuánticos de FSR, [20] [21] algunos de los modelos se basan en las ecuaciones para la transmisión de partículas a través de una barrera de potencial rectangular . Sin embargo, el uso práctico de tales ecuaciones es limitado porque se expresan en términos de energía electrónica, que sigue una distribución de probabilidad de Fermi Dirac, es decir, la energía electrónica no está determinada a priori o no puede ser establecida por el usuario final. Simmons encontró en los años 60 la derivación analítica de las ecuaciones para una barrera de potencial rectangular , incluida la distribución de Fermi Dirac. [22] Tales ecuaciones relacionan la densidad de corriente con el voltaje externo aplicado a través del sensor . Sin embargo, en la práctica no es fácil de medir, por lo que la transformación suele aplicarse en la literatura cuando se trata de IEF.

Al igual que en las ecuaciones para una barrera de potencial rectangular , las ecuaciones de Simmons se refieren a la magnitud de , es decir, se expresan diferentes expresiones dependiendo de la altura de la barrera de potencial rectangular . La ecuación de Simmons más simple [22] se relaciona con , cuando es la siguiente:

donde está en unidades de electrón voltio , son la masa y la carga del electrón respectivamente, y es la constante de Planck . La ecuación de bajo voltaje del modelo de Simmons [22] es fundamental para modelar la conducción de corriente de los FSR. El modelo más ampliamente aceptado para la conducción de túneles ha sido propuesto por Zhang et al. [23] basado en dicha ecuación. Reordenando la ecuación anterior, es posible obtener una expresión para la resistencia del polímero conductor , donde viene dada por el cociente según la ley de Ohm :

Cuando el polímero conductor está completamente descargado, se puede establecer la siguiente relación entre la separación entre partículas en estado de reposo , la fracción de volumen de relleno y el diámetro de partícula :

De manera similar, se puede establecer la siguiente relación entre la separación entre partículas y la tensión.

¿Dónde está el módulo de Young del polímero conductor? Finalmente, combinando todas las ecuaciones anteriores, el modelo de Zhang [23] se obtiene como sigue:

Aunque el modelo de Zhang et al. ha sido ampliamente aceptado por muchos autores, [11] [9] no ha podido predecir algunas observaciones experimentales reportadas en resistencias de detección de fuerza. Probablemente, el fenómeno más difícil de predecir es la degradación de la sensibilidad. Cuando se someten a cargas dinámicas, algunas resistencias de detección de fuerza exhiben una degradación de la sensibilidad. [24] [25] Hasta la fecha, no se ha proporcionado una explicación física para tal fenómeno, pero observaciones experimentales y modelos más complejos de algunos autores han demostrado que la degradación de la sensibilidad es un fenómeno relacionado con el voltaje que se puede evitar eligiendo un voltaje de conducción apropiado en la configuración experimental. [26]

El modelo propuesto por Paredes-Madrid et al. [10] utiliza todo el conjunto de ecuaciones de Simmons [22] y abarca la resistencia de contacto dentro del modelo; Esto implica que el voltaje aplicado externamente al sensor se divide entre el voltaje de túnel y la caída de voltaje a través de la resistencia de contacto de la siguiente manera:

Reemplazando la corriente del sensor en la expresión anterior, se puede expresar en función de la resistencia del contacto y de la siguiente manera:

y la resistencia de contacto está dada por:

donde es la resistencia de las nanopartículas conductoras y , son factores determinados experimentalmente que dependen del material de interfaz entre el polímero conductor y el electrodo. Finalmente, las expresiones que relacionan la corriente del sensor con son funciones por partes al igual que las ecuaciones de Simmons [22] son:

Cuando

Cuando

Cuando

En las ecuaciones anteriores, el área efectiva para la conducción de túneles se establece como una función creciente que depende de la tensión aplicada y de los coeficientes , que se determinarán experimentalmente. Esta formulación toma en cuenta el incremento en el número de caminos de conducción con tensión:

Tendencias actuales de investigación en FSR

Aunque el modelo anterior [10] no puede describir el fenómeno no deseado de degradación de la sensibilidad, la inclusión de modelos reológicos ha predicho que la deriva se puede reducir eligiendo un voltaje de suministro apropiado; Las observaciones experimentales han apoyado esta afirmación. [26] Otro enfoque para reducir la deriva es emplear electrodos no alineados para minimizar los efectos de la fluencia del polímero. [27] Actualmente se está realizando un gran esfuerzo para mejorar el rendimiento de los FSR con múltiples enfoques diferentes: modelado en profundidad de dichos dispositivos para elegir el circuito de conducción más adecuado, [26] cambiando la configuración del electrodo para minimizar la deriva y/o o histéresis, [27] investigando sobre nuevos tipos de materiales como nanotubos de carbono , [28] o soluciones que combinen los métodos antes mencionados.

Usos

Las resistencias de detección de fuerza se usan comúnmente para crear "botones" de detección de presión y tienen aplicaciones en muchos campos, incluidos instrumentos musicales (como Sensel Morph), sensores de ocupación de automóviles, extremidades artificiales, sistemas de pronación del pie y electrónica portátil . También se utilizan en sistemas de realidad mixta o aumentada [29], así como para mejorar la interacción móvil. [30] [31]

Ver también

Referencias

  1. ^ Definiciones de FSR
  2. ^ "Electrónica de interconexión".
  3. ^ Física y Radioelectrónica. "Resistencia sensible a la fuerza".
  4. ^ Sensitrónica
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