stringtranslate.com

Resistencia de detección de fuerza

Un resistor sensible a la fuerza es un material cuya resistencia cambia cuando se le aplica una fuerza , presión o tensión mecánica . También se los conoce como resistores sensibles a la fuerza y ​​a veces se los denomina con las siglas FSR . [1]

Uso de FSR

Historia

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

Propiedades

Las resistencias de detección de fuerza consisten en un polímero conductor , que cambia de resistencia de manera predecible después de aplicar fuerza a su superficie. [5] Normalmente se suministran como una hoja de polímero o tinta que se puede aplicar mediante serigrafía . La película de detección consiste en partículas conductoras y no conductoras de electricidad suspendidas en una matriz. Las partículas tienen tamaños submicrométricos formulados para reducir la dependencia de la temperatura, mejorar las propiedades mecánicas y aumentar la durabilidad de la superficie. Aplicar una fuerza a la superficie de la película de detección hace que las partículas toquen los electrodos conductores, cambiando la resistencia de la película. Al igual que con todos los sensores basados ​​en resistivos, las resistencias 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 (el espesor suele ser inferior a 0,5 mm), bajo costo y buena resistencia a los golpes . Una desventaja es su baja precisión: los resultados de la medición pueden diferir en un 10% y 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 de funcionamiento principales en las resistencias de detección de fuerza: percolación y tunelización cuántica . Aunque ambos fenómenos ocurren simultáneamente en el polímero conductor, uno domina sobre el otro dependiendo de la concentración de partículas. [6] La concentración de partículas también se conoce en la literatura como la fracción de volumen de relleno . [7] Más recientemente, se han establecido nuevas explicaciones mecanicistas para explicar el rendimiento de las resistencias de detección de fuerza; estas se basan en la propiedad de la resistencia de contacto que se produce entre los electrodos del sensor y el polímero conductor. Específicamente, la transición inducida por la fuerza de los contactos Sharvin a los contactos Holm convencionales . [8] La resistencia de contacto , , juega un papel importante en la conducción de corriente de las resistencias de detección de fuerza de una manera doble. Primero, para una tensión o fuerza aplicada dada , se produce una deformación plástica entre los electrodos del sensor y las partículas de polímero, lo que reduce la resistencia de contacto . [9] [10] Segundo, la superficie irregular del polímero se aplana cuando se somete a fuerzas incrementales y, por lo tanto, se crean más caminos 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 las aglomeraciones del aglutinante polimérico. [11]

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

Percolación en los FSR

El fenómeno de percolación predomina en el polímero conductor cuando la concentración de partículas está por encima del umbral de percolación . Una resistencia de detección de fuerza que funciona en base a 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 del 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] En régimen de percolación, las partículas se separan entre sí cuando se aplica tensión mecánica; esto provoca un incremento neto en la resistencia del dispositivo.

Tunelización cuántica en FSR

El efecto túnel cuántico es el modo de funcionamiento más común de los resistores de detección de fuerza. Un polímero conductor que funciona sobre la base del efecto túnel cuántico exhibe una disminución de la resistencia para valores incrementales de tensión . Los FSR comerciales como FlexiForce [16] , Interlink [17] y Peratech [18] funcionan sobre la base del efecto túnel cuántico. Los sensores Peratech también se conocen en la literatura como compuestos de efecto túnel cuántico .

La operación de tunelización cuántica implica que la separación media entre partículas se reduce cuando el polímero conductor se somete a una tensión mecánica; dicha reducción provoca un incremento de la probabilidad de transmisión de partículas según las ecuaciones para una barrera de potencial rectangular . [19] De manera similar, la resistencia de contacto se reduce en medio de fuerzas aplicadas mayores. Para operar en base a la tunelización cuántica, 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 por efecto túnel cuántico de los 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 de electrones, , que sigue una distribución de probabilidad de Fermi-Dirac, es decir, la energía de los electrones no está determinada a priori o no puede ser establecida por el usuario final. La derivación analítica de las ecuaciones para una barrera de potencial rectangular que incluye la distribución de Fermi-Dirac fue encontrada en los años 60 por Simmons. [22] Tales ecuaciones relacionan la densidad de corriente con el voltaje externo aplicado a través del sensor . Sin embargo, no es directamente medible en la práctica, por lo que la transformación generalmente se aplica en la literatura cuando se trata de FSR.

Al igual que en las ecuaciones para una barrera de potencial rectangular , las ecuaciones de Simmons son por partes con respecto a la magnitud de , es decir, se establecen diferentes expresiones en función de y la altura de la barrera de potencial rectangular . La ecuación de Simmons más simple [22] se relaciona con , cuando se muestra a continuación:

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 por efecto túnel ha sido propuesto por Zhang et al. [23] basándose en dicha ecuación. Al reorganizar 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.

donde es el módulo de Young del polímero conductor. Finalmente, combinando todas las ecuaciones anteriores, se obtiene el modelo de Zhang [23] de la siguiente manera:

Aunque el modelo de Zhang et al. ha sido ampliamente aceptado por muchos autores, [11] [9] no ha podido predecir algunas observaciones experimentales informadas en resistencias de detección de fuerza. Probablemente, el fenómeno más difícil de predecir es la degradación de la sensibilidad. Cuando se someten a una carga dinámica, algunas resistencias de detección de fuerza presentan una degradación de la sensibilidad. [24] [25] Hasta la fecha, no se ha proporcionado una explicación física para tal fenómeno, pero las observaciones experimentales y el modelado más complejo 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 activación 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 tunelización 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 como una función de la resistencia de contacto y de la siguiente manera:

y la resistencia de contacto viene dada por:

donde es la resistencia de las nanopartículas conductoras y , son factores determinados experimentalmente que dependen del material de la 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] :

Cuando

Cuando

Cuando

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

Tendencias actuales de investigación en FSR

Aunque el modelo anterior [10] no puede describir el fenómeno no deseado de la degradación de la sensibilidad, la inclusión de modelos reológicos ha predicho que la deriva se puede reducir eligiendo un voltaje de fuente apropiado; las observaciones experimentales han apoyado esta afirmación. [26] Otro enfoque para reducir la deriva es emplear electrodos no alineados para minimizar los efectos del deslizamiento del polímero. [27] Actualmente, se está haciendo 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 accionamiento más adecuado, [26] cambio de la configuración de los electrodos para minimizar la deriva y/o la histéresis, [27] investigación sobre nuevos tipos de materiales como los nanotubos de carbono , [28] o soluciones que combinan los métodos mencionados anteriormente.

Usos

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

Véase también

Referencias

  1. ^ Definiciones de FSR
  2. ^ "Electrónica Interlink".
  3. ^ Física y Radioelectrónica. "Resistencia sensible a la fuerza".
  4. ^ Sensitronica
  5. ^ "Sensores táctiles". Archivado desde el original el 24 de abril de 2001.
  6. ^ ab Stassi, S; Cauda, ​​V; Canavese, G; Pirri, C (14 de marzo de 2014). "Detección táctil flexible basada en compuestos piezorresistivos: una revisión". Sensores . 14 (3): 5296–5332. Bibcode :2014Senso..14.5296S. doi : 10.3390/s140305296 . PMC 4003994 . PMID  24638126. 
  7. ^ Bloor, D; Donnelly, K; Hands, P; Laughlin, P; Lussey, D (5 de agosto de 2005). "Un compuesto de metal y polímero con propiedades inusuales" (PDF) . Journal of Physics D . 38 (16): 2851. Bibcode :2005JPhD...38.2851B. doi :10.1088/0022-3727/38/16/018. hdl : 20.500.11820/53811f2f-2093-43a7-9f35-854338273c94 . S2CID  84833095.
  8. ^ Mikrajuddin, A; Shi, F; Kim, H; Okuyama, K (24 de abril de 2000). "Resistencia a la constricción eléctrica dependiente del tamaño para contactos de tamaño arbitrario: desde los límites de Sharvin hasta los de Holm". Ciencia de los materiales en el procesamiento de semiconductores . 2 (4): 321–327. doi :10.1016/S1369-8001(99)00036-0.
  9. ^ ab Kalantari, M; Dargahi, J; Kovecses, J; Mardasi, M; Nouri, S (2012). "Un nuevo enfoque para modelar sensores de fuerza piezorresistivos basados ​​en compuestos de polímeros semiconductores" (PDF) . Transacciones IEEE/ASME sobre mecatrónica . 17 (3): 572–581. doi :10.1109/TMECH.2011.2108664. S2CID  44667583.
  10. ^ abcd Paredes-Madrid, L; Palacio, C; Matute, A; Parra, C (14 de septiembre de 2017). "Física subyacente de compuestos de polímeros conductores y resistencias de detección de fuerza (FSR) en condiciones de carga estática". Sensores . 17 (9): 2108. Bibcode :2017Senso..17.2108P. doi : 10.3390/s17092108 . PMC 5621037 . PMID  28906467. 
  11. ^ ab Wang, L; Ding, T; Wang, P (30 de junio de 2009). "Influencia de la concentración de negro de carbón en la piezorresistividad para compuestos de caucho de silicona rellenos con negro de carbón". Carbon . 47 (14): 3151–3157. Bibcode :2009Carbo..47.3151L. doi :10.1016/j.carbon.2009.06.050.
  12. ^ Knite, M; Teteris, V; Kiploka, A; Kaupuzs, J (15 de agosto de 2003). "Nanocompuestos de poliisopreno y negro de carbono como materiales para sensores de tensión y presión". Sensores y actuadores A: Física . 110 (1–3): 142–149. doi :10.1016/j.sna.2003.08.006.
  13. ^ Yi, H; Dongrui, W; Xiao-Man, Z; Hang, Z; Jun-Wei, Z; Zhi-Min, D (24 de octubre de 2012). "Comportamiento piezorresistivo positivo de nanocompuestos de grafeno/polidimetilsilicona funcionalizados con alquilo eléctricamente conductores". J. Mater. Chem. C . 1 (3): 515–521. doi :10.1039/C2TC00114D.
  14. ^ Basta, M; Picciarelli, V; Stella, R (1 de octubre de 1993). "Una introducción a la percolación". Revista Europea de Física . 15 (3): 97-101. Código bibliográfico : 1994EJPh...15...97B. doi :10.1088/0143-0807/15/3/001. S2CID  250782773.
  15. ^ Zhou, J; Song, Y; Zheng, Q; Wu, Q; Zhang, M (2 de febrero de 2008). "Transición de percolación y piezorresistencia hidrostática para vulcanizados de poli(metilvinilsilioaxno) rellenos con negro de carbón". Carbon . 46 (4): 679–691. Bibcode :2008Carbo..46..679Z. doi :10.1016/j.carbon.2008.01.028.
  16. ^ Tekscan, Inc. "FlexiForce, sensores de fuerza y ​​carga estándar modelo A201. Hoja de datos" (PDF) .
  17. ^ Interlink Electronics. "Hoja de datos de la serie FSR400" (PDF) .
  18. ^ Peratech, Inc. "Hoja de datos de la serie QTC SP200. Sensores de punto único" (PDF) .
  19. ^ Canavese, G; Stassi, S; Fallauto, C; Corbellini, S; Cauda, ​​V (23 de junio de 2013). "Compuesto flexible piezorresistivo para aplicaciones táctiles robóticas". Sensores y actuadores A: Física . 208 : 1–9. doi :10.1016/j.sna.2013.11.018. S2CID  109604106.
  20. ^ Li, C; Thostenson, E; Chou, TW (29 de noviembre de 2007). "Función dominante de la resistencia de tunelización en la conductividad eléctrica de los compuestos basados ​​en nanotubos de carbono". Applied Physics Letters . 91 (22): 223114. Bibcode :2007ApPhL..91v3114L. doi :10.1063/1.2819690.
  21. ^ Lantada, A; Lafont, P; Muñoz, J; Munoz-Guijosa, J; Echavarri, J (16 de septiembre de 2010). "Composites de efecto túnel cuántico: caracterización y modelado para promover sus aplicaciones como sensores". Sensores y actuadores A: Física . 164 (1–2): 46–57. doi :10.1016/j.sna.2010.09.002.
  22. ^ abcde Simmons, J (1963). "Efecto túnel eléctrico entre electrodos diferentes separados por una fina película aislante". Journal of Applied Physics . 34 (9): 2581–2590. Bibcode :1963JAP....34.2581S. doi :10.1063/1.1729774.
  23. ^ ab Xiang-Wu, Z; Yi, P; Qiang, Z; Xiao-Su, Y (8 de septiembre de 2000). "Dependencia temporal de la piezorresistencia para los compuestos de polímeros llenos de conductores". Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics . 38 (21): 2739–2749. Bibcode :2000JPoSB..38.2739Z. doi :10.1002/1099-0488(20001101)38:21<2739::AID-POLB40>3.0.CO;2-O.
  24. ^ Lebosse, C; Renaud, P; Bayle, B; Mathelin, M (2011). "Modelado y evaluación de sensores de fuerza de bajo costo". IEEE Transactions on Robotics . 27 (4): 815–822. doi :10.1109/TRO.2011.2119850. S2CID  14491353.
  25. ^ Lin, L; Liu, S; Zhang, Q; Li, X; Ji, M; Deng, H; Fu, Q (2013). "Hacia una sensibilidad ajustable de la propiedad eléctrica a la deformación para compuestos de polímeros conductores basados ​​en elastómeros termoplásticos". ACS Applied Materials & Interfaces . 5 (12): 5815–5824. doi :10.1021/am401402x. PMID  23713404.
  26. ^ abc Paredes-Madrid, L; Matute, A; Bareño, J; Parra, C; Gutierrez, E (21 de noviembre de 2017). "Física subyacente de los compuestos de polímeros conductores y las resistencias de detección de fuerza (FSR). Un estudio sobre la respuesta de fluencia y la carga dinámica". Materiales . 10 (11): 1334. Bibcode :2017Mate...10.1334P. doi : 10.3390/ma10111334 . PMC 5706281 . PMID  29160834. 
  27. ^ ab Wang, L; Han, Y; Wu, C; Huang, Y (7 de junio de 2013). "Una solución para reducir la dependencia temporal de la resistencia de salida de un elemento viscoelástico y piezorresistivo". Materiales y estructuras inteligentes . 22 (7): 075021. Bibcode :2013SMaS...22g5021W. doi :10.1088/0964-1726/22/7/075021. S2CID  108446573.
  28. ^ Cao, X; Wei, X; Li, G; Hu, C; Dai, K (10 de marzo de 2017). "Comportamientos de detección de deformación de nanocompuestos de epoxi con nanotubos de carbono bajo deformación cíclica". Polímero . 112 : 1–9. doi :10.1016/j.polymer.2017.01.068.
  29. ^ Issartel, Pablo; Besançon, Lonni; Isenberg, Tobías; Ammi, Mehdi (2016). "Un volumen tangible para la interacción 3D portátil". Simposio internacional IEEE 2016 sobre realidad mixta y aumentada (ISMAR-Adjunct) . IEEE. págs. 215-220. arXiv : 1603.02642 . doi :10.1109/ismar-adjunct.2016.0079. ISBN 978-1-5090-3740-7.
  30. ^ Besançon, Lonni; Ammi, Mehdi; Isenberg, Tobias (2017). "Control del factor de ganancia basado en presión para interacción móvil 3D utilizando dispositivos acoplados localmente". Actas de la Conferencia CHI de 2017 sobre factores humanos en sistemas informáticos . Nueva York, Nueva York, EE. UU.: ACM Press. págs. 1831–1842. doi :10.1145/3025453.3025890. ISBN . 978-1-4503-4655-9.
  31. ^ McLachlan, Ross; Brewster, Stephen (2015). "Entrada bimanual para dispositivos tipo tableta con gestos de presión y multitáctiles". Actas de la 17.ª Conferencia internacional sobre interacción hombre-ordenador con dispositivos y servicios móviles . Nueva York, Nueva York, EE. UU.: ACM Press. págs. 547–556. doi :10.1145/2785830.2785878. ISBN . 978-1-4503-3652-9.