Опис літератури по ємнісних датчиках тиску

Низькотемпературна кераміка спільного спакання (LTCC) є однією з мікроелектронних технік. Ця технологія була розроблена як альтернатива друкованим платам (PCB) та класичній товстошаровій технології, і знайшла застосування в виготовленні багатошарових керамічних плат для електронних пристроїв. Швидкий та широкий розвиток цієї технології дозволив виготовляти 3D механічні структури та інтегрувати їх з різноманітними процесами. Завдяки цьому, LTCC знайшла застосування в виробництві різних мікроелектронних пристроїв. У цій статті наводиться огляд технології LTCC та детальний опис фізичних датчиків кількості, виготовлених за допомогою техніки LTCC. Докладно описаний LTCC кераміки в області керамічних сенсорів. Різноманітні фізичні датчики LTCC представлені з точки зору технології та властивостей. Можливість інтеграції різних представлених датчиків в один керамічний модуль веде до інтегрованих багатофункціональних платформ. Такі платформи будуть наступним етапом розвитку сучасних сенсорів. Розвиток технології LTCC сенсорів здійснюється за рахунок розробки інших технік, сумісних з LTCC, таких як інтегровані прозорі вікна, модифікація поверхні, зв'язування PDMS тощо. LTCC використовується для виробництва сенсорів завдяки можливості створення різних механічних структур з використанням LTCC стрічок. При формуванні структур за допомогою LTCC необхідно враховувати скорочення, взаємодію з хімічними реактивами та вплив на чутливість резисторів. LTCC сенсори можуть бути створені за допомогою різних систем. Диференційний сенсор тиску в LTCC-упаковці може бути використаний для вимірювання тиску в рідині або газі. Чутливість п'єзорезистивних LTCC-сенсорів визначається властивостями функціональних товстих плівкових резисторів та електронним шумом, а ємнісний LTCC-сенсор розглядається як кандидат для застосування в енергоавтономних сенсорах. Крім того, інтегрований сенсор потоку / тиску / температури розроблено для діагностики стисненого повітря з трьома виходами: тиск, потік та температура.

Гнучкі ємнісні датчики тиску завдяки їхнім відмінним характеристикам, таким як висока гнучкість, чутливість та легкість привертають великий інтерес і використовуються в різних електронних пристроях як електронна шкіра (E-skin), гнучкі пристрої для вимірювання тиску тощо. У огляді коротко описується прогрес досліджень гнучких датчиків тиску, включаючи три види механізмів перетворення та їхні застосування в галузі E-шкіри та гнучких пристроїв. На даний момент існують виклики розробки гнучких багатофункціональних пристроїв з високою розтяжністю та чутливістю. У майбутньому ключовими напрямками розвитку в галузі датчиків будуть пошук нових механізмів датчиків, пошук нових функціональних матеріалів та розробка нових технологій інтеграції гнучких пристроїв. В огляді виділяється прогрес у функціональних матеріалах та конструкції 3D-матриць датчиків для отримання зменшення взаємного впливу в сигналах. Хоча існують виклики щодо реалізації практичних застосувань гнучких датчиків тиску, нові матеріали та інноваційні механізми повинні досліджуватись для досягнення широкої зони вимірювання тиску в галузі E-шкіри та гнучких пристроях. Додатково, зростає інтерес до розробки гнучких датчиків тиску з можливістю бездротового зв'язку та інтеграції з іншими електронними пристроями. Широке застосування гнучкі датчики тиску можуть знайти в медичній технології, робототехніці та виробництві. Розвиток гнучких датчиків тиску залежить від пошуку нових матеріалів, технологій та механізмів, що можуть допомогти забезпечити високу чутливість та розтяжність, а також від інтеграції з іншими пристроями та можливості бездротового зв'язку.

У огляді зведено досягнення у гнучких і носимих п'єзорезистивних датчиках тиску на основі тривимірних монолітних провідних губок. Описано нові матеріали та методи, що використовуються для виготовлення тривимірної провідної губки. Висвітлюється продуктивність пристроїв та застосування датчиків тиску на основі губок у виявленні / моніторингу людського руху та електронній шкірі. Для впровадження високопродуктивних датчиків тиску на основі губок для практичних застосувань необхідно вирішити кілька проблем. (1) Для матеріалів/пристроїв потрібні стандартизація та моделювання / симуляція пристроїв, щоб зрозуміти взаємозв'язок між продуктивністю датчика тиску та структурами (наприклад, розмір пор/розподіл розмірів, розміри тощо) тривимірних провідних губок, що може допомогти у створенні губчастих матеріалів з хорошою лінійністю та чутливістю в широкому діапазоні тиску/деформацій. (2) Для датчиків тиску на основі губок також потрібні нові методи виготовлення та інтеграції, щоб забезпечити максимальну продуктивність та надійність при використанні в реальних умовах. (3) Потрібна розробка методів для інтеграції датчиків тиску на основі губок з електронікою та іншими елементами системи, що може забезпечити компактність та мінімальні розміри при використанні в носимих пристроях. Незважаючи на ці виклики, датчики тиску на основі провідних губок мають значний потенціал у багатьох застосуваннях, таких як в медицині, спортивній індустрії, промисловості та робототехніці. Потрібно більше досліджень, щоб вирішити вищезазначені проблеми та довести ефективність датчиків тиску у реальних умовах, але потенціал цих датчиків настільки великий, що вони мають бути серйозно розглянуті як один з можливих компонентів в майбутніх носимих пристроях та системах штучного інтелекту.

У огляді розглянуто останні досягнення в виготовленні, покращенні характеристик та застосуваннях носимих тканинних датчиків деформації. Описано традиційні та нові підходи до виготовлення датчиків деформації, такі як покриття, провідні еластомерні волокна, обмотка, намотування, коаксіальна обробка волокна та в'язання. Обговорюється, як впливають виготовлювальні стратегії на важливі показники продуктивності, такі як електрична провідність, механічні властивості, чутливість, діапазон виявлення та стійкість, щоб продемонструвати їх вплив на механізм виявлення датчиків. Підсумовано потенційні застосування тканинних датчиків в моніторингу структурного здоров'я, вимірюваннях руху тіла, даних рукавичок та розваг. Можливо створити датчики деформації тканин, застосовуючи поєднання матеріалів, стратегій виготовлення та конструкційних рішень. Деякі тканинні сенсори з органічними провідниками мають обмежену розтяжність (зазвичай менше 5%) та еластичність, тому вони можуть вимірювати лише невеликий діапазон деформації до 1%. Покриття тканин провідним матеріалом дозволяє отримати механічні властивості, які майже не відрізняються від початкових тканин. Однак, такі покриття часто мають нижчу розтяжність, що може призвести до пошкоджень. Фібри або нитки є бажаними формами деформаційних датчиків тканин, оскільки їх легко конвертувати в тканини або інтегрувати з ними. Окрім того, фібри з сердцевинно-оболонковою структурою мають високу циклічну стабільність та широкий діапазон вимірювання. Важливо також забезпечити високу лінійність відповіді на деформацію та стійкість до циклічних деформацій.

Обговорюються останні розробки в електроніці, яка включає носиму та імплантовану електроніку, а також електронну шкіру. Ці технології мають широке застосування в охороні здоров’я та робототехніці, що робить фізичні датчики одним із ключових будівельних блоків електроніки. Систематично розглядаються останні досягнення механічних датчиків, датчиків температури та вологості на основі шкіри. Ці датчики використовують різні матеріали, конструкції пристроїв і робочі механізми для виявлення фізичних подразників. Залежно від механізму роботи механічні датчики можуть бути резистивними, ємнісними, п’єзоелектричними або трибоелектричними. Резистивні та ємнісні механічні датчики вимагають зовнішньої системи живлення, тоді як п’єзоелектричні та трибоелектричні датчики мають автономне живлення та більш чутливі до динамічних подразників. Датчики температури можуть бути резистивними датчиками температури, термісторами, піроелектричними або термоелектричними. Резистивні датчики температури є найбільш часто використовуваним типом, з вищою лінійністю та широким робочим діапазоном, але меншою чутливістю. Термістори мають вищу чутливість і більш швидкий відгук, але меншу лінійність. Піроелектричні та термоелектричні датчики мають автономне живлення і можуть перетворювати сигнали температури в сигнали напруги, але термоелектричні датчики вимагають контрольної температури під час тестування. Датчики вологості можуть бути резистивними, ємнісними або залежними від вологи генераторами електроенергії. Вони можуть визначати вологість, вимірюючи зміни питомого опору або ємності. Вологість також може генерувати електроенергію, впливаючи на напругу, що генерується п’єзоелектричними або трибоелектричними датчиками. Також обговорюються нові властивості шкірних фізичних датчиків, такі як універсальність, можливість самовідновлення та можливість імплантації. Багатофункціональні датчики можуть виявляти різні подразники, відкриваючи нові можливості для моніторингу здоров'я, діагностики захворювань і лікування. Датчики, що самовідновлюються, можуть швидко відновлювати механічні пошкодження, тоді як датчики, що імплантуються, можуть безпосередньо вимірювати фізіологічну активність. Однак практичне застосування фізичних датчиків в електроніці все ще стикається з проблемами. Універсальні датчики потрібні для різних сценаріїв, і перешкоди між різними сигналами повинні бути усунуті, щоб отримати високочутливі та надійні фізичні датчики. Крім того, більшість фізичних датчиків потребують зовнішніх систем живлення, що обмежує їх розвиток. Користуються попитом фізичні датчики з автономним живленням. Нарешті, інтеграція фізичних датчиків з хімічними датчиками та біосенсорами є відносно рідкісною, але може забезпечити значні переваги в охороні здоров’я та робототехніці.

У роботі обговорюються різноманітні технології виготовлення друкованих ємнісних сенсорів, включаючи контактні (флексографію та гравюрування друку) та безконтактні техніки (друкування струменем та аерозольне друкування), та підкреслюються їх характеристики. Ці сенсори зазвичай виготовляють на гнучких і тонкоплівкових підкладках з використанням нових матеріалів, таких як похідні графену, вуглецеві нанотрубки та металеві нанодроти. Найбільш поширеними техніками є трафаретний друк та друкування струменем, а також популярні лазерне записування та розпилення. Друковані ємнісні сенсори включають датчики тиску та сили, датчики температури та вологості, з обмеженою кількістю прискорювачів та газових датчиків. Однак, необхідно вирішувати питання, пов'язані з високоякісним виробництвом, такі як вдосконалення технологій виготовлення для систем великої площі, тестування та калібрування пристроїв, роздільна здатність та точність накладення шарів, однорідність та варіації, інтеграція з електронними друкованими колами. Крім того, можливо уявити тривимірні структури з можливістю стакування різних типів сенсорів або пристроїв. Обіцянка досягнення повних систем, які можна друкувати на механічно гнучких підкладках, все більше визнається як ключовий елемент в Інтернеті речей (IoT) та Четвертій промисловій революції.

М'які роботи набули популярності через їх внутрішню безпеку на рівні матеріалів, оскільки вони використовують деформовані матеріали, що дозволяють змінювати форму та поведінку, дозволяючи контактувати з об'єктами та маніпулювати ними. Однак інтеграція сенсорів у м'які та розтяжні матеріали стикається з кількома викликами, включаючи багатомодальне сприйняття, здатність до розтягування, вбудовування високороздільних, але великих датчиків, а також об'єднання даних з датчиків, які стають все більш об'ємними. У цьому огляді досліджується з'єднання електронних шкір та машинного навчання, досліджується як робототехніки можуть поєднувати останні розробки з обох галузей, щоб будувати автономних, розгорнутих м'яких роботів з інформативним дотиком та пропріоцепцією для подолання реальних викликів. Поточна робота в галузі зосереджена на проектуванні та виготовленні м'яких роботів, а також на дослідженні того, як машинне навчання може покращити сприйняття м'яких роботів. Наступним кроком є розробка тактильного сприйняття для м'яких роботів, що базується на біологічних принципах та дозволяє їм безпечно взаємодіяти з оточенням. На короткострокову перспективу фокус може бути спрямований на розгорнуті датчики високої роздільної здатності, алгоритми для обробки густої інформації з датчиків та надійний зворотний зв'язок для м'яких роботів. Довгостроковою метою є створення роботів, які можуть дотикатися та відчувати з такою ж чутливістю та сприйнятливістю, як у природних системах. Майбутнє суспільства буде включати в себе роботів, що тісно інтегруються з людством, в тому числі допоміжних роботів для дому, які можуть відчувати та розуміти жести, такі як похлапування по спині, роботів, які працюють поряд з людьми, та дослідницьких роботів, які можуть керувати в непередбачуваному реальному світі.

Ємнісні та температурні датчики є ключовими компонентами для створення електронної шкіри. Органічні транзистори, які є внутрішніми логічними пристроями з різноманітними конфігураціями, пропонують великий вибір варіантів для дизайну датчиків та грають важливу роль у створенні ємнісних датчиків для електронної шкіри. Ця область досліджень досягла великих досягнень як у матеріалознавстві, так і в архітектурі пристроїв, що призвело до відмінних результатів у використанні таких датчиків. У даному дослідженні проведено систематичний огляд ємнісних та температурних датчиків на основі органічних транзисторів. Наведено різні структури пристроїв, їх основні принципи роботи та продуктивність. Обговорюється перспектива розвитку цих пристроїв. Ємнісні та температурні датчики є критичними компонентами для створення електронної шкіри. Після років досліджень та еволюції продуктивність ємнісних датчиків на основі органічних транзисторів значно поліпшилася, а механізм їх роботи можна класифікувати за кількома структурами пристроїв, такими як MOS, ISFET та інші. З іншого боку, температурні датчики на основі органічних транзисторів ще потребують додаткових досліджень, оскільки вони мають великий потенціал для використання у електронній шкірі. Наступні кроки у розвитку цих датчиків включають подальшу оптимізацію матеріалів та дизайну пристроїв, що можуть привести до досягнення ще більш високої продуктивності та розширення їхнього використання у різних сферах.

Друкована електроніка (PE) - це новітня технологія, яка використовує функціональні чорнила для друку електричних компонентів та ланцюгів на різноманітних підкладках. Ця технологія відкриває нові можливості для виготовлення гнучких, згинаємних та пристосованих до форми пристроїв за низькою ціною та швидкістю. У цій технології використовуються різні технології друку, серед яких особливо цікавими є техніки на основі крапель, оскільки вони надають можливість друкувати керовані комп'ютером шаблони з високою роздільною здатністю та гнучкістю виробництва. Наноматеріали утворюють основу цієї технології, дозволяючи реалізувати різноманітні функції. Проведено інтенсивні дослідження з формування чорнил з провідними, напівпровідниковими, магнітними, п'єзорезистивними та п'єзоелектричними властивостями. У цій статті надається докладний огляд різних технологій друку на основі крапель (струменевий, аерозольний та електрогідродинамічний), зі всебічним обговоренням їх робочих принципів. Проведено докладний огляд досліджень різних функціональних чорнил (металевих, вуглецевих, полімерних та керамічних), різні методи спікання та підкладки, які використовуються в друкованій електроніці. Останнім пунктом є докладний огляд різних фізичних сенсорів, виготовлених за допомогою друкованої електроніки, таких як датчики тиску, температури, вологості, світла та інші. Ці сенсори можуть бути використані в різноманітних пристроях, включаючи медичні пристрої, електронні пристрої для споживачів, смарт-доми та інші. Друкована електроніка є областю, що швидко розвивається і має безліч застосувань. Вона може бути використана для створення гнучкої електроніки, що дозволяє створювати більш зручні та пристосовані до форми пристрої. Крім того, вона є вигідною з точки зору вартості виробництва та швидкості.

Гнучкі ємнісні датчики тиску використовуються в електронних шкірах, м'яких роботах, взаємодії людини з машинами тощо. Серед різноманітних ємнісних датчиків тиску, ємнісні мають багато переваг, такі як проста структура, нечутливість до температури та вологості, низький споживання енергії тощо. Однак, питання поліпшення їх чутливості залишається актуальним. Розглянуто роботи з покращення чутливості ємнісних датчиків тиску, включаючи визначення показників оцінки продуктивності, робочий принцип, використовувані матеріали та структури конденсаторів. Далі порівнюються ефективні способи отримання високої чутливості датчиків тиску і прогнозується напрямок розвитку ємнісних гнучких датчиків тиску. Розглянуто методи покращення чутливості гнучких ємнісних датчиків тиску, зокрема за допомогою мікроструктур, пористих матеріалів та композитних діелектриків. Побудова мікроструктури та створення пористих матеріалів призводить до збільшення зміни ємності за рахунок зменшення модуля Юнга діелектричного шару та збільшення діелектричної сталої під тиском, тоді як виготовлення композитного діелектрика за допомогою наночастинок може забезпечити збільшення чутливості шляхом збільшення поверхні діелектричного шару. Також розглянуто використання механічних підсилювачів, таких як резонатори та резистивні елементи, для збільшення вимірюваного тиску та покращення чутливості датчиків тиску. Окрім того, розглянуто використання інших методів для покращення чутливості ємнісних датчиків тиску, таких як оптимізація геометрії датчика, використання різних матеріалів для створення діелектричного шару, та використання методів зміни окремих параметрів датчика, таких як товщина діелектричного шару та розмір електродів. Ємнісні гнучкі датчики тиску мають великий потенціал для використання в різних областях, таких як медицина, робототехніка, автомобільна промисловість та інші, тому їх подальший розвиток та покращення чутливості є актуальним завданням.

Розглядаються останні досягнення в гнучких ємнісних датчиках тиску, від дизайну та матеріалів до застосування. Для вимірювання тиску використовуються різні одиниці, такі як фунти на квадратний дюйм, міліметри ртутного стовпа, атмосфери, мілібари та паскалі. У статті описано різні типи датчиків тиску, включаючи конвенційні та гнучкі датчики, що монолітно інтегруються з інтегральними схемами та CMOS-електронікою. Автори також досліджують різні параметри, які визначають продуктивність гнучких ємнісних датчиків тиску, такі як точність, розширення, чутливість, лінійність та вибірковість. Наведено приклади застосування гнучких ємнісних датчиків тиску в різних галузях, таких як авіаційна, автомобільна, морська, медична та електроніка споживчого призначення. Автори закликають дослідників звітувати про значення цих параметрів у своїх майбутніх дослідженнях для кращого розуміння та порівняння гнучких ємнісних датчиків тиску.

Останнім часом ємнісні датчики привернули увагу як для здоров'я, так і для штучного інтелекту. Однак їх розміри та системи не є гнучкими, що обмежує їх використання в реальному житті. Для розв’язання цих проблем досліджуються гнучкі датчики малих розмірів, які використовують рух тіла як стимул для збору точніших і різноманітних сигналів. Зокрема, тактильні датчики наносяться безпосередньо на шкіру і надають сигнали зміни руху для гнучкого пристрою зчитування. У цьому огляді розглянуто різні типи тактильних датчиків та їх механізми роботи: п'єзорезистивні, п'єзоємні, п'єзоелектричні та трибоелектричні. Огляд не тільки представляє застосування тактильного датчика для вимірювання руху та моніторингу здоров'я, але й їх внесок в галузь штучного інтелекту за останні роки. У роботі було досліджено тактильний датчик та його розвиток. Результати дослідження показали, що п'єзорезистивний, п'єзоємний, п'єзоелектричний та трибоелектричний механізми роботи застосовані до датчиків дотику, демонструють відмінну роботу, що дає добрі результати в області моніторингу руху, здоров'я та штучного інтелекту. Матеріали, мікроструктура та наноструктура можуть запропонувати великий потенціал для покращення датчиків. Штучний інтелект, що використовує тактильні пристрої, має великі досягнення в дослідженні імітації людських відчуттів, таких як дотик, тиск, вібрації та температуру. Застосування тактильних датчиків у штучному інтелекті включає розпізнавання об'єктів та їх характеристик за допомогою дотику, підвищення точності роботи маніпуляторів у робототехніці, взаємодію робота з людиною. Крім того, тактильні датчики також мають потенціал для застосування у медицині, де вони можуть використовуватися для діагностики різних захворювань шкіри та надання точної діагностики захворювань нервової системи. Тактильні датчики можуть бути використані для створення роботів з підвищеною чутливістю, що здатні спілкуватися з людьми через дотик; можуть допомогти у відновленні рухових функцій людей після травм або інших захворювань шляхом збору та аналізу даних про рух. Крім того, тактильні датчики можуть використовуватися для розпізнавання текстур та форм об'єктів, що дозволяє розробляти більш точні системи роботів для виконання складних завдань. Застосування тактильних датчиків також може допомогти в покращенні безпеки людей у небезпечних умовах роботи, наприклад, у гірничій промисловості або під час рятувальних операцій.

В останні роки значна увага приділяється датчикам, які можуть імітувати властивості людської шкіри. Серед них ємнісні датчики привернули увагу завдяки своїй простій структурі, малим втратам, відсутності температурного дрейфу та іншим відмінним властивостям. Ці датчики мають численні застосування в таких сферах, як робототехніка, взаємодія людини і машини, медичне обслуговування та моніторинг здоров’я. Однак при використанні в гнучких ємнісних датчиках полімерні матриці страждають від високого гістерезису через їх майже незмінний об’єм під тиском і притаманну їм в’язкопружність. Щоб подолати це обмеження, дослідники зосередилися на покращенні продуктивності сенсорної системи шляхом розробки мікроструктур матеріалів. Зокрема, вивчено два типи датчиків на основі прикладених сил: датчики тиску та датчики деформації. У датчиках тиску зазвичай використовуються п’ять типів мікроструктур, а в датчиках деформації – чотири. Переваги, недоліки та практичні значення цих різних структур систематично розроблені. Показано, що мікроструктуровані діелектричні шари або електроди покращують чутливість датчика, зменшують гістерезис і надають жорстким електронним пристроям відмінну еластичну розтяжність. Ці властивості мають вирішальне значення для розробки носимих пристроїв і м’яких роботів нового покоління. Однак існують конфлікти між високою чутливістю та розтяжністю, між гістерезисом і захистом від перешкод, а також між однорідністю та вартістю, які необхідно враховувати при проектуванні ємнісних датчиків з різними мікроструктурами. Незважаючи на ці проблеми, розвиток нових технологій, таких як бездротовий зв’язок і суперконденсатори, сприяв швидкому розвитку ємнісних датчиків. Завдяки подальшим дослідженням і розробкам можна розробити багатофункціональні електронні шкіри з такими ж або навіть кращими характеристиками, ніж людська шкіра. Цей огляд забезпечує всебічне розуміння проектування передових гнучких і розтягуваних ємнісних датчиків з використанням геніальних мікроструктур, створених людиною.

У огляді підсумовуються дослідження в галузі п'єзорезистивних, п'єзоелектричних та ємнісних датчиків тиску. Обговорюються гнучкі датчики тиску з високою продуктивністю, розроблені для різних вимог застосування, такі як самопоживні датчики тиску, багатофункціональні датчики тиску та самовідновлювальні датчики тиску, а також поточні проблеми та потенційні перспективи гнучких датчиків тиску. Представлено досягнення у галузі гнучких датчиків тиску від базового дизайну трьох механізмів виявлення до концепції оптимізації для практичного застосування. Нові виникаючі матеріали та структури, використані для виготовлення п'єзорезистивних, п'єзоелектричних та ємнісних датчиків тиску, дозволили значно покращити їх чутливість та точність вимірювань, а також зменшити їх вагу та розміри. Наприклад, розроблені нові мультиматеріальні структури для п'єзорезистивних датчиків тиску, які забезпечують високу чутливість та стійкість до механічних пошкоджень. Крім того, нові технології виготовлення, такі як друк 3D та нанотехнології, дозволяють виготовляти гнучкі датчики тиску з різними формами та розмірами. Для практичних застосувань розроблені нові гнучкі датчики тиску з високою продуктивністю, такі як самопоживні датчики тиску, які не потребують додаткового джерела енергії для роботи, багатофункціональні датчики тиску, які можуть вимірювати не тільки тиск, але й температуру, вологість та інші параметри, а також самовідновлювальні датчики тиску, які можуть відновлюватися після механічних пошкоджень. Однак, наразі існують певні проблеми у галузі гнучких датчиків тиску, такі як нестабільність вимірювань при зміні температури, поганий контакт з поверхнею, а також складність інтеграції з електронними пристроями. Для подолання цих проблем необхідно проводити подальші дослідження та розробки у галузі гнучких датчиків тиску. У майбутньому, дослідження нових механізмів датчиків та виготовлення нових матеріалів та структур, будуть ключовим напрямком у розвитку гнучких датчиків тиску. Важлимим аспектом також буде вдосконалення інтеграції гнучких датчиків тиску з електронними пристроями, що дозволить використовувати їх у різних сферах, наприклад, у медицині, спорті, автомобільній та авіаційній промисловості, промисловості розваг та інших. Також важливим є забезпечення надійності та довговічності гнучких датчиків тиску, що дозволить зменшити витрати на ремонт та заміну. Крім того, гнучкі датчики тиску можуть стати ключовим елементом у розвитку Інтернету Речей (IoT), де вони можуть вимірювати тиск у різних системах та передавати цю інформацію до центральної системи для аналізу та моніторингу. Це дозволить управляти системами з високою точністю та ефективністю.

Попит на носиму електроніку з автономними пристроями збору та накопичення енергії призвів до значного інтересу до трибоелектричних наногенераторів, що розтягуються (TENG). Однак розробка відповідного електрода для повністю переносних пристроїв TENG залишається серйозною проблемою. У цій оглядовій статті представлено останні розробки нових матеріалів і методів розробки електродів, що розтягуються, зосереджуючись на електродних компонентах для носіїв. Також розглядаються матеріали з такими потенційними властивостями, як прозорість, здатність до самовідновлення та водостійкість, включаючи полімери, композити, неорганічні та керамічні матеріали, 2D-матеріали та вуглецеві наноматеріали. Досліджуються різні стратегії виготовлення та методи геометричних візерунків для розробки електродів з високою розтяжністю для носимих пристроїв TENG. Обговорюються проблеми та можливі пропозиції щодо майбутніх удосконалень розтяжних TENG. Матеріали, які розтягуються або поєднують м’які та жорсткі провідні матеріали, широко досліджені для носіння TENG. Однак повністю придатний для носіння пристрій TENG вимагає більш детального розуміння потенційних матеріалів і стратегій. Збереження розтяжності та сталої вихідної продуктивності, а також інтеграція розтягуваних TENG з доменами зберігання енергії залишається проблемою. Огляд пропонує вивчити потенційні матеріали, придатні для кожного компонента вузла TENG, які можуть зберегти вихідну потужність, стабільність циклу та гнучкість. Крім того, необхідно продовжити дослідження матеріалів із подібними механічними властивостями та внутрішньою здатністю до розтягування, а провідні матеріали, які за своєю суттю є гнучкими та легко інтегруються з іншими компонентами, мають бути пріоритетними. Нові стратегії виготовлення, такі як висока площа поверхні та здатність до деформації, зморшкуваті та вигнуті поверхні, конструкції серцевина-оболонка та вбудовані структури також повинні бути досліджені.

М’які датчики тиску, зокрема ємнісні датчики тиску (CPS), є ключовими компонентами в розробці електронних оболонок (e-skins), які знаходять все більше застосування в м’якій робототехніці та біоелектроніці. М’які CPS продемонстрували м’якість і чутливість, подібні до людської шкіри, після двох десятиліть швидкого розвитку, але залишаються дві основні перешкоди для їх практичного застосування: зниження чутливості із збільшенням тиску та поєднана реакція між розтягуванням у площині та поза межами площинний тиск. Сучасні стратегії подолання цих проблем передбачають створення м’яких діелектриків з пористою та/або високою діелектричною проникністю, але шукаються додаткові перспективні методи. Ця перспектива підкреслює необхідність приділяти увагу чутливості при високому тиску з належним упакуванням, узгодженістю продуктивності, швидшою реакцією та відновленням, непомітним зношуванням шкіри людини та розділеними реакціями в площині та поза площиною. Майбутні інновації в матеріалах, структурах, виробництві та конструкціях пристроїв необхідні для вдосконалення CPS для передових застосувань, таких як мультимодальне зондування та нейроморфні системи. Загалом існує великий потенціал для подальшого розвитку механічно м’яких і функціонально кращих CPS. М’який CPS, особливо розтягнутий CPS, буде необхідним для створення майбутніх м’яких роботів, біоелектроніки та розширюваних сенсорних дисплеїв. Удосконалення CPS відкриє шлях для більш передових та інноваційних технологій.

Носимі електронні пристрої широко використовуються для моніторингу сигналів людського тіла, інформації, медицини та здоров’я. Ємнісні датчики привертають увагу для носимих смарт-терміналів, а розвиток технології 5G збільшить близькість між людьми та носимими пристроями. Гнучкі датчики тиску, які можна носити, приділяють велику увагу. Тому цей огляд зосереджений на гнучких переносних ємнісних датчиках, які складаються з двох основних компонентів: діелектричного та електродного шарів. Ефективність електроніки датчика можна вивчати за допомогою підкладки, наповнювача та структури, що використовуються для кожного компонента. Стратегії проектування можуть допомогти отримати високоефективні ємнісні датчики, включаючи чотири типи структур діелектричного шару та чотири широко використовувані матеріали електродного шару. Інтеграція високоефективних датчиків тиску з функцією самовідновлення може змусити електронну шкіру функціонувати як справжня шкіра, а системи з інтегрованими матрицями датчиків можуть забезпечити більш комплексні функції виявлення. Підготовка шару діелектрика є найкращим рішенням, і матеріал кожного шару діелектрика та відповідна стратегія проектування мали б унікальний вплив на параметри продуктивності. Конфлікт між високою чутливістю та розтяжністю все ще є складним завданням для об’єднання. Триває розробка багатофункціональних гнучких розтягуваних ємнісних датчиків з геніальною мікроструктурою та більш широкими перспективами застосування. Таким чином, існування цих конфліктів не є нерозв’язним, і вони стимулюють розвиток сенсорів з мікроструктурами. Підсумовуючи, у цій статті обговорюються ключові концепції, методи підготовки та продуктивність гнучких переносних ємнісних датчиків, а також представлені майбутні тенденції розвитку.

Останні технологічні досягнення, такі як техніка друку матеріалів і функціональність поверхні, значно сприяли розробці нових датчиків довільної форми для наступного покоління гнучких, переносних і тривимірних електронних пристроїв. Зокрема, існує високий попит на датчики з керамічної плівки для виробництва надійних гнучких пристроїв. Процес виготовлення керамічних плівок зазнав різноманітних розробок, таких як фотокристалізація та методи перенесення, які дозволяють формувати керамічні плівки на пластикових підкладках при дуже низькій температурі. Серед різноманітних гнучких датчиків найбільше збільшення досліджень отримали датчики деформації для точного виявлення руху, наприклад ті, що використовуються для виявлення руху людських м’язів, і фотодетектори для біомоніторингу, наприклад для постійного моніторингу рівня глюкози. Інші основні датчики температури та вологості також почали демонструвати зростання. Нещодавно гнучкі газові та електрохімічні датчики привернули значну увагу завдяки новій програмі моніторингу в реальному часі, яка використовує людське дихання та потовиділення для точної діагностики передсимптоматичних станів. Реалізація низькотемпературних процесів для датчиків із керамічної плівки та пов’язаних з ними компонентів призведе до виробництва хімічно стабільних і надійних сенсорних пристроїв вільної форми. Це задовольнить вимоги, які можуть бути виконані лише за допомогою гнучких металевих та органічних компонентів. Поверхнева функціональність компонентів керамічної плівки на підкладках вільної форми надає можливості для нових конструкцій пристроїв, які не обмежені формою електронних схем. Це призведе до розробки нових застосувань, таких як надійні сенсорні пристрої для біомоніторингу ділянок шкіри, передові медичні інструменти з 3D-структурою та транспортні машини наступного покоління.

Ємнісні датчики тиску на текстильній основі мають великий потенціал у носимій електроніці завдяки своїй чудовій гнучкості, повітропроникності та комфорту. Вони можуть вводити пористі повітряні проміжки та мікро/наноструктури для підвищення ефективності. У цьому огляді представлено поточні дослідження та прогрес у галузі ємнісних датчиків тиску на основі текстилю, обговорюючи їх п’ять форм, включаючи електроди з текстильною структурою, діелектричні шари з текстильною структурою, повністю текстильні структури, структури пряжі та структури міжпальцевих електродів. Обговорюються матеріали та методи виготовлення функціональних текстильних шарів, включаючи технологію плетіння, модифікацію тканинної підкладки та технологію електропрядіння. Для датчиків на основі текстилю розглядаються три типи пристроїв із сендвіч-структурою, структурою пряжі та структурою в площині. Нарешті, продемонстровано застосування ємнісного датчика тиску на основі текстилю в пристроях, що носяться людиною, сенсорних роботах і взаємодії людини з машиною, що вказує на їх великий потенціал застосування в інтелектуальних електронних пристроях, що носяться. Однак існуючі пристрої все ще мають обмеження щодо процесу виготовлення та застосування, такі як покращення провідності та довговічності електродів на основі текстилю та діелектричних шарів, досягнення можливості прання розумного одягу та зменшення перехресних перешкод між ємнісними сигналами. Майбутні дослідження можуть бути зосереджені на вивченні нових матеріалів і розробці нових процесів для покращення продуктивності датчиків і розробці досліджень багатофункціональної інтеграції сенсорів на основі текстилю для розробки зручного, недорогого та багатофункціонального розумного текстильного одягу.

Розвиток гнучкої електроніки має великий потенціал для розвитку в багатьох галузях, таких як розумна електронна шкіра та носима електроніка. Гнучкі сенсори вважаються основною складовою гнучких електронних систем, тому вони широко досліджуються. На відміну від традиційних жорстких сенсорів, гнучкі сенсори можуть бути виготовлені простими методами з відмінною ефективністю виробництва та надійною вихідною продуктивністю. Такі сенсори можуть бути пристосовані до неправильної поверхні, на яку вони застосовуються. Ринок гнучких сенсорів та відповідних продуктів очікується значно більшим, ніж ринок носимих та друкованих сенсорів. Особливо швидко зростають гнучкі вологостійкі сенсори та гнучкі сенсори напруги/тиску. Для подальшого розвитку гнучких сенсорів потрібно врахувати деякі виклики, такі як біосумісність та придатність матеріалів, механічні характеристики та величини електричних сигналів. Необхідно покращувати якість сенсорів, збільшувати їх точність та стійкість, застосовуючи прості та економічні процеси виробництва. Представлені механізми роботи вологостійких та сенсорів напруги/тиску, популярні матеріали, структури та методи виробництва сенсорів. Надалі треба розвивати нові матеріали, структури та кращі методи виробництва для покращення функціональності гнучких сенсорів.