Опис літератури по ємнісних датчиках тиску

Метою статті є обґрунтування вибору дослідження та розробки технік виготовлення ємністних сенсорів. Обговорюються переваги та недоліки порівняно з п'єзорезистивними сенсорами, а також проблеми, які перешкоджають їх широкому застосуванню. Показано, що сенсори ємності мають переваги перед п'єзорезистивними сенсорами у вигляді вищої чутливості, меншої споживаної потужності, кращої температурної стійкості та меншої чутливості до дрейфу. Однак ринок датчиків тиску займають п'єзорезистивні сенсори. Сенсори ємності мають високу чутливість, тому вони особливо привабливі для застосування в біомедичних імплантах або інших телеметричних застосуваннях, і на даний момент їх використання обмежується саме цими областями.

Описано, як вимірювати зазори між кінцем лопатки і корпусом турбіни за допомогою ємнісних датчиків та відповідних електронних пристроїв. Дизайн ємнісного датчика пов'язаний з середовищем двигуна, а також електронною системою, яка використовується для розрахунку зазору між кінцем лопатки і корпусом турбіни. Показано 2 види ємнісних датчиків для використання в компресорі та турбіні: композитний та інтегральний датчики. Мета полягала у створенні датчиків для повітряної газової турбіни, які можуть витримувати температури та вібрації до 1,300°C та 150 G. Компресори можна безпечно обладнати ємнісними датчиками для точного вимірювання зазору між кінцем лопатки і корпусом. Датчики компресора можуть працювати щонайменше кілька сотень годин без відмов. Через обмежені тестування датчиків турбіни ще рано давати інформацію про MTBF (середній час між відмовами) датчиків турбіни. Потрібно багато досліджень, щоб встановити ємнісні датчики в комерційні літаки з MTBF у діапазоні 20,000 годин та вбудовані в FADEC (цифровий комп'ютер двигуна).

В огляді розглядаються різні підходи до збору енергії для задоволення майбутнього попиту на самонаповнювані мікро-/наносистеми (MNS). Звернення поступово переходить від розробки окремих пристроїв до розробки складніших інтегрованих систем, які здатні виконувати багато функцій, таких як датчики, виконання реакції, комунікація та управління, за рахунок інтеграції окремих пристроїв через сучасні технології мікрофабрикації. Перший концепт самонаповнюваних нанотехнологій був запропонований з метою створення систем, які працюють, збираючи енергію з оточуючого середовища та перетворюючи її в використовувану електричну потужність для бездротової, самодостатньої та незалежної роботи. У цій роботі було продемонстровано потенціал застосування ZnO-NW наногенераторів в біосенсингу, моніторингу довкілля/інфраструктури та бездротових мереж датчиків. Також досліджувалася можливість створення самонаповнюваних нанопристроїв для біомедичних застосувань відповідно до використання зібраної біомеханічної та біохімічної енергії для живлення датчиків.

Енергетична автономія є ключовою для портативних та носимих систем наступного покоління для декількох застосувань. Зокрема, електронна шкіра або e-шкіра наразі є предметом інтенсивних досліджень через свою широку застосовність в областях від робототехніки до цифрового здоров'я, моди та інтернету речей (IoT). Розробка компактних гнучких енергетичних систем для реалізації самопоживної або енергетично автономної e-шкіри є необхідною через високу густину різних типів електронних компонентів (наприклад, датчики, приводи, електроніка і т.д.), необхідних у e-шкірі, та потребу в їх живленні без додавання важких батарей. Очікується, що компактні та носимі енергетичні системи, що складаються з енергетичних генераторів, пристроїв для зберігання енергії, електроніки низької потужності та ефективних / бездротових технологій передачі енергії, революціонізують ринок носимих систем і зокрема e-шкіри. У цій роботі розглянуто розвиток самопоживної e-шкіри зокрема зосереджено на доступних технологіях генерації енергії, пристроях для зберігання енергії великої ємності та системах передачі енергії високої ефективності / бездротових технологій. У роботі виділені основні виклики, критичні стратегії проектування та найбільш перспективні матеріали для розвитку енергетично автономної e-шкіри для робототехніки, протезування та носимих систем. Дана робота доповнює про перспективність розвитку енергетично автономної e-шкіри та її значення для різних галузей, включаючи робототехніку, протезування та носимі системи. Для реалізації таких систем необхідно розв'язати виклики, пов'язані з генерацією та зберіганням енергії, а також з ефективною передачею енергії бездротовими технологіями. Малопотужна електроніка та бездротові технології передачі енергії є ключовими компонентами для створення енергетично автономних систем, які можуть працювати на дуже малих рівнях потужності. Крім того, ефективні пристрої для зберігання енергії великої ємності також є важливими компонентами для забезпечення енергією вимогливих електронних компонентів, що використовуються у e-шкірі. Одним з основних викликів є розробка енергетичних генераторів, які можуть генерувати достатню кількість енергії для живлення електронних компонентів, що використовуються в e-шкірі, при цьому маючи компактні розміри та низьку вагу. Також важливим є забезпечення ефективної передачі енергії з генератора до електронних компонентів e-шкіри, щоб уникнути втрат енергії. Деякі з перспективних матеріалів для розвитку енергетично автономної e-шкіри включають гнучкі сонячні панелі, генератори з руху тіла, пристрої для зберігання енергії на основі суперконденсаторів та літій-іонних батарей, а також бездротові технології передачі енергії, такі як магнітно-резонансна передача енергії та беспроводна зарядка. Розвиток енергетично автономної e-шкіри може мати велике значення для різних галузей, включаючи робототехніку, протезування та носимі системи. Наприклад, енергетично автономні протези можуть допомогти людям з обмеженими можливостями повернути собі рухливість та самостійність. Носимі системи, такі як розумні годинники та фітнес-трекери, можуть працювати довше без необхідності зарядки. У світі, де зростає попит на мініатюрні та потужні електронні пристрої, енергетично автономна e-шкіра може стати ключовим елементом для реалізації нових інновацій та технологій. Проте, для досягнення повного потенціалу таких систем, необхідно продовжувати дослідження та розробку компонентів та технологій, які забезпечать надійне та ефективне живлення електроніки в e-шкірі.

У цьому огляді наведено дослідження електронних шкір на основі принципів наногенераторів та п'єзотроніки. Розглянуто роль п'єзоелектричного та п'єзотронного ефектів у датчиках, обговорено матеріали, використані у пристроях, та надано різні датчики для електронних шкір. Здатність нашої шкіри відчувати подразники з навколишнього середовища є суттєвою для нашого щоденного життя. Реалізація електронної шкіри для вимірювання зовнішніх подразників може мати важливі застосування в робототехніці, інтелектуальних та штучних пристроях та біомедичних застосуваннях. Матеріали електронних шкір п'єзоелектричної та п'єзотронної електроніки можуть не тільки слугувати датчиком, але й збирати енергію з навколишнього середовища для створення самопоживних пристроїв. П'єзоелектричний потенціал, що виникає за допомогою п'єзоелектричності, відіграє важливу роль у модифікації вихідних сигналів датчиків. Тому дослідження п'єзоелектричних наногенераторів та п'єзотроніки надає новий підхід до розробки електронних шкір. Розробка датчиків з високою чутливістю, багатофункціональністю, витратами енергії від низьких до нуля та низькою вартістю є викликом у розробці електронних шкір на основі п'єзоелектричних та п'єзотронних ефектів. Різні матеріали можуть бути використані для створення датчиків, такі як п'єзоелектричні полімери та кераміка, а також графен, металеві оксиди та нанорушії. Дослідження показали, що електронні шкіри можуть вимірювати тиск, температуру, вібрації та інші зовнішні подразники. Одним з перспективних напрямків у створенні електронних шкір є використання наногенераторів та п'єзотроніки для збору енергії з навколишнього середовища. Це може допомогти створити електронні пристрої з вбудованою енергією, що забезпечує їхню автономну роботу. Однак, дослідження в цій області все ще тривають та відкривають нові можливості для створення пристроїв з більш високою чутливістю та функціональністю, що можуть бути використані в різних галузях, таких як медицина, робототехніка та інтелектуальні пристрої.

На основі п'єзоелектричних матеріалів завдяки їхній відмінній чутливості виготовляються ультратонкі, високочутливі та швидкодіючі гнучкі датчики, які можуть бути застосовані в робототехніці та протезуванні, носимій електроніці, розумних та штучних пристроях, сучасній медицині та моніторингу структурного здоров'я. Однак продуктивність гнучких датчиків на основі п'єзоелектричних матеріалів є неідеальною, тому є місце для їх оптимізації. Для цього запропоновано кілька стратегій, які можуть покращити продуктивність п'єзоелектричних датчиків: (1) інновації матеріалів, від широко досліджених та використовуваних п'єзонапівпровідних матеріалів, неорганічних п'єзокерамічних матеріалів, органічних п'єзоелектричних полімерів, нанокомпозитних матеріалів, до емерджентних та майбутніх молекулярних фероелектричних матеріалів, які показують високу п'єзоелектричність та гнучкість. (2) проектування мікроструктур на поверхні п'єзоелектричних матеріалів, щоб збільшити контактну зону п'єзоелектричних матеріалів під дією тиску. (3) додавання допантів, таких як хімічні елементи та графен, в конвенційні п'єзоелектричні матеріали. (4) розробка п'єзоелектричних транзисторів на основі п'єзотронного ефекту. Ці стратегії дозволять покращити характеристики гнучких датчиків на основі п'єзоелектричних матеріалів і розширити їх застосування в різних галузях, таких як наука, медицина, промисловість та робототехніка. Інновації у матеріалах можуть привести до створення нових п'єзоелектричних матеріалів з більш високою п'єзоелектричністю та гнучкістю, що забезпечать кращу продуктивність датчиків. Проектування мікроструктур на поверхні п'єзоелектричних матеріалів може збільшити контактну зону п'єзоелектричних матеріалів з об'єктом, на який вони накладаються, що також може покращити їх характеристики. Додавання допантів в конвенційні п'єзоелектричні матеріали може змінити їх хімічний склад та властивості, що дозволить збільшити їх п'єзоелектричний відгук. Розробка п'єзоелектричних транзисторів на основі п'єзотронного ефекту також може покращити характеристики датчиків і забезпечити більш точний та швидкий збір даних. Враховуючи всі ці стратегії, майбутнє п'єзоелектричних датчиків виглядає дуже перспективним. Вони можуть бути використані для створення розумних пристроїв, які дозволять збирати і аналізувати дані в реальному часі, моніторити структурне здоров'я, а також для створення протезів та носимої електроніки, що забезпечать більш комфортне та безпечне використання.

Датчики стали невід'ємною складовою сучасного світу. Вони використовуються в будинках, офісах, автомобілях та інших місцях, забезпечуючи зручне життя, виявляючи присутність людини, вмикаючи світло, регулюючи температуру в кімнаті, виявляючи пожежу та виконуючи інші завдання. Датчики грають важливу роль у всіх галузях, включаючи домашнє господарство, промисловість, авіацію, медицину та автомобільну промисловість. Керамічні датчики здобули велику популярність, оскільки мають переваги порівняно з іншими матеріалами. Однією з переваг кераміки є її висока чутливість, а також висока температурна стійкість, довговічність і можливість переносити важкі умови. Матеріали, такі як оксиди алюмінію, цирконію та ітрію, є поширеними матеріалами, які використовуються в різних типах датчиків, включаючи температуру, тиск, рівень масла, корозію та рівень кисню. Широкий вибір пористих керамічних матеріалів дозволяє виготовляти датчики для різних застосувань. Деякі датчики можуть бути гнучкими та активними, міряючи напругу та дотик, детектуючи різні типи навантажень. Датчики на основі п'єзокераміки можуть грати важливу роль в наступному поколінні розумних портативних електронних та продуктів штучного інтелекту, оскільки мають великі можливості для інтеграції. Керамічні датчики з п'єзоелектричними властивостями можуть перетворювати механічну енергію на електричну енергію, що дозволяє їх використовувати в різних застосуваннях, таких як вібраційні датчики, акустичні датчики, сенсори тиску та датчики рівня рідин. Крім того, керамічні датчики можуть бути використані для вимірювання різних параметрів, таких як вологість, температура, тиск та хімічний склад речовин. Вони можуть бути встановлені в різних пристроях та системах, що дозволяє відслідковувати та контролювати різні параметри зручним способом. У майбутньому, з розвитком технологій, можливості датчиків будуть досконалішими та їх застосування розширюватиметься.

Вологість відіграє критичну роль у процесі загоєння ран і, враховуючи множину електрохімічних датчиків, призначених для вимірювання вологості, дещо дивно, що існує небагато публікацій, присвячених цій конкретній задачі. У роботі розглянуто питання, пов'язані з вологості рани та практичні виклики, з якими стикається адаптація загальних ємнісних датчиків вологості до цієї галузі, разом з потенційним впливом таких систем на практику медичної діагностики. Метою роботи є надання деяких критичних інсайтів щодо перекладу технологій ємнісних датчиків для моніторингу рівнів вологості (зокрема, відносної вологості, RH) у звичайних пов'язках на ранах. Замість надання вичерпного дослідження датчиків RH, увага зосереджена на виділенні деяких недавніх розробок та їх застосовності до конкретних вимог діагностики ран та потенційної цінності для децентралізованого управління ранами в спільноті. Незважаючи на багато досягнень у матеріалах та процедурах, слід визнати, що після накладання як звичайних, так і 'вдосконалених' пов'язок на рані, вони по суті залишаються 'сліпими', і оцінка їх ефективності у зміні середовища рани залишається під час візуального огляду лише при знятті пов'язки медичним працівником. Здатність відслідковувати вміст вологи та виявляти момент, коли пов'язки потрібно змінити, може бути критичним доповненням до інструментів медичної діагностики. Існуючі пристрої для вимірювання вологості мають обмежену застосовність у діагностиці ран і необхідно розглянути нові технології, які відповідають вимогам медичної діагностики ран. Важливо враховувати практичні виклики, пов'язані з адаптацією датчиків вологості до цієї галузі, і потенційні переваги для децентралізованого управління ранами в спільноті.

Аналізуються можливості використання електророзпилення нановолокон для створення м'яких електронних пристроїв. Вони надають огляд структури та властивостей нановолокон, а також стратегії збирання для створення гнучких та розтягувальних електронних пристроїв. Описано шість стратегій для проектування м'яких електронних пристроїв, серед яких використання окремих нановолокон та зібраних нановолокон. Також наведено приклади застосування електророзпилення для створення гнучких та розтяжних провідників, прозорих електродів, датчиків напруги та тиску, суперконденсаторів, батарей та транзисторів. Далі автори розглядають останні досягнення в дизайні та виготовленні різних електронних пристроїв, таких як провідники, сенсори, пристрої для збору та зберігання енергії та транзистори. На основі проведених досліджень автори роблять висновки та пропонують декілька напрямків для подальших досліджень. Автори зазначають, що м'які електронні пристрої здобувають все більшу популярність завдяки своїм перевагам, таким як тонкість, легкість, гнучкість, розтягуваність та сумісність з органічними тканинами. Для їх виготовлення використовуються різні наноматеріали, включаючи нановолокна, які мають високу поверхню та електричні властивості. Електророзпилення є ефективним та економічним методом для виготовлення нановолокон з різними властивостями. Описано процес електророзпилення та параметри, які впливають на структуру та властивості нановолокон. Розглянуто різні стратегії збирання нановолокон для створення різних електронних пристроїв. Представлені останні досягнення в дизайні та виготовленні різних електронних пристроїв, таких як провідники, сенсори, пристрої для збору та зберігання енергії та транзистори. Наводені приклади різних пристроїв та описано їх властивості та можливості застосування. Для подальшого розвитку м'яких електронних пристроїв необхідно розв'язати деякі проблеми, такі як виготовлення нановолокон з органічних та провідних полімерів, покращення їх гнучкості та розтягуваності та розробка нових методів збирання пристроїв, виготовленням пристроїв на основі нановолокон та збирання, а також інтеграцією в систему. Автори вважають, що поєднання різних компонентів може привести до створення нових м'яких електронних систем, які знайдуть своє застосування в різних галузях.

Датчики тиску на основі електричної трансдукції, а саме опору, ємності, п’єзоелектричні та трибоелектричні датчики тиску, глибоко вкорінені в різних застосуваннях. Датчики тиску опору та ємності широко використовуються в системах вимірювання тиску, дотику та тактильних датчиків завдяки простому зчитуванню вихідного сигналу та малому форм-фактору. У той час як п’єзоелектричні та трибоелектричні датчики використовуються в програмах динамічного вимірювання тиску. Крім того, останні два датчики також використовуються для генерації електричного потенціалу. Останнім часом багато дослідників вивчають можливості цих датчиків для біомедичних застосувань, таких як моніторинг життєво важливих показників, а також мови тіла та рухів. Життєві ознаки дають інформацію про стан гомеостазу, який є важливим для людського організму. Температура тіла (BT), частота серцевих скорочень (HR), артеріальний тиск (AT), частота дихання (RR), насичення киснем (OSat) і електролітний баланс підтримують гомеостаз. Датчики тиску на основі паралельних пластинчастих конденсаторів (PPC) ширше застосовуються в моніторах життєво важливих функцій, ніж архітектура з міжпальцевими конденсаторами (IDC). Для підвищення чутливості, швидкості відгуку та робочого діапазону датчиків PPC широко вивчається мікроструктура поверхні та пористі мікроструктуровані діелектричні сендвіч-матеріали. Серед цих двох пористі мікроструктуровані сендвіч-шари були піддані підвищеній чутливості та широкому робочому діапазону. Було розглянуто нещодавню літературу про датчики PPC на основі пористих діелектричних сендвіч-шарів і ключові моменти. Багато звітів показують, що пористі діелектричні датчики PPC демонструють високу чутливість завдяки одночасній модифікації значень A, d і ε під зовнішніми подразниками. Крім того, обговорювалися проблеми у відтворюваності даних, конструкції датчика, об’ємі пористості, вартості датчиків та іонних пористих діелектричних матеріалів.

Гнучкі керамічні волокна (FCF) були розроблені для різноманітних розширених застосувань завдяки їх чудовій механічній гнучкості, стійкості до високих температур і чудовій хімічній стабільності. У цій статті ми представляємо огляд останніх досягнень FCF з точки зору матеріалів, методів виготовлення та застосувань. Ми починаємо з короткого вступу до FCF та матеріалів для підготовки FCF. Після цього обговорюються різні методи приготування FCF, включаючи відцентрове прядіння, електроформування, прядіння з роздувом розчину, самоскладання, хімічне осадження з парової фази, атомарне шарове осадження та перетворення полімерів. Далі детально проілюстровано останні застосування FCF у різних сферах, включаючи теплоізоляцію, фільтрацію повітря, очищення води, звукопоглинання, поглинання електромагнітних хвиль, сепаратор батарей, каталітичне застосування тощо. Нарешті, висвітлено деякі перспективи щодо майбутніх напрямків і можливостей для підготовки та застосування FCF. Ми передбачаємо, що цей огляд надасть читачам деякі значущі вказівки щодо підготовки FCF і надихне їх досліджувати більше потенційних застосувань.

Розглянуто використанню безсвинцевих галоїдних перовськітних матеріалів для вимірювання вологості. Зроблено вичерпний опис механізмів, що лежать в основі, і характеристик транспортування заряду, необхідних для повного розуміння продуктивності зондування. Представлено міркування і потенційні рекомендації щодо створення нових безсвинцевих датчиків на основі перовськітної наноструктури. Розглядаються імпедансні (резистивні) та ємнісні датчики вологості, які є найбільш придатними та поширеними в передових застосуваннях, таких як лабораторні дослідження чи автоматизовані галузі. Цікаво, що резистивні датчики працюють за тим же принципом, що й ємнісні датчики, вимірюючи електричні зміни, щоб отримати значення відносної вологості. Ємнісні вимірювання частіше використовуються в літературі, оскільки вони більш стабільні при зміні температури та вологості, ніж резистивні вимірювання. Ємнісні датчики більш точні та стабільні, ніж резистивні датчики, що робить їх більш ідеальними для медичних застосувань, де точність має вирішальне значення. Датчики вологості на основі плівки використовуються частіше через їх низьку вартість, гнучкість конструкції та швидку швидкість осадження. Напівпровідникові датчики на основі оксиду металу та на основі оксиду металу/полімеру, які в основному виготовляються з використанням методів осадження товстої плівки та тонкої плівки, виділяються серед різних типів датчиків вологості завдяки широкому діапазону опцій чутливих елементів, можливостям постобробки та чудовій реакції. Дослідження синтезу та використання безсвинцевих галогенідів металів перовскітів, таких як Cs2BX6 або Cs2B"B'X6 і Cs2InX5.H2O, повинні бути пріоритетними як життєздатна альтернатива іншим галогенідам металів і оксидам перовскітів з меншою стабільністю та більшою ефективністю. Нанокристалічний свинець, композиції без перовськіту з керамікою, полімерами або керамікою/полімерами можуть значно покращити показники вимірювання вологості.

У цьому огляді підсумовано нещодавній прогрес у розробці високоефективних діелектричних композитів для зберігання та перетворення енергії. Обговорюються переваги та обмеження теоретичних методів розрахунку, таких як кінцевий елемент, модель фазового поля та методи машинного навчання, для розробки високоефективних діелектричних композитів. Огляд також розглядає нові методи виготовлення діелектричних композитів, включаючи 3D-друк, електроформування та холодне спікання, а також висвітлює проблеми та можливості майбутніх досліджень. Діелектричні композити пропонують явну перевагу гнучкості дизайну перед іншими матеріалами та зазнають швидкого зростання в останні роки. Потрібні значні зусилля для розуміння зв’язку між структурою та властивостями, продуктивності та процесу виготовлення діелектричних композитів для розробки композитів з високоефективними багатофункціональними властивостями. Майбутні дослідження мають бути зосереджені на екологічно чистих та стійких матеріалах для проектування композитів, беручи до уваги структуру, хімічний склад, електричні та механічні параметри фаз наповнювача та матриці, а також міжфазні ефекти. Крім того, високоефективні конденсатори та високоефективні охолоджувачі з високою температурною стабільністю користуються попитом для вирішення обмежень енергетичних пристроїв і систем з високими робочими температурами. Нарешті, очікується, що новітнє машинне навчання та високопродуктивні обчислення фазового поля прискорять розробку та відкриття діелектричних композитів, які відповідають цільовим вимогам щодо властивостей.

У цьому розділі наведено огляд трьох типів датчиків вологості MEMS: ємнісних, п’єзоелектричних і резистивних датчиків. Ємнісні датчики використовують зміну діелектричної проникності чутливого матеріалу, тоді як п’єзоелектричні датчики вимірюють зсув резонансної частоти для визначення вологості. Резистивні датчики виявляють зміну вологості шляхом вимірювання зміни питомого опору. Як правило, ємнісні датчики мають вищу лінійність, більш швидкий відгук і температурну компенсацію, але вони чутливі до газових забруднень порівняно з резистивними датчиками. П'єзоелектричні датчики не вимагають зовнішнього джерела живлення, на відміну від ємнісних і резистивних датчиків. Резистивні датчики менш дорогі у виробництві та мають простішу схему зчитування порівняно з двома іншими типами.