Kraftavkännande motstånd

Ett kraftavkännande motstånd är ett material vars motstånd ändras när en kraft , tryck eller mekanisk påkänning appliceras. De är också kända som kraftkänsliga motstånd och kallas ibland för initialismen FSR .

FSR-användning

Historia

Tekniken för kraftavkännande motstånd uppfanns och patenterades 1977 av Franklin Eventoff. 1985 grundade Eventoff Interlink Electronics , ett företag baserat på hans kraftavkänningsmotstånd (FSR). 1987 fick Eventoff det prestigefyllda internationella IR 100-priset för utvecklingen av FSR. År 2001 grundade Eventoff ett nytt företag, Sensitronics, som han för närvarande driver.

Egenskaper

Kraftavkännande motstånd består av en ledande polymer , som ändrar motståndet på ett förutsägbart sätt efter applicering av kraft på dess yta. De levereras normalt som ett polymerark eller bläck som kan appliceras genom screentryck . Avkänningsfilmen består av både elektriskt ledande och icke-ledande partiklar suspenderade i matris. Partiklarna är under mikrometerstorlekar och är formulerade för att minska temperaturberoendet, förbättra mekaniska egenskaper och öka ythållbarheten. Att applicera en kraft på ytan av avkänningsfilmen får partiklar att vidröra de ledande elektroderna, vilket förändrar filmens motstånd. Som med alla resistivbaserade sensorer kräver kraftavkännande motstånd ett relativt enkelt gränssnitt och kan fungera tillfredsställande i måttligt fientliga miljöer. Jämfört med andra kraftsensorer är fördelarna med FSR:er deras storlek (tjocklek vanligtvis mindre än 0,5 mm), låg kostnad och god stöttålighet . En nackdel är deras låga precision: mätresultaten kan skilja sig med 10 % och mer. Kraftavkännande kondensatorer erbjuder överlägsen känslighet och långsiktig stabilitet, men kräver mer komplicerad drivelektronik.

Funktionsprincip för FSR:er

Det finns två huvudsakliga funktionsprinciper i kraftavkännande motstånd: perkolation och kvanttunneling . Även om båda fenomenen faktiskt inträffar samtidigt i den ledande polymeren, dominerar det ena fenomenet över det andra beroende på partikelkoncentrationen. Partikelkoncentration kallas även i litteraturen för fyllmedelsvolymfraktionen $\phi$ . På senare tid har nya mekanistiska förklaringar etablerats för att förklara prestandan hos kraftavkännande motstånd; dessa är baserade på egenskapen för kontaktresistans $R_{C}$ mellan sensorelektroderna och den ledande polymeren Speciellt kraftinducerade övergången från Sharvin-kontakter till konventionella Holm-kontakter . Kontaktresistansen $R_{C}$ av kraftavkännande motstånd på ett dubbelt sätt . För det första, för en given applicerad spänning ${\displaystyle \sigma } ,$ eller kraft $F$ , uppstår en plastisk deformation mellan sensorelektroderna och polymerpartiklarna, vilket minskar kontaktresistansen . För det andra plattas den ojämna polymerytan till när den utsätts för inkrementella krafter, och därför skapas fler kontaktvägar; detta orsakar en ökning av den effektiva arean för strömledning $A$ . I makroskopisk skala är polymerytan slät. Under ett svepelektronmikroskop är emellertid den ledande polymeren oregelbunden på grund av agglomerationer av det polymera bindemedlet.

Upp till dags dato finns det inte en heltäckande modell som kan förutsäga alla icke-linjäriteter som observeras i kraftavkännande motstånd. De multipla fenomen som uppträder i den ledande polymeren visar sig vara för komplexa för att kunna omfatta dem alla samtidigt; detta tillstånd är typiskt för system som ingår i den kondenserade materiens fysik . Men i de flesta fall kan det experimentella beteendet hos kraftavkännande motstånd grovt approximeras till antingen perkolationsteorin eller till ekvationerna som styr kvanttunneling genom en rektangulär potentialbarriär .

Perkolering i FSR

Perkolationsfenomenet dominerar i den ledande polymeren när partikelkoncentrationen är över perkolationströskeln ϕ $\displaystyle \phi _{c}}$ . Ett kraftavkännande motstånd som arbetar på basis av perkolation uppvisar en positiv tryckkoefficient, och därför orsakar en ökning av det applicerade trycket en ökning av det elektriska motståndet $R$ , För en given applicerad spänning $\sigma$ , den elektriska resistiviteten $\rho$ för den ledande polymeren kan beräknas från:

$\rho =\rho _{0}(\phi -\phi _{c})^{-x}$

där $\rho _{0}$ matchar för en prefaktor beroende på transportegenskaperna för den ledande polymeren och $x$ är den kritiska konduktivitetsexponenten. Under perkolationsregimen separeras partiklarna från varandra när mekanisk belastning appliceras, vilket orsakar en nettoökning av enhetens motstånd.

Kvanttunneling i FSRs

Kvanttunneling är det vanligaste driftsättet för kraftavkännande motstånd. En ledande polymer som arbetar på basis av kvanttunnel uppvisar en resistansminskning för inkrementella värden på spänningen $\sigma$ . Kommersiella FSR:er som FlexiForce, Interlink och Peratech-sensorer fungerar på basis av kvanttunneling. Peratech-sensorerna kallas också i litteraturen för kvanttunnelkomposit .

Kvanttunneloperationen innebär att den genomsnittliga separationen mellan partiklar $s$ reduceras när den ledande polymeren utsätts för mekanisk påfrestning, en sådan minskning i $s$ orsakar en sannolikhetsökning för partikelöverföring enligt ekvationer för en rektangulär potentialbarriär . På liknande sätt reduceras kontaktmotståndet $R_{C}$ För att kunna arbeta på basis av kvanttunneling måste partikelkoncentrationen i den ledande polymeren hållas under perkolationströskeln $\phi _{c}$ .

Flera författare har utvecklat teoretiska modeller för kvanttunnelledning av FSR, några av modellerna förlitar sig på ekvationerna för partikelöverföring över en rektangulär potentialbarriär . Den praktiska användningen av sådana ekvationer är dock begränsad eftersom de anges i termer av elektronenergi, $E$ , som följer en Fermi Dirac-sannolikhetsfördelning, dvs elektronenergi bestäms inte a priori eller kan inte ställas in av slutanvändare. Den analytiska härledningen av ekvationerna för en rektangulär potentialbarriär inklusive Fermi Dirac-fördelningen hittades på 60-talet av Simmons. Sådana ekvationer relaterar strömtätheten $J$ med den externa pålagda spänningen över sensorn $U$ . ${\displaystyle J} är$ dock inte direkt mätbar i praktiken, så transformationen $I=JA$ används vanligtvis i litteraturen när man hanterar FSR

Precis som i ekvationerna för en rektangulär potentialbarriär är Simmons ekvationer bitvis med avseende på storleken på $U$ , dvs olika uttryck anges beroende på $U$ och på höjden på rektangulär potentialbarriär $V_{a}$ . Den enklaste Simmons ekvation relaterar $I$ med $U$ , $s$ när $U\approx 0$ som nästa:

$I(U,s)={\frac {3A{ \sqrt {2mV_{a}}}}{2s}}({\frac {e}{h}})^{2}U\exp(-{\frac {4{\pi }s}{h}} {\sqrt {2mV_{a}}})$

där $V_{a}$ är i enheter av elektronvolt, $m$ , $e$ är elektronens massa respektive laddning, och $h$ är Planck-konstanten . Lågspänningsekvationen i Simmons modell är grundläggande för att modellera strömledningen för FSR. Faktum är att den mest accepterade modellen för tunnelledning har föreslagits av Zhang et al. på grundval av en sådan ekvation. Genom att omarrangera ovannämnda ekvation är det möjligt att erhålla ett uttryck för den ledande polymerresistansen ${\displaystyle R_{Pol}} ,$ där $R_{Pol}$ ges av kvot $U/I$ enligt Ohms lag :

$R_{\it {Pol}}={\frac {s}{A{\ sqrt {2mV_{a}}}}}({\frac {h}{e}})^{2}\exp({\frac {4{\pi }s}{h}}{\sqrt {2mV_{ a}}})$

När den ledande polymeren är helt avlastad kan följande samband anges mellan partikelseparationen i vilotillstånd ${\displaystyle s_{0}} ,$ fyllmedelsvolymfraktionen $\phi$ och partikeldiameter ${\ displaystil D}$ :

$s_{0}=D{\Big [}{\Big (}{\frac {\pi }{6\phi }}{\Big ) }^{\frac {1}{3}}-1{\Big ]}$

På liknande sätt kan följande samband anges mellan interpartikelseparationen $s$ och spänningen $\sigma$

$s=s_{0}(1-{\frac {\sigma }{M}})$

där $M$ är Youngs modul för den ledande polymeren. Slutligen, genom att kombinera alla ovannämnda ekvationer, erhålls Zhangs modell som nästa:

$R_{\it {Pol}}={\frac {D{\Big [}{\Big (}{\frac {\pi }{6\phi }}{\Big )}^{\frac {1}{3}}-1{\Big ]}(1-{\frac {\sigma }{M}})}{A{\sqrt {2mV_{a }}}}}{\big (}{\frac {h}{e}}{\big )}^{2}\exp {\Big (}{\frac {4{\pi }D}{h} }{\Big [}{\Big (}{\frac {\pi }{6\phi }}{\Big )}^{\frac {1}{3}}-1{\Big ]}(1- {\frac {\sigma }{M}}){\sqrt {2mV_{a}}}{\Big )}$

Även om modellen från Zhang et al. har blivit allmänt accepterad av många författare, har den inte kunnat förutsäga vissa experimentella observationer som rapporterats i kraftavkännande motstånd. Förmodligen är det mest utmanande fenomenet att förutsäga känslighetsförsämring. När de utsätts för dynamisk belastning uppvisar vissa kraftavkännande motstånd försämring i känslighet. Upp till dags dato har en fysisk förklaring för ett sådant fenomen inte getts, men experimentella observationer och mer komplex modellering från vissa författare har visat att känslighetsförsämring är ett spänningsrelaterat fenomen som kan undvikas genom att välja en lämplig drivspänning i den experimentella uppstart.

Modellen som föreslagits av Paredes-Madrid et al. använder hela uppsättningen av Simmons ekvationer och omfattar kontaktresistansen i modellen; detta innebär att den externa pålagda spänningen till sensorn $V_{FSR}$ delas mellan tunnelspänningen $V_{bulk}$ och spänningsfallet över kontaktresistansen $V_{Rc}$ som nästa:

$V_{FSR}=2V_{RC}+V_{bulk}$

Genom att ersätta sensorström $I$ i uttrycket ovan kan $V_{bulk}$ anges som en funktion av kontaktresistansen $Rc$ och $I$ som nästa:

$V_{bulk}=V_{FSR}-2RcI$

och kontaktresistansen $R_{C}$ av:

$R_{C}=R_{\it {par}}+{\frac {R_{C}^{0}}{\sigma ^{k}} }$

där $R_{par}$ är resistansen för de ledande nanopartiklarna och $R_{C}^{0}$ , $k$ är experimentellt bestämda faktorer som beror på på gränssnittsmaterialet mellan den ledande polymeren och elektroden. Slutligen är uttrycken som relaterar sensorström $I$ med $V_{FSR}$ styckvisa funktioner precis som Simmons-ekvationerna är:

När $V_{bulk}\approx 0$

${ \displaystyle R_{\it {bulk}}={\frac {s_{0}(1-{\frac {\sigma }{M}})}{(A_{0}+A_{1}\sigma ^{ A_{2}}){\sqrt {2mV_{a}}}}}({\frac {h}{e}})^{2}\exp({\frac {4{\pi }s_{0} (1-{\frac {\sigma }{M}})}{h}}{\sqrt {2mV_{a}}})}$

När $V_{bulk}<V_{a}/e$

$I={\frac {(A_{0}+A_{1}\sigma ^{A_{2}})e}{2{\pi }hs_{0}^{ 2}(1-{\frac {\sigma }{M}})^{2}}}{\Bigg \{}(V_{a}-{\frac {V_{bulk}}{2}})\ exp {\Bigg [}-{\frac {4{\pi }}{h}}s_{0}(1-{\frac {\sigma }{M}}){\sqrt {2m(V_{a} -{\frac {eV_{bulk}}{2}})}}{\Bigg ]}-(V_{a}+{\frac {V_{bulk}}{2}})\exp {\Bigg [} -{\frac {4{\pi }}{h}}s_{0}(1-{\frac {\sigma }{M}}){\sqrt {2m(V_{a}+{\frac {eV_ {bulk}}{2}})}}{\Bigg ]}{\Bigg \}}$

När $V_{bulk}>V_{a}/e$

$I={\frac {2.2e^{3}V_{bulk}^{2}(A_{0}+A_{1 }\sigma ^{A_{2}})}{8{\pi }hV_{a}s_{0}^{2}(1-{\frac {\sigma}{M}})^{2}} }{\Bigg \{}\exp {\Bigg [}-{\frac {8{\pi }s_{0}(1-{\frac {\sigma }{M}})}{2.96heV_{bulk} ^{2}}}{\sqrt {2mV_{a}^{3}}}{\Bigg ]}-(1+{\frac {2eV_{bulk}}{V_{a}}})\exp {\ Bigg [}-{\frac {8{\pi }s_{0}(1-{\frac {\sigma }{M}})}{2.96heV_{bulk}}}{\sqrt {2mV_{a}^ {3}(1+{\frac {2eV_{bulk}}{V_{a}}})}}{\Bigg ]}{\Bigg \}}$

anges den effektiva arean för tunnelledning ${\displaystyle A} som en ökande funktion beroende på den applicerade spänningen$${\displaystyle \sigma } ,$ och på koefficienterna $A_{0}$ , $A_{1}$ , $A_{2}$ för att bestämmas experimentellt. Denna formulering står för ökningen av antalet ledningsbanor med stress:

$A=A_{0}+A_{1}\sigma ^{A_{2}}$

Aktuella forskningstrender inom FSR

Även om ovanstående modell inte kan beskriva det oönskade fenomenet med känslighetsförsämring, har inkluderingen av reologiska modeller förutspått att drift kan reduceras genom att välja en lämplig källasspänning; detta påstående har stöds av experimentella observationer. Ett annat tillvägagångssätt för att minska drift är att använda icke-inriktade elektroder så att effekterna av polymerkrypning minimeras. Det görs för närvarande en stor ansträngning för att förbättra prestandan för FSR:er med flera olika tillvägagångssätt: djupgående modellering av sådana enheter för att välja den mest lämpliga drivkretsen, ändra elektrodkonfigurationen för att minimera drift och/eller hysteres, undersöka nya materialtyp såsom kolnanorör , eller lösningar som kombinerar ovannämnda metoder.

Används

Kraftavkännande motstånd används vanligtvis för att skapa tryckavkännande "knappar" och har applikationer inom många områden, inklusive musikinstrument (som Sensel Morph), bilnäringssensorer, konstgjorda lemmar, fotpronationssystem och bärbar elektronik . De används också i mixed eller augmented reality- system samt för att förbättra mobil interaktion.

Se även

• Velostat – används för att göra hobbysensorer