正圧抵抗効果を持つ高感度・大測定範囲のフレキシブル圧力センサの3Dプリンティング

3D Printing of Highly Sensitive and Large-Measurement-Range Flexible Pressure Sensors with a Positive Piezoresistive Effect.

• Zhenhua Tang
• Shuhai Jia
• Chenghao Zhou
• Bo Li

抄録

ピエゾ抵抗効果を有する複合材料を用いたフレキシブル圧力センサは、感度と測定範囲のトレードオフに悩まされることが多い。また、ピエゾ抵抗係数が負のため、理論的には感度や測定範囲が制限され、抵抗値のばらつきが100%以下になってしまいます。ここでは、3次元（3D）印刷技術を用いてフレキシブル圧力センサを作製し、正のピエゾ抵抗効果により感度と検出範囲の両方を向上させました。導電性フィラーとしてカーボンナノチューブ（CNT）を、レオロジー修飾剤としてフュームドシリカナノ粒子（SiNP）を添加することで、粘弾性シリコーンゴム溶液は印刷可能なゲルインクに変化した。その後、軟質多孔質複合体（SPC）を室温で空気中で直接印刷した。SPCベースの圧力センサーの感度と検出範囲は、導電性CNTと絶縁性SiNPの含有量を調整することで同時に調整することができます。マトリックス中のCNT導電ネットワークの密度を最適化することで、正のピエゾ抵抗感度（+0.096 kPa）と大きなリニアセンシングレンジ（0～175 kPa）が得られた。潜在的なアプリケーションを実証するために、完全にソフトなSPCベースのセンサーは、把持センシングと歩行監視システムに使用することに成功しました。また、3Dプリントされたセンサーは、圧力分布をマッピングするためのスマートな人工感覚アレイとして組み立てられた。

Piezoresistive composite-based flexible pressure sensors often suffer from a trade-off between the sensitivity and measurement range. Moreover, the sensitivity or measurement range is theoretically limited owing to the negative piezoresistive coefficient, resulting in resistance variation below 100%. Here, flexible pressure sensors were fabricated using the three-dimensional (3D) printing technique to improve both the sensitivity and sensing range through the positive piezoresistive effect. With the addition of carbon nanotubes (CNTs) and fumed silica nanoparticles (SiNPs) as a conductive filler and rheology modifier, respectively, the viscoelastic silicone rubber solution converted to a printable gel ink. Soft and porous composites (SPCs) were then directly printed in air at room temperature. The sensitivity and sensing range of the SPC-based pressure sensor can be simultaneously tuned by adjusting the conducting CNT and insulating SiNP contents. By optimizing the density of the CNT conductive network in the matrix, positive piezoresistive sensitivity (+0.096 kPa) and a large linear sensing range (0-175 kPa) were obtained. To demonstrate potential applications, the completely soft SPC-based sensor was successfully used in grasp sensing and gait monitoring systems. The 3D printed sensors were also assembled as a smart artificial sensory array to map the pressure distribution.