All-Fabric Capacitive Pressure Sensors with Piezoelectric Nanofibers for Wearable Electronics and Robotic Sensing

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作者
Min Su,Jianting Fu,Zixiao Liu,Pei Li,Guojun Tai,Pengsai Wang,Lei Xie,Dage Liu,Ximin He,Dapeng Wei,Jun Yang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (41): 48683-48694 被引量:15
标识
DOI:10.1021/acsami.3c10775
摘要

Flexible pressure sensors are increasingly sought after for applications ranging from physiological signal monitoring to robotic sensing; however, the challenges associated with fabricating highly sensitive, comfortable, and cost-effective sensors remain formidable. This study presents a high-performance, all-fabric capacitive pressure sensor (AFCPS) that incorporates piezoelectric nanofibers. Through the meticulous optimization of conductive fiber electrodes and P(VDF-TrFE) nanofiber dielectric layers, the AFCPS exhibits exceptional attributes such as high sensitivity (4.05 kPa-1), an ultralow detection limit (0.6 Pa), an extensive detection range (∼100 kPa), rapid response time (<26 ms), and robust stability (>14,000 cycles). The sensor's porous structure enhances its compressibility, while its piezoelectric properties expedite charge separation, thereby increasing the interface capacitance and augmenting overall performance. These features are elucidated further through multiphysical field-coupling simulations and experimental testing. Owing to its comprehensive superior performance, the AFCPS has demonstrated its efficacy in monitoring human activity and physiological signals, as well as in discerning soft robotic grasping movements. Additionally, we have successfully implemented multiple AFCPS units as pressure sensor arrays to ascertain spatial pressure distribution and enable intelligent robotic gripping. Our research underscores the promising potential of the AFCPS device in wearable electronics and robotic sensing, thereby contributing significantly to the advancement of high-performance fabric-based sensors.
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