Highly Sensitive Capacitive Pressure Sensors over a Wide Pressure Range Enabled by the Hybrid Responses of a Highly Porous Nanocomposite

材料科学 电介质 电容感应 碳纳米管 多孔性 纳米复合材料 复合材料 压力传感器 导电体 压阻效应 兴奋剂 纳米技术 光电子学 物理 操作系统 热力学 计算机科学
作者
Kyoungho Ha,Weiyi Zhang,Hongwoo Jang,Seung-Min Kang,Liu Wang,Philip Tan,Hochul Hwang,Nanshu Lu
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:33 (48) 被引量:267
标识
DOI:10.1002/adma.202103320
摘要

Abstract Past research aimed at increasing the sensitivity of capacitive pressure sensors has mostly focused on developing dielectric layers with surface/porous structures or higher dielectric constants. However, such strategies have only been effective in improving sensitivities at low pressure ranges (e.g., up to 3 kPa). To overcome this well‐known obstacle, herein, a flexible hybrid‐response pressure sensor (HRPS) composed of an electrically conductive porous nanocomposite (PNC) laminated with an ultrathin dielectric layer is devised. Using a nickel foam template, the PNC is fabricated with carbon nanotubes (CNTs)‐doped Ecoflex to be 86% porous and electrically conductive. The PNC exhibits hybrid piezoresistive and piezocapacitive responses, resulting in significantly enhanced sensitivities (i.e., more than 400%) over wide pressure ranges, from 3.13 kPa −1 within 0–1 kPa to 0.43 kPa −1 within 30–50 kPa. The effect of the hybrid responses is differentiated from the effect of porosity or high dielectric constants by comparing the HRPS with its purely piezocapacitive counterparts. Fundamental understanding of the HRPS and the prediction of optimal CNT doping are achieved through simplified analytical models. The HRPS is able to measure pressures from as subtle as the temporal arterial pulse to as large as footsteps.
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