Сенсорный резистор

Сила зондирования резистор представляет собой материал , чье сопротивление изменяется , когда сила , давление или механическое усилие прикладывается. Они также известны как «резисторы, чувствительные к силе» и иногда обозначаются инициализмом «FSR». ^[1]

Воспроизвести медиа

Использование FSR

История [ править ]

Технология резисторов с датчиком силы была изобретена и запатентована в 1977 году Франклином Ивентоффом. В 1985 годе Eventoff основал Interlink Electronics , работа ^[2] компания , основанную на его принудительному-чувствительном резисторе (FSR). В 1987 году Eventoff был удостоен престижной международной награды IR 100 за разработку FSR. В 2001 году Ивентофф основал новую компанию Sensitronics ^[3], которой он руководит в настоящее время. ^[4]

Свойства [ править ]

Чувствительные к силе резисторы состоят из проводящего полимера , который изменяет сопротивление предсказуемым образом после приложения силы к его поверхности. ^[5] Обычно они поставляются в виде полимерного листа или краски, которую можно наносить трафаретной печатью.. Чувствительная пленка состоит как из электропроводящих, так и из непроводящих частиц, взвешенных в матрице. Размер частиц составляет субмикрометр, и их состав разработан для уменьшения температурной зависимости, улучшения механических свойств и увеличения прочности поверхности. Приложение силы к поверхности чувствительной пленки заставляет частицы касаться проводящих электродов, изменяя сопротивление пленки. Как и все резистивные датчики, чувствительные к усилию резисторы требуют относительно простого интерфейса и могут удовлетворительно работать в умеренно агрессивных средах. По сравнению с другими датчиками силы преимущества FSR заключаются в их размере (обычно толщина менее 0,5 мм), низкой стоимости и хорошей ударопрочности . Недостатком является их низкая точность: результаты измерений могут отличаться на 10% и более. Чувствительные к силе конденсаторы обеспечивают превосходную чувствительность и долгосрочную стабильность, но требуют более сложной приводной электроники.

Принцип работы FSR [ править ]

В резисторах с датчиком силы есть два основных принципа работы: перколяция и квантовое туннелирование . Хотя оба явления фактически происходят в проводящем полимере одновременно, одно явление преобладает над другим в зависимости от концентрации частиц. ^[6] Концентрация частиц также упоминается в литературе как объемная доля наполнителя . ^[7] Совсем недавно были найдены новые механистические объяснения для объяснения характеристик резисторов, чувствительных к силе; они основаны на свойстве контактного сопротивления, возникающего между электродами датчика и проводящим полимером. В частности, под действием силы переход от контактов Шарвина к обычным${\ displaystyle \ phi}$ ${\ displaystyle R_ {C}}$Holm контакты . ^[8] сопротивление контакта , играет важную роль в текущей проводимости силовых зондирования резисторов в двояким образом. Во-первых, при заданном приложенном напряжении или силе между сенсорными электродами и частицами полимера возникает пластическая деформация, что снижает контактное сопротивление . ^{[9] [10]} Во-вторых, неровная поверхность полимера сглаживается под действием дополнительных сил, и, следовательно, создается больше путей контакта; это приводит к увеличению эффективной площади для проведения тока . ^[10] В макроскопическом масштабе поверхность полимера гладкая. Однако под${\ displaystyle R_ {C}}$ ${\ displaystyle \ sigma}$ ${\ displaystyle F}$${\displaystyle A}$С помощью сканирующего электронного микроскопа проводящий полимер имеет неправильную форму из-за скоплений полимерного связующего. ^[11]

На сегодняшний день не существует всеобъемлющей модели, способной предсказать все нелинейности, наблюдаемые в резисторах с датчиком силы. Множественные явления, происходящие в проводящем полимере, оказываются слишком сложными, чтобы охватить их все одновременно; это условие типично для систем, охватываемых физикой конденсированного состояния . Однако в большинстве случаев экспериментальное поведение резисторов, чувствительных к силе, можно грубо аппроксимировать либо теорией перколяции, либо уравнениями, определяющими квантовое туннелирование через прямоугольный потенциальный барьер .

Перколяция в FSR [ править ]

Явление перколяции преобладает в проводящем полимере, когда концентрация частиц выше порога перколяции . Чувствительный к силе резистор, работающий на основе перколяции, демонстрирует положительный коэффициент давления, и, следовательно, увеличение приложенного давления вызывает увеличение электрического сопротивления , ^{[12] [13]} Для данного приложенного напряжения удельное электрическое сопротивление проводящего полимера можно рассчитать по формуле ^[14]${\displaystyle \phi _{c}}$ ${\displaystyle R}$${\displaystyle \sigma }$${\displaystyle \rho }$

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

где соответствует предварительному коэффициенту в зависимости от транспортных свойств проводящего полимера, а - критический показатель проводимости. ^[15] В режиме перколяции частицы отделяются друг от друга при приложении механического напряжения, что приводит к увеличению сопротивления устройства.${\displaystyle \rho _{0}}$${\displaystyle x}$

Квантовое туннелирование в FSR [ править ]

Квантовое туннелирование является наиболее распространенным режимом работы силовых резисторов. Проводящий полимер, работающий на основе квантового туннелирования, демонстрирует уменьшение сопротивления при возрастающих значениях напряжения . Коммерческие FSR, такие как сенсоры FlexiForce, ^[16] Interlink ^[17] и Peratech ^[18] , работают на основе квантового туннелирования. Датчики Peratech также упоминаются в литературе как квантовый туннельный композит .${\displaystyle \sigma }$

Операция квантового туннелирования подразумевает, что среднее расстояние между частицами уменьшается, когда проводящий полимер подвергается механическому воздействию, такое уменьшение вызывает увеличение вероятности прохождения частицы в соответствии с уравнениями для прямоугольного потенциального барьера . ^[19] Точно так же сопротивление контакта уменьшается при увеличении приложенных сил. Чтобы работать на основе квантового туннелирования, концентрация частиц в проводящем полимере должна поддерживаться ниже порога перколяции . ^[6]${\displaystyle s}$${\displaystyle s}$${\displaystyle R_{C}}$${\displaystyle \phi _{c}}$

Некоторые авторы разработали теоретические модели квантовой туннельной проводимости FSR ^{[20] [21],} некоторые из моделей основаны на уравнениях прохождения частиц через прямоугольный потенциальный барьер . Однако практическое использование таких уравнений ограничено, поскольку они сформулированы в терминах энергии электронов, которая следует распределению вероятностей Ферми-Дирака, то есть энергия электронов не определяется априори или не может быть установлена ​​конечным пользователем. Аналитический вывод уравнений для прямоугольного потенциального барьера, включающего распределение Ферми-Дирака, был найден в 60-х годах Симмонсом. ^[22] Такие уравнения связывают плотность тока${\displaystyle E}$ ${\displaystyle J}$с внешним приложенным напряжением на датчике . Однако на практике это не просто измерить, поэтому преобразование обычно применяется в литературе при работе с FSR.${\displaystyle U}$${\displaystyle J}$${\displaystyle I=JA}$

Как и в уравнениях для прямоугольного потенциального барьера , уравнения Симмонса являются кусочными по отношению к величине , т. Е. Формулируются различные выражения в зависимости от и от высоты прямоугольного потенциального барьера . Простейшее уравнение Симмонса ^[22] относится с , когда в следующем:${\displaystyle U}$${\displaystyle U}$${\displaystyle V_{a}}$${\displaystyle I}$${\displaystyle U}$${\displaystyle s}$${\displaystyle U\approx 0}$

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

где в единицах электрон - вольт, , являются масса электрона и заряд соответственно, и является постоянная Планка . Уравнение низкого напряжения модели Симмонса ^[22] является фундаментальным для моделирования токопроводимости FSR. Фактически, наиболее широко распространенная модель туннельной проводимости была предложена Zhang et al. ^[23] на основе такого уравнения. Изменив вышеупомянутое уравнение, можно получить выражение для сопротивления проводящего полимера , где оно определяется как частное согласно закону Ома :${\displaystyle V_{a}}$${\displaystyle m}$${\displaystyle e}$${\displaystyle h}$${\displaystyle R_{Pol}}$${\displaystyle R_{Pol}}$${\displaystyle U/I}$

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

Когда проводящий полимер полностью разгружен, можно установить следующую взаимосвязь между межчастичным разделением в состоянии покоя , объемной долей наполнителя и диаметром частиц :${\displaystyle s_{0}}$${\displaystyle \phi }$${\displaystyle D}$

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

Точно так же можно установить следующую взаимосвязь между межчастичным разделением и напряжением${\displaystyle s}$${\displaystyle \sigma }$

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

где - модуль Юнга проводящего полимера. Наконец, комбинируя все вышеупомянутые уравнения, модель Чжана ^[23] получается следующим образом:${\displaystyle M}$

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

Хотя модель Zhang et al. был широко принят многими авторами ^{[11] [9],} он не смог предсказать некоторые экспериментальные наблюдения, полученные в резисторах с датчиком силы. Вероятно, самое сложное для прогнозирования явление - это снижение чувствительности. Когда они подвергаются динамической нагрузке, некоторые чувствительные к силе резисторы демонстрируют снижение чувствительности. ^{[24] [25]} На сегодняшний день физическое объяснение такого явления не предоставлено, но экспериментальные наблюдения и более сложное моделирование некоторыми авторами продемонстрировали, что ухудшение чувствительности - это явление, связанное с напряжением, которого можно избежать, выбрав соответствующее управляющее напряжение в экспериментальной установке. ^[26]

Модель, предложенная Паредес-Мадрид и др. ^[10] использует весь набор уравнений Симмонса ^[22] и охватывает контактное сопротивление в рамках модели; это означает, что внешнее приложенное к датчику напряжение делится между туннельным напряжением и падением напряжения на контактном сопротивлении следующим образом:${\displaystyle V_{FSR}}$${\displaystyle V_{bulk}}$${\displaystyle V_{Rc}}$

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

При замене датчика тока в приведенном выше выражении, можно сказать , в зависимости от контактного сопротивления и в качестве следующего:${\displaystyle I}$${\displaystyle V_{bulk}}$${\displaystyle Rc}$${\displaystyle I}$

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

а контактное сопротивление определяется как:${\displaystyle R_{C}}$

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

где - сопротивление проводящих наночастиц и , - экспериментально определенные факторы, которые зависят от материала поверхности раздела между проводящим полимером и электродом. Наконец выражения , относящиеся ток датчика с -кусочно функционирует так же , как уравнения Симмонс ^[22] , являются:${\displaystyle R_{par}}$${\displaystyle R_{C}^{0}}$${\displaystyle k}$${\displaystyle I}$${\displaystyle V_{FSR}}$

Когда ${\displaystyle V_{bulk}\approx 0}$

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

Когда ${\displaystyle V_{bulk}<V_{a}/e}$

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

Когда ${\displaystyle V_{bulk}>V_{a}/e}$

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

В указанном выше уравнениях, эффективная площадь для туннельной проводимости формулируются как возрастающая функция , зависящей от приложенного напряжения , а также на коэффициентах , , чтобы быть определена экспериментально. Эта формулировка учитывает увеличение количества путей проводимости с напряжением:${\displaystyle A}$${\displaystyle \sigma }$${\displaystyle A_{0}}$${\displaystyle A_{1}}$${\displaystyle A_{2}}$

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

Текущие тенденции исследований в области FSR [ править ]

Хотя вышеупомянутая модель ^[10] не может описать нежелательное явление деградации чувствительности, включение реологических моделей предсказывает, что дрейф может быть уменьшен путем выбора подходящего источника напряжения; это утверждение подтверждено экспериментальными наблюдениями. ^[26] Другой подход к уменьшению дрейфа заключается в использовании невыровненных электродов, чтобы свести к минимуму влияние ползучести полимера. ^[27] В настоящее время прилагаются большие усилия для улучшения характеристик FSR с помощью нескольких различных подходов: углубленное моделирование таких устройств для выбора наиболее подходящей схемы управления, ^[26] изменение конфигурации электродов для минимизации дрейфа и / или или гистерезис, ^[27]исследования новых типов материалов, таких как углеродные нанотрубки , ^[28] или растворов, сочетающих вышеупомянутые методы.

Использует [ редактировать ]

Чувствительные к силе резисторы обычно используются для создания "кнопок", чувствительных к давлению, и находят применение во многих областях, включая музыкальные инструменты , датчики присутствия в автомобиле, протезы, системы пронации стопы и портативную электронику . Они также используются в системах смешанной или дополненной реальности ^[29], а также для улучшения мобильного взаимодействия. ^{[30] [31]}

См. Также [ править ]

Викискладе есть медиафайлы, связанные с резисторами, чувствительными к силе .

• Велостат - используется для изготовления датчиков для любителей

Ссылки [ править ]