Kraftfølende motstand - Force-sensing resistor

En kraftfølende motstand er et materiale hvis motstand endres når en kraft , trykk eller mekanisk belastning påføres. De er også kjent som kraftfølsom motstand og blir noen ganger referert til av initialismen FSR .

Historie

Teknologien for kraftfølende motstander ble oppfunnet og patentert i 1977 av Franklin Eventoff. I 1985 grunnla Eventoff Interlink Electronics , et selskap basert på hans force-sensing-resistor (FSR). I 1987 mottok Eventoff den prestisjetunge internasjonale IR 100 -prisen for utviklingen av FSR. I 2001 grunnla Eventoff et nytt selskap, Sensitronics, som han for tiden driver.

Egenskaper

Kraftfølende motstander består av en ledende polymer , som endrer motstand på en forutsigbar måte etter påføring av kraft på overflaten. De leveres vanligvis som et polymerark eller blekk som kan påføres ved silketrykk . Følefilmen består av både elektrisk ledende og ikke-ledende partikler suspendert i matrisen. Partiklene er sub-mikrometer, og er formulert for å redusere temperaturavhengigheten, forbedre mekaniske egenskaper og øke overflatenes holdbarhet. Påføring av en kraft på overflaten av sensefilmen får partikler til å berøre de ledende elektroder, noe som endrer filmens motstand. Som med alle resistivbaserte sensorer krever kraftfølende motstander et relativt enkelt grensesnitt og kan fungere tilfredsstillende i moderat fiendtlige miljøer. Sammenlignet med andre kraftsensorer er fordelene med FSR -er størrelsen (tykkelse vanligvis mindre enn 0,5 mm), lave kostnader og god støtmotstand . En ulempe er deres lave presisjon: måleresultatene kan variere 10% og mer. Kraftfølende kondensatorer tilbyr overlegen følsomhet og langsiktig stabilitet, men krever mer komplisert drivelektronikk.

Driftsprinsipp for FSR

Det er to hovedoperasjonsprinsipper i kraftfølende motstander: perkolering og kvantetunnel . Selv om begge fenomenene faktisk forekommer samtidig i den ledende polymer, dominerer det ene fenomenet over det andre, avhengig av partikkelkonsentrasjon. Partikkelkonsentrasjon omtales også i litteraturen som fyllstoffvolumfraksjonen . Mer nylig har nye mekanistiske forklaringer blitt etablert for å forklare ytelsen til kraftfølende motstander; disse er basert på egenskapen til kontaktmotstand som oppstår mellom sensorelektrodene og den ledende polymeren. Spesielt den kraftinduserte overgangen fra Sharvin -kontakter til konvensjonelle Holm -kontakter . Den kontaktmotstanden , spiller en viktig rolle i den aktuelle ledning av trykkfølsomme motstander i en todelt måte. For det første, for en gitt påført spenning eller kraft , oppstår en plastisk deformasjon mellom sensorelektrodene og polymerpartiklene og reduserer dermed kontaktmotstanden . For det andre blir den ujevne polymeroverflaten flat når den utsettes for inkrementelle krefter, og derfor opprettes flere kontaktbaner; dette forårsaker en økning i det effektive området for strømledning . I en makroskopisk skala er polymeroverflaten glatt. Under et skanneelektronmikroskop er imidlertid den ledende polymeren uregelmessig på grunn av agglomerasjoner av det polymere bindemiddelet. ${\ displaystyle \ phi}$ ${\ displaystyle R_ {C}}$${\ displaystyle R_ {C}}$ ${\ displaystyle \ sigma}$ ${\ displaystyle F}$${\ displaystyle A}$

Oppdatert er det ikke en omfattende modell som er i stand til å forutsi alle ikke-linearitetene som observeres i kraftfølende motstander. De flere fenomenene som forekommer i den ledende polymer viser seg å være for komplekse til å omfavne dem alle samtidig; denne tilstanden er typisk for systemer som er omfattet av kondensert materiens fysikk . I de fleste tilfeller kan imidlertid den eksperimentelle oppførselen til kraftfølende motstander grovt tilnærmes enten til perkolasjonsteorien eller til ligningene som styrer kvantetunnel gjennom en rektangulær potensialbarriere .

Perkolasjon i FSR

Perkolasjonsfenomenet dominerer i den ledende polymer når partikkelkonsentrasjonen er over perkolasjonsterskelen . En kraftfølende motstand som opererer på grunnlag av perkolasjon utviser en positiv trykk-koeffisient, og derfor kan en økning i det påførte trykket føre til en økning i den elektriske motstanden . For en gitt påført spenning kan den elektriske resistiviteten til den ledende polymeren være beregnet fra: ${\ displaystyle \ phi _ {c}}$ ${\ displaystyle R}$${\ displaystyle \ sigma}$${\ displaystyle \ rho}$

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

hvor matcher for en prefaktor avhengig av transportegenskapene til den ledende polymeren og er den kritiske konduktivitetens eksponent. Under perkoleringsregimet skilles partiklene fra hverandre når mekanisk belastning påføres, dette forårsaker en netto økning i enhetens motstand. ${\ displaystyle \ rho _ {0}}$${\ displaystyle x}$

Kvantetunnel i FSR

Kvantetunnel er den vanligste driftsmåten for kraftfølende motstander. En ledende polymer som opererer på grunnlag av kvantetunnel, viser en motstandsreduksjon for inkrementelle spenningsverdier . Kommersielle FSRer som FlexiForce, Interlink og Peratech -sensorene opererer på grunnlag av kvantetunnel. Peratech -sensorene er også referert til i litteraturen som kvantetunnelkompositt . ${\ displaystyle \ sigma}$

Kvantetunneloperasjonen innebærer at gjennomsnittlig mellompartikkelseparasjon reduseres når den ledende polymer utsettes for mekanisk belastning, en slik reduksjon forårsaker en sannsynlighetsøkning for partikkeltransmisjon i henhold til ligningene for en rektangulær potensialbarriere . På samme måte reduseres kontaktmotstanden blant større påførte krefter. For å fungere på grunnlag av kvantetunnel må partikkelkonsentrasjonen i den ledende polymer holdes under perkolasjonsterskelen . ${\ displaystyle s}$${\ displaystyle s}$${\ displaystyle R_ {C}}$${\ displaystyle \ phi _ {c}}$

Flere forfattere har utviklet teoretiske modeller for ledning av kvantetunnel av FSR, noen av modellene er avhengige av ligningene for partikkeltransmisjon over en rektangulær potensialbarriere . Imidlertid er den praktiske bruken av slike ligninger begrenset fordi de er angitt i form av elektronenergi , som følger en Fermi Dirac sannsynlighetsfordeling, dvs. elektronenergi er ikke priori bestemt eller kan ikke settes av den endelige brukeren. Den analytiske avledningen av ligningene for en rektangulær potensialbarriere inkludert Fermi Dirac -fordelingen ble funnet på 60 -tallet av Simmons. Slike ligninger relaterer strømtettheten med den eksterne påførte spenningen over sensoren . Imidlertid er det ikke enkelt å måle i praksis, så transformasjonen brukes vanligvis i litteratur når det gjelder FSR. ${\ displaystyle E}$ ${\ displaystyle J}$${\ displaystyle U}$${\ displaystyle J}$${\ displaystyle I = JA}$

Akkurat som i ligningene for en rektangulær potensialbarriere , er Simmons ligninger stykkevis i forhold til størrelsen på , dvs. forskjellige uttrykk er angitt avhengig av og på høyden på den rektangulære potensialbarrieren . Den enkleste Simmons -ligningen forholder seg til , når som neste: ${\ displaystyle U}$${\ displaystyle U}$${\ displaystyle V_ {a}}$${\ displaystyle I}$${\ displaystyle U}$${\ displaystyle s}$${\ displaystyle U \ ca 0}$

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

der er i enheter av elektronvolt, , er elektronets masse og ladning henholdsvis, og er Plancks konstant . Lavspenningsligningen til Simmons 'modell er grunnleggende for modellering av strømledningen til FSR. Faktisk har den mest aksepterte modellen for tunnelføring blitt foreslått av Zhang et al. på grunnlag av en slik ligning. Ved å omorganisere den ovennevnte ligningen, er det mulig å oppnå et uttrykk for den ledende polymermotstanden , der kvoten er gitt i henhold til Ohms lov : ${\ displaystyle V_ {a}}$${\ displaystyle m}$${\ displaystyle e}$${\ displaystyle h}$${\ displaystyle R_ {Pol}}$${\ displaystyle R_ {Pol}}$${\ displaystyle U/I}$

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

Når den ledende polymeren er fullstendig losset, kan følgende forhold angis mellom mellompartikkelseparasjonen i hviletilstand , fyllstoffvolumfraksjonen og partikkeldiameter : ${\ displaystyle s_ {0}}$${\ displaystyle \ phi}$${\ displaystyle D}$

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

På samme måte kan følgende forhold angis mellom separasjonen mellom partikler og spenning${\ displaystyle s}$${\ displaystyle \ sigma}$

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

hvor er Youngs modul for den ledende polymeren. Til slutt, ved å kombinere alle de nevnte ligningene, oppnås Zhangs modell som neste: ${\ displaystyle M}$

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

Selv om modellen fra Zhang et al. har blitt allment akseptert av mange forfattere, har den ikke vært i stand til å forutsi noen eksperimentelle observasjoner rapportert i kraftfølende motstander. Sannsynligvis er det mest utfordrende fenomenet å forutsi følsomhetsnedbrytning. Når de utsettes for dynamisk belastning, viser noen kraftfølende motstander forringelse i følsomhet. Oppdatert er det ikke gitt noen fysisk forklaring på et slikt fenomen, men eksperimentelle observasjoner og mer kompleks modellering fra noen forfattere har vist at følsomhetsnedbrytning er et spenningsrelatert fenomen som kan unngås ved å velge passende drivspenning i eksperimentet oppsett.

Modellen foreslått av Paredes-Madrid et al. bruker hele settet med Simmons ligninger og omfavner kontaktmotstanden i modellen; dette innebærer at den eksterne påførte spenningen til sensoren er delt mellom tunnelspenningen og spenningsfallet over kontaktmotstanden som neste: ${\ displaystyle V_ {FSR}}$${\ displaystyle V_ {bulk}}$${\ displaystyle V_ {Rc}}$

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

Ved å erstatte sensorstrøm i uttrykket ovenfor, kan angis som en funksjon av kontaktmotstanden og som neste: ${\ displaystyle I}$${\ displaystyle V_ {bulk}}$${\ displaystyle Rc}$${\ displaystyle I}$

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

og kontaktmotstanden er gitt av: ${\ displaystyle R_ {C}}$

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

hvor er motstanden til de ledende nanopartiklene og , er eksperimentelt bestemte faktorer som avhenger av grensesnittmaterialet mellom den ledende polymeren og elektroden. Til slutt er uttrykkene knyttet til sensorstrøm med stykkevis funksjoner akkurat som Simmons -ligningene er: ${\ displaystyle R_ {par}}$${\ displaystyle R_ {C}^{0}}$${\ displaystyle k}$${\ displaystyle I}$${\ displaystyle V_ {FSR}}$

Når ${\ displaystyle V_ {bulk} \ ca 0}$

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

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

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

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

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

I de ovennevnte ligninger, det effektive areal for tunneleringsledning er angitt som en økende funksjon er avhengig av den påførte belastning , og på koeffisientene , , til å bli bestemt eksperimentelt. Denne formuleringen står for økningen i antall ledningsveier med stress: ${\ displaystyle A}$${\ displaystyle \ sigma}$${\ displaystyle A_ {0}}$${\ displaystyle A_ {1}}$${\ displaystyle A_ {2}}$

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

Nåværende forskningstrender i FSR

Selv om modellen ovenfor ikke er i stand til å beskrive det uønskede fenomenet følsomhetsnedbrytning, har inkluderingen av reologiske modeller spådd at drift kan reduseres ved å velge en passende kildespenning; denne uttalelsen har blitt støttet av eksperimentelle observasjoner. En annen tilnærming for å redusere drift er å bruke ikke-justerte elektroder slik at effekten av polymerkryp minimeres. Det er for tiden en stor innsats for å forbedre ytelsen til FSR-er med flere forskjellige tilnærminger: grundig modellering av slike enheter for å velge den mest tilstrekkelige drivkretsen, endre elektrodekonfigurasjonen for å minimere drift og/eller hysterese, undersøke på nytt materialtype som karbon -nanorør eller løsninger som kombinerer de ovennevnte metodene.

Bruker

Force-sensing motstander blir ofte brukt til å lage trykkfølsom "knapper" og har programmer i mange felt, blant annet musikkinstrumenter (for eksempel Sensel Morph), bil belegg sensorer, proteser, foten pronasjon systemer og bærbar elektronikk . De brukes også i blandede eller utvidede virkelighetssystemer samt for å forbedre mobilinteraksjon.

Se også

• Velostat - brukes til å lage hobbyist -sensorer

Referanser