JP2022536357A - 圧力センサ用の複合構造及び圧力センサ - Google Patents

圧力センサ用の複合構造及び圧力センサ Download PDF

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Abstract

圧力センサ用の複合構造、圧力センサ、圧力センサを使用する圧力検知の方法、及び圧力センサ用の複合構造の製造方法。圧力センサ用の複合構造を製造する方法は、エラストマー材料から作製された微細構造のアレイを形成する工程と、微細構造の表面形態が微細構造のコーティングされたアレイについて実質的に維持されるように、微細構造のアレイ上に可撓性導電性コーティングを形成する工程とを含み、導電性コーティングは、エラストマー材料のヤング率よりも高いヤング率を示す。【選択図】図１１

Description

本発明は、圧力センサ用の複合構造、圧力センサ、圧力センサを用いた圧力検知方法、及び、圧力センサ用の複合構造を製造する方法に広く関する。
本明細書全体にわたる先行技術のいかなる言及、及び／又は、議論も、この先行技術が当分野において周知であるか、又は、共通の一般知識の一部を形成することを容認するものとして、いかなる形でも考慮されるべきではない。
Ｓｕｎらは、階層的に構造化されたセンサを作るために、グラフェン及びポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）を利用した（非特許文献１参照）。グラファイトを最初にＰＤＭＳ及び立方晶塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）と混合した。ＮａＣｌを洗い流した後、多孔質複合フィルムが得られた。モールドとしてサンドペーパーを使用することによって、この複合材料の表面形態も微細構造化することができる。開発したセンサは、多くの触覚センサに共通し、一般的に圧力を加えたときの抵抗の変化を測定するピエゾ抵抗作動原理に基づいて圧力を検出するために使用することができる。
Sun, Q. et al. Fingertip-Skin-Inspired Highly Sensitive and Multifunctional Sensor with Hierarchically Structured Conductive Graphite / Polydimethylsiloxane Foams. 1808829, 1-11 (2019) B. C. K. Tee, A. Chortos, R. R. Dunn, G. Schwartz, E. Eason, Z. Bao, Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 5427
しかし、得られた多孔質微細構造は、非特許文献１に記載の製造方法では不規則であり、したがって、センサは、特別な用途のために所望の性能に調節することができない。
本発明の実施形態は、上記の問題の少なくとも１つに対処しようとするものである。
本発明の第１の態様によれば、エラストマー材料から作られた微細構造のアレイと、前記微細構造のアレイ上に形成された可撓性導電性コーティング――それにより前記微細構造のアレイの表面形態が前記微細構造のコーティングされたアレイについて実質的に維持される――と、を備え、前記可撓性導電性コーティングは、前記エラストマー材料のヤング率よりも高いヤング率を示す圧力センサ用の複合構造が提供される。
本発明の第２の態様によれば、第１の態様の複合構造を含む圧力センサが提供される。
本発明の第３の態様によれば、エラストマー材料から作られた微細構造のアレイを形成することと、前記微細構造のアレイ上に形成された可撓性導電性コーティング――それにより前記微細構造のアレイの表面形態が前記微細構造のコーティングされたアレイについて実質的に維持される――を形成することと、を含み、前記可撓性導電性コーティングは、前記エラストマー材料のヤング率よりも高いヤング率を示す圧力センサ用の複合構造を製造する方法が提供される。
本発明の第４の態様によれば、第２の態様の圧力センサを用いた圧力検知方法が提供される。
本発明の実施形態は、例としてのみ及び図面と併せて記載された以下の説明から、よりよく理解され、当業者には容易にわかるだろう。
例示的な実施形態による、ナノ構造ＰＤＭＳフィルム上にグラフェン／グラフェン酸化物層を調製するプロセスの概略図を示す図である。 例示的な実施形態による、交差指電極上に中心整列された微細構造／センサアレイを示す概略上面図を示す図である。 例示的な実施形態による、交差指電極上に中心整列された微細構造／センサアレイを図示する概略断面図を示す図である。 ＧＯ及び上澄みＧｒのブレード方法を用いた、重合体試料上の調製したままのＧｒ―ＧＯの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す図である。 ＧＯ及び上澄みＧｒのブレード法を用いた、重合体試料上の調製したままのＧｒ―ＧＯの別のＳＥＭによる画像を示す図である。 ＧＯ及び上澄みＧｒのブレード方法を用いた、重合体試料上の調製したままのＧｒ―ＧＯの別のＳＥＭによる画像を示す図である。 底部Ｇｒを用いた重合体試料上の調製したままのＧｒ―ＧＯのＳＥＭによる画像を示す図である。 ＧＯ層が存在しない重合体試料上の調製したままのＧｒのＳＥＭ画像を示す図である。 例示的な実施形態による、ブレーディングによってコーティングされたＧＯの薄層を有する、重合体試料上の調製されたままのＧｒ―ＧＯのＳＥＭによる画像を示す図である。 ＧＯの厚層及びＧＯの滴下キャスティングによって形成されたバックルを有する重合体試料上の調製したままのＧｒ―ＧＯのＳＥＭによる画像を示す図である。 例示的な実施形態によるグラフェンセンサの抵抗対圧力、前方及び後方対応のグラフを示す図である。挿入グラフは、感度対圧力の関係を示す。 様々な実施形態によるグラフェンセンサの圧力応答を示す図である。 例示的な実施形態による、調整可能な圧力応答に対するＧｒ濃度の効果を示すグラフを示す図である。 例示的な例示的な実施形態によるグラフェンセンサの歪速度独立性を示すグラフを示す図である。圧力応答は、異なる歪み速度で同一である。 例示的な実施形態によるグラフェンセンサの温度独立性を示すグラフを示す図である。圧力応答は、温度が室温から６０℃に上昇したとき、わずかな変化を示す。 第１サイクルから第１００００サイクルまでの例示的な実施形態によるセンサの圧レスポンスを示すグラフを示す図である。 １００００サイクル後の例示的な実施形態によるセンサのローディング及びアンローディング対応を示す図であり、ヒステリシスが依然として低い程度に留まっていることを示している。 １０００サイクルにわたる例示的な実施形態による、センサのセンサ性能の連続測定を示す図である。 製造から８週間後の一実施形態によるグラフェンセンサの装填及び取り出し対応を示す図である。 「センサ内の電極」設計である例示的な実施形態によるグラフェンセンサの当量表面抵抗のシミュレーションを示す概略図である。 「電極内のセンサ」設計である例示的な実施形態によるグラフェンセンサの当量表面抵抗のシミュレーションを示す概略図である。 例示的な実施形態によるグラフェンセンサの等価回路の概略図を示す図である。 ０ｋＰａの負荷荷重下の例示的な実施形態によるグラフェンセンサのＩ－Ｖ曲線部を示す図である。 １３．６ｋＰａの負荷荷重下の例示的な実施形態によるグラフェンセンサのＩ－Ｖ曲線部を示す図である。 ２６．６ｋＰａの負荷荷重下の例示的な実施形態によるグラフェンセンサのＩ－Ｖ曲線部を示す図である。 例示的な実施形態によるセンサによる変化する小さな重みの連続的な検出を示す上側のグラフと、例示的な実施形態によるセンサによる同じ小さな重みの連続的な検出を示す下側のグラフとを示す図である。 例示的な実施形態によるグラフェンセンサを用いて振動を検出するためのセットアップの概略図を示す図である。 ５００Ｈｚ、１０００Ｈｚ及び１５００Ｈｚの周波数を有する動的外力の例示的な実施形態に従ったグラフェンセンサを用いた検出結果を示すグラフである。 周波数５００Ｈｚの動的外力の例示的な実施形態に従ったグラフェンセンサを用いた検出結果の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を示す図である。 １０００Ｈｚの周波数を有する動的外力の例示的な実施形態に従ったグラフェンセンサを用いた検出結果の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を示す図である。 １５００Ｈｚの周波数を有する動的外力の例示的な実施形態に従ったグラフェンセンサを用いた検出結果の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を示す図である。 例示的な実施形態による、複合構造に使用されるＧｒナノフレーク均一層の端部の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）画像を示す図である。 例示的な実施形態による、圧力センサ用の複合構造を製造する方法を示すフローチャート１１００を示す図である。
本発明の実施形態は、センサ性能において減衰粘度を有する高感度触覚センサとしての微細構造複合材料を提供する。微細構造化された軟質エラストマーの優れた変形性を利用して、高感度及び広い感度範囲を達成する。高いヤング率（例えば、エラストマー微細構造の１０倍を超える）及び可撓性（例えば、グラフェン）の両方を有し、１ＴＰａまでの高いヤング率を有するが、依然として可撓性及び伸縮性を有する、剛性であるが可撓性のコーティング層は、粘弾性効果によって引き起こされる問題を低減するために、例示的な実施形態によるエラストマーの表面上に設計される。その結果、例示的な実施形態によるセンサは、１つの例示的な実施形態において、１４０ｋＰａの広い検知範囲で、少なくとも１０６Ω・ｋＰａ－１までの高感度を達成することができる。低ヒステリシス、温度及び歪速度独立性も観測した。例示的な実施形態によるセンサは、信頼性が高く、無数のサイクルの後、及び長時間の後にも、一貫した性能を維持することができる。接触抵抗と量子トンネル効果の変化に基づいて、例示的な実施形態によるセンサのセンシング機構を解析するための解析モデルを提案した。例示的な実施形態によるセンサは、小さな圧力（例えば、８Ｐａ）及び高周波数信号（少なくとも１５００Ｈｚ）を検出するために適用することができる。
本発明の実施形態は、調整可能なパラメータ、例えば、マイクロピラミッドのサイズ及び密度を有する、ランダムな幾何学的形状と比較して、より規則的な幾何学的形状の微細構造を使用する。また、本発明の実施形態は、接触抵抗の変化に基づく構造を使用し、高弾性率（例えば、微細構造よりも少なくとも１桁高い）、及びグラフェンの良好な可撓性（約１テラパスカル）を利用して、粘度低下センサ性能を達成する。
例示的な実施形態による微細構造化ＰＤＭＳフィルムの作製
シリコンエラストマーと架橋剤を１０：１の重量比で混合し、続いて２５００ｒｐｍの速度で２分間激しく混合した。混合物を、各ピラミッド構造のカスタム設計可能なサイズ及び間隔を有するマイクロピラミッドアレイでパターン化された、処理された非粘着層（例えば、「Ｔｏｓｙｌ」）シリコンモールド上にスピンコーティングした。例示的な実施形態で使用されるパターン形成方法の細部については、非特許文献２を参考にされたい。次いで、サンプルをデシケーター中で３０分間脱気して、混合中に発生した気泡を除去した。ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を基材として選択し、Ｏ２プラズマで処理して、ＰＤＭＳとの良好な接着のために表面を親水性にした。脱気後、プラズマ処理された基板を、型上のＰＤＭＳ混合物の上にプレスし、８０℃で少なくとも４時間硬化させた。最後に、モールドを剥がし、さらなる試験のために微細構造化ＰＤＭＳフィルムを基板上に残した。
微細構造ＰＤＭＳフィルム上のグラフェン／グラフェン酸化物層の作製
図１ａは、例示的な実施形態による、ナノ構造ＰＤＭＳフィルム上にグラフェン／グラフェン酸化物層を調製するプロセスの概略図を示す。
具体的には、図１ａは、例示的な実施形態による試料調製のための概略図を提供する。グラフェンオキシド（ＧＯ）は、符号１００で示されるように、１時間の超音波処理によって水（例えば、１０ｍｇ／ｍｌ）中に容易に分散させることができ、分散液の品質は、凝集及び沈殿なしに長時間にわたって良好に維持することができる。次に、ＧＯは、符号１０２で示されるように、微細構造化ＰＤＭＳ１０６を有するＯ２プラズマ処理エラストマー、ここではＰＥＴ、基板１０４上に転写され、その後、符号１０８で示されるように、より均一な蒸着のために、及び均一なＧＯ層１１０に寄与する余分なＧＯを除去するために、ブレーディングが続けられた。
ナノグラフェン（Ｇｒ）粉末を、最初にＮ―メチル―２―ピロリドン（ＮＭＰ）溶液（１０ｍｇ／ｍｌ）中に分散させ、続いて、符号１１２で示すように２時間超音波処理した。好ましい実施形態例による１０ｍｇ／ｍｌの濃度の選択を以下に記載する。符号１１３で示される１時間の沈降プロセスが、超音波処理の後に使用され、これは、不均一に分散されたＧｒが最上層から重力をかけることを可能にし、一方、微細に分散された上澄みＧｒナノフレークは、符号１１４で示されるように、ＧＯ層１１０上にドロップキャストされ、そして８０℃のオーブン中で３０分間乾燥されて、均一な可撓性導電性Ｇｒ被覆１１５を形成した。図１０は、Ｇｒ被覆１１５及び中間層１１０の端部の原子間力顕微鏡画像を示しており、例示的な実施形態による約６００ｎｍの全高を示している。
例示的な実施形態による上述の方法のようにＮＭＰを使用する場合、センサの基材は、好ましくはＮＭＰと反応せず、例えば、本明細書に記載の実施形態ではＰＥＴフィルムが使用されたことに留意されたい。ＮＭＰは、他の実施形態では、基板の範囲を拡張するために置き換えることができる。
図２は、重合体試料上の調製したままのＧｒ―ＧＯのＳＥＭ画像を示しており、（ａ）―（ｃ）は、ＧＯ及び上澄みＧｒについて上記したブレード法を用いたときであり、（ｄ）は、底部Ｇｒを用いたときであり、（ｅ）は、ＧＯ層が存在しないときであり、（ｆ）は、上記したブレード法によってＧＯの薄層をコーティングしたときであり、（ｇ）は、ＧＯの厚い層及びバックルをＧＯの滴下キャスティングによって形成したときである。
具体的には、図２ａ～２ｃは、微細構造複合の走査電子顕微鏡画像を示す。例示的な実施形態によれば、複合構造の品質に影響を及ぼすことができるいくつかの重要な因子が存在する。まず、沈殿後、底部Ｇｒを滴下鋳造に用いれば、図２ｄのＳＥＭ画像から分かるように、感受性を担うすべての微細構造を覆い、加圧すると容易に層間剥離することができるほど、皮膜は凹凸があり、非常に緻密であることがわかった。第２に、もしＧＯ層が存在しなければ、図２ｅのＳＥＭ画像で見られるように、Ｇｒナノフレークは凝集しやすく、堆積は不均一になる。好ましい実施形態によれば、ポリマーとＧｒとの間の界面層として働く薄いＧＯ層は、主にπ－π相互作用により、Ｇｒに対してより良好な親和性を提供し、より良好な均一性を有するＧｒ層の形成に寄与すると考えられる。また、ＧＯ層の厚さを制御することが好ましい。図２ｆ及び２ｇは、それぞれ、ブレーディング及び滴下キャスティングによって調製されたＰＤＭＳサンプル上のＧＯを示す。図２ｆ及び２ｇの走査電子顕微鏡画像からわかるように、好ましい実施形態によるブレーディングによってコーティングされたＧＯ層は、微細構造化ＰＤＭＳの表面形態を維持するのに十分に薄かったが、滴下キャストＧＯは、本来の微細構造を有意に変化させ、マイクロピラミッドの側縁に空隙を残し、また座屈も残した。したがって、ＰＤＭＳ微細構造上に高品質のＧｒ―ＧＯ層を形成するためには、上澄みＧｒ及びブレーディングコーティングされたＧＯを使用することが好ましい。
例示的な実施形態によるＧＯとＰＤＭＳとの間の接着性の改善
ファンデルワールス力によってのみＧＯがＰＤＭＳと相互作用することを可能にする実施形態では、強い剪断力、曲げ力、又は接着力が与えられる場合、フィルムは分離されてもよい。ＧＯとＰＤＭＳとの間の接着を改善するために、いくつかの方法を好ましい実施形態に従って実施することができる。１つの方法は、ＰＤＭＳ上に薄層銅をスパッタリングし、続いてＧＯ堆積し、１２０℃で２時間アニーリングすることであってよい。これは、接着強度を増強するための銅とＧＯとの間の化学結合の形成に寄与した。別の方法は静電相互作用に焦点を当てている。ＧＯは負に帯電しているので、表面処理をＰＤＭＳ表面上で行い、それを正に帯電させることができる。この戦略は、ＧＯとＰＤＭＳとの間に強い静電力を発生させて、接着性を大幅に向上させることができる。
種々の実施形態による感圧複合材料用の材料の変化量
なお、本発明は、上記実施形態で用いた材料に限定されるものではない。
様々な実施形態では、本発明は、例えば、グラファインなどの他の炭素同素体、及びボロフェン、セレン化タングステン、シリセンなどの他の添加された２Ｄ材料から作製されたコーティングなどであるが、これらに限定されない、可撓性導電性コーティングのための他の低次元電子活物質系にも適用することができる。これらの活性２Ｄ材料は、図１ａを参照して上述したのと同じ方法を用いて、適切な分散剤中に分散させ、エラストマー微細構造の表面上にコーティングすることができる。エラストマー表面に形成された導電性経路は、加圧されると抵抗の変化につながる可能性がある。
他のエラストマー材料としては、様々な要件に対して広い範囲の選択的機械的性能を提供する、他のポリマー、例えば（スチレン―エチレン―ブチレン―スチレン）、シリコン系、及びポリウレタンを挙げることができるが、これらに限定されない。
例示的な実施形態によるセンサ特性評価
エラストマーは、その低い弾性係数のため通常良好な変形能を示し、感圧素子の設計に有利である。他方、それらの性能は、粘弾性効果、例えばヒステリシスによって強く影響される。しかしながら、実施形態例によるセンサは、有利には、外側グラフェン層の特性を利用して、禁止的粘弾性効果を低減し、代わりに、検知性能（例えば、高感度、広感度範囲）を犠牲にすることなく、低いヒステリシス、弱い温度依存性、及び弱い歪速度依存性を示すことができる。主検知機構としての接触抵抗変化に基づいて、例示的な実施形態によるセンサの電気的性能は、外層の圧力応答に大きく依存する。したがって、粘度に関連する問題は、より弾性的な物件を示す例示的な実施形態によるグラフェン被覆によって補償することができる。例示的な実施形態によるセンサの特徴付けは、低減された粘弾性効果を実証し、以下に記載される。
以下に特徴付けられる例示的な実施形態では、各マイクロピラミッドは、５０μｍの基底サイズ及び３５．３μｍの高さを有する。２つのピラミッドの間隔は５０μｍである。なお、本発明はこれらの大きさに限定されるものではない。
グラフェン層の厚さは４５０ｎｍ、酸化グラフェン層の厚さは１５０ｎｍである。本発明は、これらの厚さ及び材料に限定されないことに留意されたい。
特性評価のために、例示的な実施形態によると、例示の実施形態による複合材料は、グラフェンセンサ１２０として、被覆微細構造１１５に対向する基板（図示せず）表面上に形成された設計交差指電極１１６、１１８を用いて組み立てられた。図１ａ～１ｃ参照。
具体的には、微細構造／センサアレイ１１５は、交差指状電極１１６、１１８（図１ｂ及び図１ｃ参照）上で、被覆ピラミッド先端１１５（比較図１ａ）を有し、本実施形態では、下向きにして、電極１１６、１１８と接触した。市販の生体適合性テープを使用して、電極１１６、１１８上のセンサアレイをシールすることができる。
例示的な実施形態では、交差指電極１１６、１１８は、標準的なリソグラフィプロセスを使用して製造された。フォトレジストを基板上にコーティングし、フォトマスク下でＵＶ光に露光した。フォトマスクにはくし型電極パターンがあり、現像後にフォトレジストに転写された。次に、チタン（Ｔｉ）と金（Ａｕ）をフォトレジスト上にスパッタした。リフトオフ後、基板上に残された交差指パターン化金属を電極として、過剰フォトレジストと金属を洗い出した。
設計された交差指電極１１６、１１８は、図１ｂに概略的に示すように、以下の理論的解析の節で議論される、例示的な実施形態によるより堅牢な性能のために、センサ自身よりもわずかに大きい領域を覆う。圧縮圧（１４０ｋＰａ）を歪速度５μｍ／ｓの特注リニアステージシステムを用いてセンサに印加すると、抵抗は１０６Ωのオーダーから１０１Ωのオーダーに変化した。
図３は、例示的な実施形態によるグラフェンセンサの抵抗対圧力のグラフを示している。ここで、図３ａは前方及び後方対応である。挿入グラフは、感度対圧力の関係を示す。図３ｂは様々な実施形態によるグラフェンセンサの圧力応答である。図３ｃは例示的な実施形態による調整可能な圧力応答に対するＧｒ濃度の効果である。
具体的には、図３ａは、例示的な実施形態による印加圧力に対応する抵抗変化を示す。ローディングとアンローディングの両方の結果が示される。以前に報告した圧電抵抗センサと比較して小さな電気ヒステリシスのみが観測され、正確なセンシング応用に大きな可能性を示した。この低減されたヒステリシスは、センサに有利なことに、より多くの弾性特性を付与する、例示的な実施形態によるグラフェンコーティングの高い弾性率に起因する。
図３ａの挿入グラフは、圧力と感度の関係を示す。感度の定義はＳ＝δＲ／δＰであり、圧力の非常に小さい変化内の抵抗変化を指す。本発明によるグラフェンセンサの感受性は、印加圧が小さければ少なくとも１０６Ω・ｋＰａ－１まで上昇することができ、微小な力を良好に検出することができることを示している。圧力が上昇すると、感度は予想通りに低下する。圧力－感度曲線は、感度の定義を通じて、圧力－抵抗曲線の差異から達成され得るので、感度対圧力の平滑で一貫した関係は、例示的な実施形態によるセンサ性能の安定性を示す。図３ｂは、サンプル１～７として示される、例示的な実施形態による複数のグラフェンセンサの電気的圧力応答を示す。比較可能な結果は、例示的な実施形態による、製造方法及び結果として生じるセンサの信頼性を示す。さらに、コーティングに使用されるＧｒ濃度は、センサの圧力応答に影響を及ぼす重要な要因であることが分かった。例示的な実施形態によれば、センサ性能は、Ｇｒの濃度を調整することによって調整することができる。図３ｃに示すように、様々な例示的な実施形態によれば、「Ｃ１０Ｔ１」（濃度１０ｍｇ／ｍｌ及び単一被覆を意味する）は、「Ｃ５Ｔ１」及び「Ｃ２Ｔ１」（濃度５ｍｇ／ｍｌ及び２ｍｇ／ｍｌをそれぞれ意味する）と比較して最大の感受性範囲を示す。
図４ａは、例示的な実施形態によるグラフェンセンサの歪速度独立性を示すグラフを示す図である。圧力応答は、異なる歪み速度で同一である。図４ｂは、例示的な実施形態によるグラフェンセンサの温度独立性を示すグラフを示す。圧力応答は、温度が室温から６０℃に上昇したとき、わずかな変化を示す。
ＰＤＭＳのような粘弾性材料の場合、その粘性効果はニュートンの法則に従うので、荷重と応答との間の関係は周波数の関数である。圧力が異なる歪み速度で印加される場合、ＰＤＭＳの対応する応答は異なることが予想される。しかしながら、可撓性及び高い弾性率のために、例示的な実施形態による外側でコーティングされたグラフェン層は、主に弾性特性を示しながら、内部ＰＤＭＳとともに容易に変形することができ、これはフックの法則の順守を指す。例示的な実施形態によれば、電極とグラフェン層との間の接触領域は、振動数によって視覚的に影響されず、印加された荷重に応じたセンサの歪速度に依存しない抵抗変化をもたらす。図４ａは、例示的な実施形態によるグラフェンセンサの電気的応答が、異なる歪み速度でほぼ同一であることを示している。その結果、実施形態例に係るセンサは、様々な周波数で負荷が加わっても確実に動作することができ、これは、実施形態例に係るセンサは、振動を検出する大きな可能性を有することも示している。以下、これについてより詳細に説明する。
温度の影響については、グラフェンは、温度が上昇したときのＰＤＭＳと比較して、はるかに小さい熱膨張係数を有しており、これは、温度変化中のセンサ構造の幾何学的膨張によって誘発されるセンサ応答のシフトを有利に減少させることができる。一方、グラフェンの抵抗率の温度係数（ＴＣＲ）は極めて小さく、これはグラフェンの抵抗率が不純物に支配され、温度とともにゆっくりと変化することを示している。これら２つの理由は、以前に報告された研究と比較して、例示的な実施形態（図４ｂ参照）によるグラフェンセンサの温度依存性が最小限であることに寄与している。既存のセンサの性能は、温度に大きく依存するが、例示的な実施形態によるセンサは、異なる作業条件でより強いロバスト性を示す、温度変化にかかわらず、より確実に動作することが有利である。
図５は、長期間にわたって周期的な圧縮を受けた場合の、例示的な実施形態によるグラフェンセンサの信頼性を示すグラフである。ここで、図５ａは、第１周期から第１，０００，０００周期までの圧力応答である。図５ｂは、１，０００，０００サイクル後のローディング及びアンローディング応答であり、ヒステリシスがまだ低い程度にとどまっていることを示している。図５ｃは、１０００サイクルを超えるセンサ性能の連続測定である。図５ｄは、製造から８週間後の例示的な実施形態によるグラフェンセンサのローディング及びアンローディング応答であり、数日にわたる例示的な実施形態によるセンサの良好な信頼性を示す。
具体的には、繰り返し負荷中のセンサの信頼性を特徴付けるために、例示的な実施形態に係るグラフェンセンサは、１４０ｋＰａの繰り返し圧力を１，０００，０００回受けた。図５ａは、第１サイクルから第１，０００，０００サイクルまでの対応するセンサ性能を示している。感受性及び感受性範囲の両方は、１，０００，０００サイクル後に安定かつ一貫したままであった。１，０００，０００回の圧縮前後のほとんど同等のセンサ応答は、グラフェンセンサの良好な信頼性と圧縮性を示している。特に最初の１００サイクルの間に観察される抵抗のわずかなシフトは、コーティング層の種々のグラフェンフレーク間のより成形体接触によって誘発され得る。この状況は図５ｃにも現れており、これらの非コンパクトなグラフェン薄片によって生じる量子トンネル現象については、後述する。例示的な実施形態によるグラフェンセンサのローディング及びアンローディング応答は、第１，０００，０００圧迫で図５ｂにプロットされた。低いヒステリシスは、無数のサイクルの後でも維持され、例示的な実施形態に従ったセンサの信頼できる性能及び高精度を示す。さらに、例示的な実施形態によるＧｒ―ＧＯとＰＤＭＳとの間の良好な接着も明らかにされ、外側層は、その独特の可撓性のために、無数のサイクルの後に劣化又は損傷されないであろう。さらに、図５ｃは、圧縮の最初の１０００サイクルにわたるセンサ応答の連続測定結果を表示する。一定振幅（１４０ｋＰａ）の負荷中、センサの最大コンダクタンスは、グラフェンフレークのより成形体積層のために、最初にわずかに増加した。その後、それは変化せず、サイクルにわたって安定したままであった。特性評価結果から良好なセンサ信頼性を図示した。
ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ被覆微細構造センサを研究する以前の研究では、センサ性能は時間と共に劣化し、感度が低くなった。劣化の理由は、ＰＳＳ部分が水と反応し、縮退につながるからである。しかしながら、グラフェンは非常に不活性であり、水及び酸素の拡散に対する腐食バリアとして有利に働くことができる。この場合、例示的な実施形態によるＧｒ―ＧＯでコーティングされたセンサは、長期間の後でさえ、その検知能力を維持することができる。図５ｄは、製造から８週間後の例示的な実施形態によるグラフェンセンサの圧力応答（ローディング及びアンローディングの両方）を示す図である。良好な感受性、広い感受性の範囲及び低ヒステリシスは、依然として劣化なしに示される。この物件は、ウェアラブル装置及び健康監視システムのようなアプリケーションにおける例示的な実施形態によるセンサの使用にとって重要である。
例示的な実施形態によるインターデジタル電極
図６は、例示的な実施形態によるグラフェンセンサの当量表面抵抗のシミュレーションを示す概略図を示し、図６ａは「センサ内の電極」設計であり、図６ｂは「電極内のセンサ」設計である。図７ａは、例示的な実施形態によるグラフェンセンサの等価回路の概略図を示す。
好ましい実施形態によるインターデジタル電極を利用する理由は、センサと電極との間のコンタクト領域を増大させ、起こり得る不均一に分布した被覆欠陥の影響を低減するためである。いくつかの例示的な実施形態によれば、電流がマイクロピラミッドの表面を通過するとき、Ｇｒ―ＧＯ被覆を有する各構造は、１つの抵抗器と見なすことができる。マイクロピラミッドのアレイの等価回路は、直列及び並列接続の多数の抵抗器である。このソフトウェアＴＩＮＡは、その等価抵抗を達成するために、この回路（電極の設計を含む）の抵抗のモデリングと解析に利用された。電極をシミュレートするとき、いくつかのパラメータ、例えば、電極のサイズ、長さ、変位、及び位置を考慮した。電極のサイズが重要であることが分かった。各種例示的実施形態によれば、サイズの異なる設計は、センサ性能の異なる特性評価結果をもたらすことができる。
電極よりも表面領域が大きい場合を指す「センサ内の電極」のデザインについては、電極の長さや位置、センサの寸法などの他の要因に加えて、センサの抵抗も影響する（図６ａ参照）。図６ａにおいて、センサのより遅い表面領域は、センサ抵抗回路網６０２内の電極、例えば６００の長さが、センサ抵抗回路網６０２の対応する長さ６０４よりも短いことによって示される。
しかし、電極がセンサよりも表面領域が大きい場合を指す「電極内センサ」のデザインについては、電極の位置ずれと長さのみが予想内に耐に影響することがわかった（図６ｂ参照）。図６ｂにおいて、電極のより大きな表面領域は、センサ抵抗回路網６０８内の電極、例えば６０６の長さが、センサ抵抗回路網６０８の長さ６１０と同じであるか、又はそれよりも大きいことによって示される。調査結果は、センサ特性評価の間、回路をよりロバストにすることができる。したがって、後者の設計は、好ましい実施形態のために選択された。抵抗は二つの電極の変位の増加と共に増加し、電極の長さの増加と共に減少した。この現象は、等価回路を「ｍ×ｎ」の抵抗回路網（図７ａ参照）にさらに単純化することができる。ここで、ｍは電極の長さに比例し、ｎは変位に比例する。
例示的な実施形態による検知機構
図７ｂ－ｄは、異なる負荷荷重（それぞれ０ｋＰａ、１３．６ｋＰａ、及び２６．６ｋＰａ）下の一実施形態によるグラフェンセンサのＩ－Ｖ曲線部を示す。この非線形関係は、例示的な実施形態に係るセンサにおける量子トンネル効果を示す。
図１ｂを参照すると、Ｇｒ―ＧＯ／ＰＤＭＳ複合体が、例示的な実施形態によるセンサ１２０を形成するために電極と組み立てられる場合、一対のインターデジタル電極１１６、１１８が、試験のために使用される。インターデジタル電極１１６、１１８は、金属の２つのインターロック櫛形アレイからなり、電極１１６、１１８は、基板の同じ表面上で互いに隣接して配置される。電流は、１つの電極１１６から流れ、微細構造、例えばマイクロピラミッドの表面上のＧｒ―ＧＯ被覆を通過し、次いで他の電極１１８に流れる。実施形態によるセンサの全抵抗は、電極抵抗（Ｒｅ）、コンタクト抵抗（Ｒｃ）、及びＧｒ層の表面抵抗（Ｒｓ）の３つの部分によって寄与される。Ｒｅは圧力によって変化しない。Ｒｃは、主に接点領域の変化により、また積層グラフェンフレークからの量子トンネル効果により、気圧と共に著しく変化する。Ｒｓは、コンプレッション中のサーフェス領域の変化により、プレッシャーと共にわずかに変化するが、この変化はＲｃの変化に比べるとわずかである。
図７ａに簡略化された回路が示されており、Ｒｓは、ほぼ一定の抵抗を有する抵抗回路網の集合体とみなされる。Ｒｃは、微細構造、ここでは電極と接触し、圧力誘起抵抗変化を有するマイクロピラミッドの集合体である。各マイクロピラミッドは、同じレジスタンス、及び負荷中の同じレジスタンス変化を有するとみなされる。数ｋは、電極の領域、及びマイクロピラミッドの密度にも関係する。図７ｂ～７ｄは、異なる負荷荷重（それぞれ０ｋＰａ、１３．６ｋＰａ、及び２６．６ｋＰａ）下の一実施形態によるグラフェンセンサのＩ－Ｖ曲線部を示す。抵抗は印加電圧の増加と共に減少し、例示の実施形態によるグラフェンセンサに存在する量子トンネル効果を示している。トンネル効果はグラフェンフレーク間のナノスケールギャップから生じる。各ギャップの距離は、増加した圧力で減少するので、トンネル効果は、より高い圧力での圧縮の間、減衰するであろう。これは、圧力が増加したときに観測されるＩ－Ｖ関係の減少した非線形性を通して、図７ｂ～７ｄに示されている。
例示的実施形態によるセンサ実証
図８ａ及び８ｂは、例示的な実施形態による、センサによる小さな重量の連続的な検出を示す図である。具体的には、本実施形態に係るグラフェンセンサは、触圧を敏感かつ安定して検知することができるため、小重量の連続検出実験を行った。例示的な実施形態による６ｍｍ×６ｍｍの寸法を有するセンサは、１００ｍｇ、５０ｍｇ、及び３０ｍｇの小さい重量を検出するように作製された。最低圧力は約８Ｐａに相当した。図８ａに示すように、例示的な実施形態によるセンサは、約３秒の持続時間にわたって良好な安定性でこれらの小さな重りを連続的に検出することができる。図８ｂに示すように、例示的な実施形態によるセンサは、同じ小さいものについて一貫した抵抗変化を出力することができ、これは、持続的に超小型の触覚信号を検知するその良好な能力を示す。以前の研究から、人間の指先上のタッチレセプターは、１００Ｐａ～１００ｋＰａのおおよその範囲で圧を検知することができる。そのような要求と比較して、例示的な実施形態によるセンサは、電子皮膚において利用される良好な可能性を有し、１つの例示的な実施形態では、８Ｐａから１４０ｋＰａの検知範囲を示す。
広い検知範囲に加えて、触覚センサにも高時間分解能が望まれており、これは例えば振動のような高周波数の信号を識別する能力を指す。本質的に、スパイダによって紡糸されたタンパク質繊維は、高い引張強度と良好な伸長性との独特の組み合わせを示す。これらのスパイダシルクを用いたネットワーク構造はスパイダウェブの優れた振動検出機能に寄与する。例示的な実施形態によるセンサの場合、グラフェンはまた、非常に高い弾性率を有し、構造及び特性の両方の点でスパイダウェブと同様に、特定の可撓性を同時に有する。これらの類似性のために、高速時間対応は、有利には、高周波数を検出する能力を提供する、例示的な実施形態によるグラフェンセンサによって示される。このように、例示的な実施形態によるセンサは、振動を検出するために適用することができる触圧に対する大きな時間分解能を認識することができる。
図９ａは、例示的な実施形態によるグラフェンセンサを用いて振動を検出するためのセットアップの概略図を示す。音波を利用して、高い周波数の動的外力を発生させた。図９ｂは、周波数５００Ｈｚ、１０００Ｈｚ、及び１５００Ｈｚの動的外力の検出結果を示すグラフを示す。図９ｃ～９ｅは、図９ｂにおけるそれぞれの検出結果の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を示し、センサが検出した対応する周波数９０１～９０３を示す。
図９ａを参照すると、実験装置において高周波信号を提供するために、スピーカ９１０を利用して、カスタム調整可能な周波数を有する音波を生成した。例示的な実施形態によると、音波は、動的外力を誘導するために、センサ９１２の表面上に垂直に印加された。センサ９１２が動的な力を受け取ると、それは、迅速に圧縮され、対応して動的な電気的応答を与えるために解放されるであろう。例示的な実施形態によるグラフェンセンサ９１２は、周波数に依存しない圧力応答を有するため、異なる周波数は、センサ応答の振幅に影響を及ぼさない。この特性は、他の要因を持ち込まずに振動の検出と周波数の正確な認識に有益である。一実施形態によるセンサ９１２は、少なくとも１５００Ｈｚの高周波数を有する振動を検出できることが示され、図９ｂは、５００Ｈｚ、１０００Ｈｚ及び１５００Ｈｚの周波数を有する振動の検出結果を与える。高速フーリエ変換（ＦＦＴ）アルゴリズムを用いて、センサ出力を通しての電気応答を解析することにより、振動の周波数を認識できる。図９ｃから９ｅは、これらの信号（それぞれ５００Ｈｚ、１０００Ｈｚ、１５００Ｈｚ）のＦＦＴ解析結果を示している。
例示的な実施形態では、圧力センサのための複合構造が提供され、複合構造は、エラストマー材料から作製された微細構造のアレイと、微細構造のアレイの表面形態が微細構造のコーティングされたアレイについて実質的に維持されるように微細構造のアレイ上に形成された可撓性導電コーティングとを含み、導電コーティングは、エラストマー材料のヤング率よりも高いヤング率を示す。
ヤング率は、エラストマー材料のヤング率よりも約１桁高くてもよく、又はそれ以上であってもよい。
可撓性の導電性コーティングは、低次元の電子活性材料システムを含んでもよい。低次元の電子活性材料システムは電子トンネル特性を示す可能性がある。
低次元の電子活性材料システムは、均一な層を含む。
低次元の電子活性材料システムは、２Ｄ材料構造を含むことができる。２Ｄ材料構造は、ナノフレークを含んでもよい。
複合構造は、微細構造のアレイのための基材をさらに含むことができる。
複合構造は、可撓性導電性被覆の均一性を改善するために、微細構造のアレイと可撓性導電性被覆との間の中間層をさらに含んでもよい。
例示的な実施形態では、上記実施形態の複合構造を含む圧力センサが提供される。
圧力センサは、微細構造のアレイのエラストマー材料の粘弾性特性と比較して、複合構造の弾性特性に基づいて低減されたヒステリシスを示すことができる。
圧力センサは、実質的に周波数に依存しない圧力応答を呈することができる。
圧力センサは、実質的に温度に依存しない圧力応答を呈することができる。
圧力センサは、実質的に湿度に依存しない圧力応答を呈することができる。
圧力センサは、微細構造のコーティングされたアレイの表面の部位を含む電気経路の抵抗を測定するために、微細構造のコーティングされたアレイ上に配置された電極をさらに含んでもよい。電極は、２つのインターデジタル電極を含むことができる。
抵抗は、圧力下の微細構造のコーティングされたアレイの圧縮の結果として変化し得る。抵抗は、圧力が増加するにつれて減少し得る。
図１１は、例示的な実施形態による、圧力センサ用の複合構造を製造する方法を示すフローチャート１１００を示す。ステップ１１０２において、エラストマー材料から作製された微細構造のアレイが形成される。ステップ１１０４において、微細構造の表面形態が微細構造のコーティングされたアレイについて実質的に維持されるように、可撓性導電性コーティングが微細構造のアレイ上に形成され、導電性コーティングは、エラストマー材料のヤング率よりも高いヤング率を示す。
可撓性被覆を形成することは、微細構造のアレイ上に第１の材料をドロップキャスティングすることを含むことができる。
この方法は、第１の材料をドロップキャスティングする前に、微細構造のアレイ上に第２の材料をブレードするステップを含むことができる。
第１の材料は、低次元の電子活性材料システムを含むことができる。
低次元の電子活性材料システムは電子トンネル特性を示す可能性がある。
低次元の電子活性材料システムは、均一な層を含むことができる。
電子活性材料システムは、２Ｄ材料構造を含んでもよい。２Ｄ材料構造は、ナノフレークを含んでもよい。
当該方法は、微細構造のコーティングされたアレイの表面の部位を含む電気経路の耐性を測定するために、微細構造のコーティングされたアレイ上に電極を配置することをさらに含んでもよい。
例示的な実施形態では、上述の実施形態のプレッサセンサを使用して圧力検知する方法が提供される。
本発明の実施形態は、以下の特徴及び関連する利益／利点のうちの１つ又は複数を有することができる：
Figure 2022536357000002
本発明の実施形態は、限定ではなく例として、以下の用途を有することができる：
－ パルスや他の健康監視アプリケーションを長期間検出するための高感度圧力センサ
－ 圧力と振動の両方を検出するための電子スキン。
電気信号の信号処理など、本明細書に記載されるシステム及び方法の態様は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、プログラマブルアレイロジック（ＰＡＬ）装置、電気的プログラマブルロジック及びメモリ装置、及び標準セルベース装置、ならびに特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）などの、プログラマブルロジック装置（ＰＬＤ）のいずれかにプログラムされる機能として実施されてもよい。システムの側面を実装するための他の可能性としては、メモリを備えたマイクロコントローラ（電子的に消去可能なプログラマブル読出し専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）など）、組み込みマイクロプロセッサ、ファームウェア、ソフトウェアなどがある。さらに、システムの態様は、ソフトウェアベースの回路エミュレーション、離散論理（シーケンシャル及びコンビナトリアル）、カスタムデバイス、ファジー（ニューラル）論理、量子デバイス、及び上記のデバイスタイプのいずれかのハイブリッドを有するマイクロプロセッサにおいて具現化され得る。もちろん、基礎となるデバイス技術は、様々なコンポーネントタイプ、例えば、相補型金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）技術、エミッタ結合論理（ＥＣＬ）のようなバイポーラ技術、ポリマー技術（例えば、シリコン共役ポリマー及び金属共役ポリマー－金属構造）、混合アナログ及びデジタル等で提供され得る。
システム及び方法の例示された実施形態の上記の説明は、網羅的であること、又はシステム及び方法を開示された正確な形態に限定することを意図していない。システム構成要素及び方法の特定の実施形態及び例示的な実施形態は、例示の目的で本明細書に記載されているが、当業者が認識するように、システム、構成要素及び方法の範囲内で様々な同等の修正が可能である。本明細書で提供されるシステム及び方法の教示は、上述のシステム及び方法だけでなく、他の処理システム及び方法にも適用することができる。
上述の様々な実施形態の元素及び動作は、さらなる実施形態を提供するために組み合わせることができる。上記の詳細な説明に照らして、これら及び他の変更をシステム及び方法に加えることができる。
概して、以下の特許請求の範囲において、使用される用語は、本明細書及び特許請求の範囲に開示される具体的な実施形態にシステム及び方法を限定するように解釈されるべきではなく、特許請求の範囲に基づいて動作するすべての処理なシステムを含むように解釈されるべきである。したがって、システム及び方法は、本開示によって限定されず、代わりに、システム及び方法の範囲は、特許請求の範囲によって完全に決定されるべきである。
文脈が別途明確に要求しない限り、明細書及び特許請求の範囲を通じて、「備える」、「備える」などの語は、排他的又は網羅的な意味ではなく、包括的な意味で解釈されるべきであり、すなわち、「含むがこれに限定されない」という意味で、単数又は複数を使用する語は、それぞれ、複数又は単数を含む。さらに、用語「本明細書」、「以下」、「上」、「下」、及び同様の意味の用語は、本出願全体を指し、本出願の特定の部位を指すものではない。単語「又は」が、２つ以上の項目のリストに関して使用される場合、その単語は、単語の以下の解釈、すなわち、リスト内の項目のいずれか、リスト内の項目のすべて、及びリスト内の項目の任意の組合せのすべてを包含する。

Claims (28)

  1. 圧力センサ用の複合構造であって、
    エラストマー材料から作られた微細構造のアレイと、
    前記微細構造のアレイ上に形成された可撓性導電性コーティング――それにより前記微細構造のアレイの表面形態が前記微細構造のコーティングされたアレイについて実質的に維持される――と、
    を備え、
    前記可撓性導電性コーティングは、前記エラストマー材料のヤング率よりも高いヤング率を示す
    ことを特徴とする複合構造。
  2. 前記可撓性導電性コーティングの前記ヤング率は、前記エラストマー材料の前記ヤング率よりも約１桁又はそれ以上高いことを特徴とする請求項１に記載の複合材料。
  3. 前記可撓性導電性コーティングは、低次元の電子活性材料システムを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の複合構造。
  4. 前記低次元の電子活性材料システムは、電子トンネル特性を示すことを特徴とする請求項３に記載の複合構造。
  5. 前記低次元の電子活性材料システムは、均一な層を含むことを特徴とする請求項３又は４に記載の複合構造。
  6. 前記低次元の電子活性材料システムは、２Ｄ材料構造を含むことを特徴とする請求項３乃至５のいずれか一項に記載の複合構造。
  7. 前記２Ｄ材料構造は、ナノフレークを含むことを特徴とする請求項６に記載の複合構造。
  8. 前記微細構造のための基板をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の複合構造。
  9. 前記可撓性導電性コーティングの均一性を改善するための、前記微細構造のアレイと前記可撓性導電性コーティングとの間の中間層をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の複合構造。
  10. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載の前記複合構造を備えることを特徴とする圧力センサ。
  11. 前記微細構造のアレイの前記エラストマー材料の粘弾性と比較した前記複合構造の弾性に基づいて、減少したヒステリシスを示すことを特徴とする請求項１０に記載の圧力センサ。
  12. 実質的に周波数に依存しない圧力応答を示すことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の圧力センサ。
  13. 実質的に温度に依存しない圧力応答を示すことを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか一項に記載の圧力センサ。
  14. 実質的に湿度に依存しない圧力応答を示すことを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか一項に記載の圧力センサ。
  15. 前記微細構造のコーティングされたアレイの表面の一部を含む電気経路の抵抗を測定するために、前記微細構造のコーティングされたアレイ上に配置された複数の電極をさらに備えることを特徴とする請求項１０乃至１４のいずれか一項に記載の圧力センサ。
  16. 前記複数の電極は、２つのインターデジタル電極を含むことを特徴とする請求項１５に記載の圧力センサ。
  17. 前記抵抗は、圧力下での前記微細構造のコーティングされたアレイの圧縮結果として変化することを特徴とする請求項１５又は１６に記載の圧力センサ。
  18. 前記抵抗は、圧力の増加とともに減少することを特徴とする請求項１７に記載の圧力センサ。
  19. 圧力センサ用の複合構造を製造する方法であって、
    エラストマー材料から作られた微細構造のアレイを形成することと、
    前記微細構造のアレイ上に形成された可撓性導電性コーティング――それにより前記微細構造のアレイの表面形態が前記微細構造のコーティングされたアレイについて実質的に維持される――を形成することと、
    を含み、
    前記可撓性導電性コーティングは、前記エラストマー材料のヤング率よりも高いヤング率を示す
    ことを特徴とする方法。
  20. 前記可撓性導電性コーティングを形成することは、前記微細構造のアレイ上に第１材料をドロップキャスティングすることを含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
  21. 前記第１材料をドロップキャスティングする前に、前記微細構造のアレイ上に第２材料をブレーディングすることを含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
  22. 前記第１材料は、低次元の電子活性材料システムを含むことを特徴とする請求項２０又は２１に記載の方法。
  23. 前記低次元の電子活性材料システムは、電子トンネル特性を示すことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
  24. 前記低次元の電子活性材料システムは、均一な層を含むことを特徴とする請求項２２又は２３に記載の方法。
  25. 前記低次元の電子活性材料システムは、２Ｄ材料構造を含むことを特徴とする請求項２２乃至２４のいずれか一項に記載の複合構造。
  26. 前記２Ｄ材料構造は、ナノフレークを含むことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
  27. 前記微細構造のコーティングされたアレイの表面の一部を含む電気経路の抵抗を測定するために、前記微細構造のコーティングされたアレイ上に複数の電極を配置することをさらに含むことを特徴とする請求項１９乃至２６のいずれか一項に記載の方法。
  28. 請求項１０乃至１８のいずれか一項に記載の前記圧力センサを用いた圧力検知方法。
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