힘 감지 저항기

힘 감지 저항은 힘, 압력 또는 기계적 응력이 가해지면 저항이 변화하는 재료입니다.이들은 힘 감지 저항이라고도 하며 이니셜리즘 ^[1]FSR에 의해 참조되기도 합니다.

역사

힘 감지 저항의 기술은 1977년 프랭클린 에벤토프에 의해 발명되고 특허를 받았다.1985년 Eventoff는 그의 힘 감지 저항(FSR)을 기반으로 하는 회사인 Interlink Electronics를 ^[2]설립했습니다.1987년 Eventoff는 FSR 개발로 권위 있는 국제 IR 100 상을 수상했습니다.2001년 ^[3]Eventoff는 현재 ^[4]경영하고 있는 Sensitronics라는 새로운 회사를 설립했습니다.

특성.

힘 감지 저항기는 표면에 ^[5]힘을 가하면 저항이 예측 가능한 방식으로 변화하는 전도성 폴리머로 구성됩니다.일반적으로 폴리머 시트 또는 스크린 인쇄로 도포할 수 있는 잉크로 공급됩니다.감지 필름은 매트릭스에 매달려 있는 전도성 입자와 비전도성 입자로 구성됩니다.입자는 마이크로미터 이하의 크기로, 온도 의존도를 낮추고 기계적 특성을 개선하며 표면 내구성을 높이기 위해 제조됩니다.감지 필름 표면에 힘을 가하면 입자가 전도 전극에 닿아 필름의 저항이 변화합니다.모든 저항 기반 센서와 마찬가지로, 힘 감지 저항기는 비교적 단순한 인터페이스를 필요로 하며, 중간 정도의 가혹한 환경에서도 만족스럽게 작동할 수 있습니다.다른 힘 센서와 비교하여 FSR의 장점은 크기(일반적으로 0.5mm 미만의 두께), 저비용 및 우수한 내충격성입니다.단점은 정밀도가 낮다는 것입니다. 측정 결과가 10% 이상 다를 수 있습니다.힘 감지 캐패시터는 뛰어난 감도와 장기적인 안정성을 제공하지만 더 복잡한 드라이브 전자 장치가 필요합니다.

FSR의 작동 원리

힘 감지 저항에는 침투와 양자 터널링이라는 두 가지 주요 작동 원리가 있습니다.두 현상이 실제로 전도성 폴리머에서 동시에 발생하지만 입자 ^[6]농도에 따라 하나의 현상이 다른 현상을 지배한다.입자 농도 또한 문학에 ϕ{\displaystyle \phi}.[7]더 최근에, 새로운 기계적 설명force-sensing 저항기의 성능을 설명하기 위해 설립되었다; 이러한 접촉 저항 RC{\displaystyle R_{C}의 속성에서 디렉터리 기반을 두고 있는 사이에 주입구 볼륨 일부분이라고 한다.t센서 전극과 전도성 고분자.구체적으로는 샤빈 접점에서 기존의 ^[8]홈 접점으로의 이행에 의해 유도된 힘.접점 ${\displaystyle {저항}_{}}$인 R C$(\$C$\})$는 현재 2중으로 힘 감지 저항을 전도하는 데 중요한 역할을 합니다.첫째, 주어진 $(\displaystyle \sigma$ 또는 $(\displaystyle$ F$)$에 대해 센서 전극과 고분자 입자 사이에 소성변형이 발생하여 접촉저항이 ^[9][10]감소합니다.둘째, 고분자 표면이 증분력을 받으면 평탄해지므로 접촉경로가 증가하여 $전류전도유효영역{\displaystyle }$ A$(\displaystyle$ A$)$^[10]가 증가하며 거시적 규모에서는 고분자 표면이 매끄럽다.그러나 주사전자현미경에서는 고분자 결합체의 ^[11]응집 때문에 도전성 고분자가 불규칙하다.

현재까지 힘 감지 저항에서 관측되는 모든 비선형성을 예측할 수 있는 포괄적인 모델은 없습니다.전도성 폴리머에서 발생하는 여러 현상은 너무 복잡하여 동시에 모두 수용하기 어렵습니다. 이 상태는 응축 물질 물리학에 포함된 시스템의 전형적인 현상입니다.그러나, 대부분의 경우, 힘 감지 저항기의 실험 거동은 침투 이론 또는 직사각형 전위 장벽을 통과하는 양자 터널링을 지배하는 방정식에 대략적으로 근사할 수 있다.

FSR에서의 침투

투과현상은 입자농도가 투과역치 $이상$일 때$$전도성 고분자 내에서 $지배적이며 투과$에 기초하여 동작하는 힘센싱 저항기는 양의 압력계수를 나타내며, 따라서 가해지는 압력의 증가로 인해 상승이 발생한다$.$nt $전기저항{\displaystyle }$R {\$displaystyle$$R$$\}$^[12][13]의 경우, 주어진 인가응력$θ$ {\displaystyle \sigma$\}$에 대해 도전성 폴리머의 전기저항률$\theta {\displaystyle }$ {\$displaystyle \rho}$는 다음과 ^[14]같이 계산할 수 있습니다.

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

여기서 ${\displaystyle {\theta \mathrm{}}_{}}$ 0$(\$ _${0})$은 전도성 고분자의 운반 특성에 따라 프리팩터와 $일치$하며 x$(\displaystyle$ x$)$는 임계 전도율 ^[15]지수이다.침투 상태에서는 기계적 응력이 가해지면 입자가 서로 분리되며, 이로 인해 장치 저항이 순증합니다.

FSR에서의 양자 터널링

양자 터널링은 힘 감지 저항의 가장 일반적인 작동 모드입니다.양자터널링에 근거해 동작하는 도전성 폴리머는 응력$δ의 증분치$에 대해 저항감소를 나타내며, FlexiForce,^[16] Interlink$,$ Peratech 센서 등의 상용 FSR은 양자터널링에 근거해 동작한다.Peratech 센서는 문헌에서 양자 터널링 복합체라고도 합니다.

양자 터널링 연산은 전도성 폴리머에 기계적 응력이 가해지면 평균 입자간 $({displaystyle$s})가$$ 감소함을 의미하며, 이러한 s${displaystyle$ s$}$의 감소는 직사각형 퍼텐셜 바리에 대한 방정식에 따라 입자 전달 확률 증가를 일으킨다.er.^[19] 마찬가지로 더 큰 힘을 가하면 접촉 $저항{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle R_{}}$ C$(\$가 감소합니다.양자터널링을 기반으로 동작하기 위해서는 전도성 고분자 중의 입자 농도가 ${\displaystyle {침투역치\theta }_{}}$ c$\$^[6] 미만이어야 한다.

여러 저자가 ^[20][21]FSR의 양자 터널링 전도에 대한 이론적 모델을 개발했으며, 일부 모델은 직사각형 전위 장벽을 통과하는 입자 전달 방정식에 의존한다.그러나 이러한 공식은 페르미 디락 확률 분포를 따르는 전자 에너지 $(\displaystyle$ E$)$의 관점에서 명시되어 있기 때문에 실제 사용이 제한된다. 즉, 전자 에너지는 선험적으로 결정된 것이 아니거나 최종 사용자가 설정할 수 없다.페르미 디락 분포를 포함한 직사각형 전위 장벽 방정식의 해석적 도출은 60년대에 ^[22]시몬스에 의해 발견되었다.이러한 방정식은 $전류{\displaystyle }$ $밀도{\displaystyle }$$$J$$({$displaystyle$U$})$를 센서 U$({displaystyle$ U$\})$의 외부 인가 전압과 관련짓습니다. 그러나$$J({$displaystyle$J})는 실제로 측정할 수 없으므로 변환 $I{\displaystyle }$ ${\displaystyle =}$ $({displaystyle$ I$=JA})$는 일반적으로 FSR을 다룰 때 문헌에 적용됩니다..

직사각형 전위장벽 방정식의 경우와 마찬가지로 시몬스 방정식은$$U(\$displaystyle$U)의 크기와 직사각형 ${\displaystyle {전위장벽}_{}}$ V(\$displaystyle V_$a$})$의 높이에 대해 부분적입니다.가장 단순한 Simmons의 방정식은 U$0일$ $때{\displaystyle }$ $I$와 $U{\displaystyle }$ ${\displaystyle$U$},$$$ {\$displaystyle$s$}$의 관계를$$ $다음$과 같이 나타냅니다.

${\displaystyle I(U,s)=420 frac {3A{\sqrt {2mV_{a}}}}}{2s}({\frac {e}{h}})^{2}U\exp(-\frac {4{\pi }s}{h}}{\sqrt {2mV_{a}}}})}}$

${\displaystyle {여기}_{}}$서 V a$(\$는 전자 전압 단위, $(\displaystyle$ m$),$ $(\displaystyle$ e$)$는 전자의 질량과 전하,$h{\displaystyle }$(\$displaystyle$ h$)$는 플랑크 상수입니다.Simmons 모델의 저전압 방정식은 FSR의 전류 전도를 모델링하는 데 기초적입니다.실제로 터널 전도에 대해 가장 널리 받아들여지는 모델은 그러한 방정식에 기초하여 장 외 ^[23]연구진에 의해 제안되었다.상기 식을 다시 배열하면 도전성 고분자 $저항{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle R_{}}$ ${\displaystyle P_{}}$ ${\displaystyle o_{}}$ l ${\$의 식을 얻을 수 있다.$여기$서 ${\displaystyle R_{}}$ ${\displaystyle P_{}}$ ${\displaystyle o_{}}$l {$displaystyle$$R_{Pol}$은 옴의 법칙에 $따라{\displaystyle }$ 몫${\displaystyle }$U$/I로 주어진다$.

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

도전성 폴리머가 완전히 언로드되면 $정지상태$에서 입자간 분리 ${\displaystyle {s\mathrm{}}_{}}$ 0$(\$ 필러 부피율$\delta {\displaystyle }$(\$displaystyle \phi)$ 및$$ 입자 $직경{\displaystyle }$D(\$displaystyle$ D$)$ 사이에 다음과 같은 관계를 설정할 수 있습니다.

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

마찬가지로 입자간 $(\displaystyle$ s$)$와 응력$(\displaystyle \sigma)$ $사이$에는 다음과 같은 관계가 있을 수 있습니다.

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

$여기$서 M$(\displaystyle$ M$)$은 전도성 고분자의 영 계수입니다.마지막으로 위의 모든 방정식을 조합하여 다음과 같이 Zhang의 모델을 얻을 수 있습니다.

${\displaystyle R_{\it {Pol}} = frac {D\Big [} {\frac {pi } {6\phi}} {\Big}} {{\frac {1} {\Big } } (1-{\frac {\flac } {M} {\Big} {\Big})$

비록 장 외 연구팀의 모델이지만.많은 ^[11][9]저자에 의해 널리 받아들여지고 있으며, 힘 조절 저항기에서 보고된 일부 실험 관찰 결과를 예측할 수 없었다.아마도 예측하기 가장 어려운 현상은 감도 저하일 것이다.동적 부하를 받으면 일부 힘 감지 저항은 ^[24][25]감도가 저하됩니다.현재까지 이러한 현상에 대한 물리적 설명은 제공되지 않았지만, 일부 저자의 실험 관찰과 보다 복잡한 모델링은 감도 저하가 실험 ^[26]설정에서 적절한 구동 전압을 선택함으로써 피할 수 있는 전압 관련 현상이라는 것을 입증했습니다.

Paredes-Madrid ^[10]등이 제안한 모델.모델 및 내의 접촉 저항을 받아들이고 있으며, 이는 외부 센서 VFSR{\displaystyle V_{FSR}에 전압을 의미하}은 터널링 전압 Vb너 나는 k{\displaystyle V_{벌크}사이에}둘로 쪼개져 있고 접촉 저항을 가로질러 전압 강하를 시몬스 씨의 방정식[22]의 전체 집합을 사용합니다 V r ${\displaystyle c_{}}$ ${$ $display style$ V _ {$Rc$ } c$$ 。

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

위의 식에서 센서 $전류{\displaystyle }$ I$(디스플레이 스타일$ I$)$를 대체함으로써 V $($ 스타일 $V_{bulk})$를 접점 $저항{\displaystyle }$ $(디스플레이 스타일$ Rc)의 함수로$,$ I$$(디스플레이$$ 스타일 I$)$를 다음과 같이 나타낼 수 $있습니다$.

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

접촉 $저항{\displaystyle {}_{}}$ $(\$ R_${C})$는 다음과 같습니다.

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

${\displaystyle {여기}_{}}$서 R ${\displaystyle p_{}}$ ${\displaystyle a_{}}$r { $displaystyle$ R _ { $par$} $ive$ 、 R C 0$$（ \ $displaystyle$ R _ { $C$}^$0$ ） 、 $k{\displaystyle }${ $display k$}는$$ 도전성 고분자와 전극 사이의 계면 재료에 따라 결정되는 인자이다.마지막으로 센서 $전류{\displaystyle }$ I$({displaystyle$ I$})$와 ${\displaystyle V_{}}$ F ${\displaystyle S_{}}$R$({displaystyle V_{FSR$})에$$ 관련된 식은 Simmons 방정식과 마찬가지로 부분 함수입니다.

${\displaystyle V_{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{bu}}_{}}$ ${\displaystyle k_{}0}$ 0$${ $displaystyle V$_ { $bulk$} \ $about$ 0$$}인 $경우{\displaystyle {}_{}}$

${displaystyle R_{\it {s_{0}(1-{\frac {\frac}{M}}}}}}{(A_0}+A_{1}\sigma ^{a}}}}}}}{\sqrt {2mV_{a}}}}}{\frac {xp}}}}}{{{{\f}}}}}}}}}}}}}}}{{{{M}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}{{{{{{$

b < /e \ $displaystyle$ V _ { $bulk$} <$V$_ { a } / $e$}

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

b k > a/ { $displaystyle$ V _ { $bulk }$ >$V_{a}/e}$

$({displaystyle I=bigfrac {2.2e^{3}V_{bulk}^{2}(A_{0}+A_{1}\sigma^{2})}{8}{\pi}hV_{0}{2}{2}^{2}(1-{\bigfrac}{{{{}}}})^{}}}}}}}}{{}}}}}}}}{{{}}}}}}}}}}}}}{{{}}}}}}}}}}}}}}}}}}96heV_{bulk}^2}}{\sqrt {2mV_{a}^{3}}{\Bigg }-(1+{\frac {2eV_{bulk}}{V_{a}}}}\exp {Bigg [}-{\frac8{\pi }s}_0}{\frigma}{{\frcg}}}}{{{{{\frc}}}}}}}{\frgma}}}}}}}{\frcggma96heV_{bulk}}{\sqrt {2mV_{a}^{3}(1+{\frac {2eV_{bulk}}}}}}{\Bigg }}}{\Bigg \}}}$

상기 식에서 $터널링{\displaystyle }$ 전도$A$의 유효면적은 인가응력$\delta {\displaystyle }$(\$displaystyle \sigma$ 및 A ${\displaystyle {0\mathrm{}}_{}}$$(\$$0$$\}),$ $A{\displaystyle {}_{}}$ 1$(\$1$\}),$ $A{\displaystyle {}_{}}$ $(\$에 따라 증가하는 함수로 기술되어 있다.정신적으로 확고해졌지각적으로 단호하다.이 공식은 응력이 있는 전도 경로 수의 증가를 설명합니다.

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

FSR의 현재 연구 동향

위 모델은 감도 열화의 바람직하지 않은 현상을 설명할 수 없지만, 레올로지 모델의 포함은 적절한 소싱 전압을 선택함으로써 드리프트를 줄일 수 있다고 예측했습니다. 이 설명은 실험 관찰에 ^[26]의해 뒷받침되었습니다.드리프트를 줄이는 또 다른 방법은 폴리머 크리프의 영향을 최소화하기 위해 ^[27]비정렬 전극을 사용하는 것입니다.현재 대단한 노력 여러 다른 접근법과 함께 FSRs의 성능 향상에 배치: 같은 기기의 심도 있는 모델링에 주문 및/또는 hysteresis,[27]탄소 nanotubes,[28]과 같은 새로운 재료 유형에 조사하고 드리프트 최소화하기 위해 전극 배열 변화하는 가장 적절한 운전 circuit,[26]을 선택하는 것이다. 또는 솔루션s 상기 방법을 조합한다.

사용하다

힘 감지 저항기는 일반적으로 압력 감지 "버튼"을 만드는 데 사용되며, 악기(Sensel Morph와 같은), 자동차 점유 센서, 의족, 발 회전 시스템 및 휴대용 전자 장치를 포함한 다양한 분야에서 사용됩니다.또한 혼합 또는 증강 현실^[29] 시스템에서도 사용되며 모바일 ^[30][31]상호 작용을 강화합니다.

「 」를 참조해 주세요.

• Velostat – 취미용 센서를 만드는 데 사용

레퍼런스