Sensor Regangan Fleksibel Tinggi Sensitivitas Menggunakan Film Piezoelektrik Poly(vinylidene fluoride)

Abstrak

Kami mendemonstrasikan array sensor fleksibel 4 × 4 yang terdiri dari 16 unit mikro-kapasitif yang terbuat dari film piezoelektrik poly(vinylidene fluoride) (PVDF) tebal 50 µm. Citra optik dan mikroskopi gaya respons piezo (PFM) mengonfirmasi antarmuka PVDF/elektroda yang tajam dan domain piezoelektrik yang kuat. Array ini memberikan rasio sinis-ke-bising ultra-tinggi, dengan tegangan output yang linier proporsional terhadap tekanan yang diterapkan sebesar 12 mV kPa⁻¹. Respons transien pulih dalam waktu kurang dari 2,5 µs, yang menegaskan performa elektromekanik yang cepat. Simulasi teoritis menunjukkan bahwa crosstalk sinyal antara sel berdekatan bisa diabaikan di bawah 178 kPa, mengonfirmasi skalabilitas desain.

Latar Belakang

Poly(vinylidene fluoride) (PVDF) adalah polimer piezoelektrik yang kimiawi stabil dan dikenal karena properti piroelektrik, piezoelektrik, dan ferroelektriknya [1, 2]. Ketahanan mekanis yang menakjubkan—modulus Young sebesar 2.500 MPa dan kekuatan tarik hampir 50 MPa—membuat sensor tekanan berbasis PVDF sangat fleksibel dan tahan lelah [3, 4]. Dibandingkan sensor ferroelektrik PZT konvensional, PVDF menawarkan alternatif non-toksik dan biokompatibel [5, 6] serta kelembutan yang lebih baik, sehingga dapat menyesuaikan diri dengan geometri kompleks yang penting untuk aplikasi sensori regangan lanjutan [7, 8]. Karya terbaru telah menunjukkan sensor PVDF yang terintegrasi dalam kateter cerdas untuk pemantauan tekanan secara real-time [11], deteksi gelombang nadi tangan pengemudi untuk aplikasi keselamatan [12], dan kulit buatan yang merasakan tekanan dan suhu [13]. Namun, sebagian besar perangkat yang dilaporkan hanya memberikan sensori satu titik dengan resolusi spasial terbatas.

Dalam skenario dunia nyata—seperti biosensor wearable yang memetakan tekanan di seluruh tubuh manusia—ada kebutuhan yang jelas akan array sensori multipoint, sangat fleksibel, dan ultra-sensitif [14–16]. Di sini kami menyajikan array sensor fleksibel 4 × 4 berbasis film PVDF, mencapai sensitivitas 12 mV kPa⁻¹ dan waktu respons 2,5 µs. Kami juga memetakan distribusi tekanan jari manusia selama gerakan umum, menunjukkan potensi praktis array ini.

Desain dan Eksperimen

Desain dan Pembuatan Array Sensor

Sensor mengadopsi arsitektur sandwich: film PVDF 50 µm (Jinzhou Kexin Inc., China) dilapisi di kedua sisi dengan lapisan elektroda aluminium tebal 20 µm. Gambar 1a mengilustrasikan desain, di mana 16 unit mikro-kapasitor diatur dalam grid 4 × 4, setiap kelompok empat unit berbagi kawat output umum untuk meminimalkan kompleksitas perutean.

Pembuatan dilakukan pada gelas pelapis PDMS untuk memberikan backing yang kaku. Film PVDF yang sudah metalis diposisikan pada substrat, kemudian dilapisi lapisan fotoresist dengan spin-coating 3000 rpm selama 40 detik. Litografi optik diikuti dengan pengasetan basah aluminium melalui mask aligner (ABM, Inc., USA) menghasilkan pola 16 unit. Array yang selesai dilepaskan dari gelas, dan setiap kapasitor dihubungkan ke jejak konduktif dengan perak lem. Untuk memastikan biokompatibilitas, seluruh rangkuman dikapsulasi dalam PDMS dan dikurangi pada 60 °C selama 12 jam. Gambar 1b menunjukkan sensor fleksibel yang selesai dibengkokkan di sekitar silinder.

Properti Piezoelektrik Array Sensor Berbasis Film PVDF

Pengukuran PFM (Seiko, Inc., Jepang) dilakukan pada permukaan PVDF dengan bias AC 2 V pada area 2 × 2 µm². Kontras fase yang dihasilkan mengonfirmasi domain piezoelektrik yang terdefinisi dengan baik dan antarmuka yang jelas dengan elektroda di bawahnya.

Kalibrasi Array Sensor

Kalibrasi melibatkan penerapan tekanan terkontrol ke array menggunakan platform elektromekanik yang terhubung ke National Instruments DAQ-USB6008. Tegangan output sensor dicatat saat tekanan bervariasi, memungkinkan pembuatan kurva kalibrasi tegangan-tekanan.

Hasil dan Pembahasan

Gambar 2a menampilkan morfologi permukaan setelah pengasetan di bawah mikroskop optik, mengungkapkan kontras yang jelas yang menunjukkan antarmuka PVDF/aluminium yang bersih. Gambar 2b dan 2c menunjukkan permukaan PVDF dan citra fase PFM-nya, masing-masing; morfologi yang halus dan sinyal fase yang kuat menyaksikan perilaku piezoelektrik yang kuat.

Di bawah tekanan konstan 98,1 kPa yang diterapkan pada satu elektroda, sensor menghasilkan output 123,1 mV dengan bising yang bisa diabaikan, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3a. Ketika tekanan identik diterapkan secara bersamaan pada empat elektroda, masing-masing menghasilkan sekitar 190 mV, menunjukkan sinkronisasi yang excelente di seluruh array (Gambar 3b). Kalibrasi linier tegangan-tekanan dari 60–150 kPa menghasilkan kemiringan 12 mV kPa⁻¹ dengan offset –159,2 mV (Gambar 3c).

Uji respons transien melibatkan penerapan tekanan impuls (≈75,1 kPa) pada 90 Hz. Tegangan sensor naik dan turun dalam waktu 2 ms, menunjukkan respons elektromekanik yang cepat (Gambar 4a). Di seluruh rentang 60–150 kPa, waktu respons tetap konsisten di bawah 2 ms, dan amplitudo output selaras dengan kalibrasi linier.

Crosstalk sinyal antara elektroda berdekatan diperiksa melalui simulasi COMSOL Multiphysics. Setiap elektroda meliputi 1,4 mm². Gambar 5b menunjukkan distribusi regangan saat tekanan diterapkan pada elektroda A, dengan peningkatan regangan yang diamati di lokasi tetangga. Tegangan interferensi yang disimulasi bervariasi linier terhadap tekanan yang diterapkan, dengan kemiringan 0,028 mV kPa⁻¹ dan intercept 5 × 10⁻⁴ mV (Gambar 5c). Interferensi turun di bawah 5 mV untuk tekanan di bawah 178 kPa, sehingga secara praktis tidak signifikan. Pengurangan area elektroda lebih mengurangi interferensi, seperti dikonfirmasi oleh simulasi dengan elektroda 1,2, 1,0, dan 0,8 mm² (Gambar 5d).

Untuk menunjukkan kegunaan praktis, kami memetakan distribusi tekanan di jari ibu jari selama tiga gerakan umum: shiatsu, pengulenan, dan gosok. Gambar 6 menunjukkan bahwa selama shiatsu, spot 76 kPa yang terpusat muncul di pusat jari, sementara pengulenan menghasilkan tekanan lebih tinggi pada permukaan depan, dan gosok menghasilkan distribusi ~68 kPa yang lebih seragam. Temuan ini selaras dengan observasi klinis sebelumnya dan mengonfirmasi kemampuan sensor untuk menangkap tekanan gerakan jari yang halus.

Secara ringkas, array sensor berbasis PVDF 4 × 4 yang dibuat menawarkan deteksi regangan fleksibel dengan sensitivitas tinggi dan waktu respons cepat. Kemampuan pemetaan tekanan yang divalidasi pada jari manusia menunjukkan potensi kuat untuk biosensing wearable dan aplikasi haptik robotika.

Singkatan

PFM:

Mikroskopi Gaya Respons Piezo

PVDF:

Poly(vinylidene fluoride)