Карандашный рисунок датчика – это и есть сам (пьезорезистентный) датчик
Рисуя графитовыми карандашами на обычной бумаге, можно получить очень недорогие пьезорезистентные (PZR) датчики. Пьезорезистентный эффект заключается в том, что сопротивление датчика меняется при механическом давлении. Такие датчики дешевле и проще в изготовлении , чем кремниевые. При этом они менее чувствительны – ведь по электрическим свойствам графит уступает кремнию. Тайваньский ученый Тин-Ко Кан (Ting-Kuo Kang) работает над этой проблемой.
Чувствительность PZR-датчиков характеризуется коэффициентом тензочувствительности (gauge factor, GF)– отношением динамики электрического сопротивления к приложенному давлению. У кремниевых датчиков GF выше ста, а графитовых – не больше девяти.
В своих экспериментах Кан рисовал на бумаге карандашами различных типов PZR-датчики U-образной формы. Простые карандаши ранжируют по сортам в зависимости от твердости и содержания графита, от 9B до 2H (H обозначает твердость, определяемую содержанием глины, а B – черноту, связанную с содержанием графита).
Нарисованные датчики были наклеены на печатные платы, на каждой из которых был укреплен тензометр (датчик деформаций). Потом Кан подверг каждый датчик циклам напряжений методом четырёхточечного изгиба, и измерил колебания напряжения на каждом датчике.
Оказалось, что коэффициент тензочувствительности зависит от типа карандаша: чем больше глины и меньше графита, тем сильнее под влиянием давления «скачет» сопротивления и увеличивается GF.
По мнению Кана, это явление связано с внутренней структурой графитового стержня: графит, глина-изолятор, другой слой графита. Эта структура напоминает систему металл-изолятор-металл.
PZR-устройства из кремния применяются в качестве датчиков давления, акселерометров, биосенсоров. Если увеличить чувствительность карандашных PZR-датчиков, они тоже могут взять на себя эти задачи.
Исследование представлено в журнале Applied Physics Letters.
По материалам Phys.org.
Артём Космарский nauka21vek.ru