Teknologi Piezoresistive
Sensor
Nama
: Imas Tri Setyadewi
NPM
: 2006547086
MK
: Sensor dan Aktuator
Dosen
: - Prof. Dr. Djoko Hartanto
- Tomy Abuzairi, Ph.D
Table of Contents
01
Pendahuluan
Perkembangan Teknologi
Piezoresistive Sensor
04
Parameter dan
material device
02
Piezoresistive efek
pada material
05
Aplikasi Sensor
Piezoresistive
03
Teknologi Sensor
Piezoresistive
06
Kesimpulan
1. Pendahuluan : Perkembangan Piezoresistiv
Piezo dari bahasa Yunani
“piezein” yang berarti “to
press, to compress” dan
resistive dalam bahasa latin
“resistere” yang berati “to
stop”
 Piezoresistive berati efek
perubahan resistansi dari suatu
konduktor listrik karena
adanya perubahan geometri
oleh stimulus dari luar.
Gambar 1. Perkembangan Piezoresistive Sensor
2. Piezoresistiv efek
 Piezoresistive efek pada metal konduktor lebih disebabkan karena elongation atau perubahan
geometri
 Piezoresistive efek pada semikonduktor karena adanya tekanan yang menyebabkan perubahan lebar
band gap karena adanya deformasi jarak antar atom, dan pergerakan pembawa muatan (elekron dan
hole).
 Piezoresistive efek pada polimer komposit berkaitan dengan mekanisme konduksi dimana konduktif
filler terdispersi dalam suatu matrix insulator
Gambar 2. Conductive Filler pada Matrix Insulator
2. Piezoresistiv efek
Metal Strain Gage


Prinsip kerja piezoresistive sensor adalah
adanya perubahan resistivitas material
terhadap tekanan dari luar
Menggunakan metal strip yang dibuat berkelokkelok diatas substrat plastik, polymide atau
insulating polimer
Non- Metal Strain Gage
 Semikonduktor Si, Polysilicon, SOI dan SiC banyak
digunakan sebagai piezoresistor karena faktor gauge yang
lebih baik dibanding metal
 Menggunakan polimeric material seperti PDMS, PP,
Polycarbonate, PMMA, PE, PVA atau lainnya dan filler CNT
atau graphene
3. Teknologi Sensor Piezoresistive (1)

Piezoresistive sensor pada strain gauge biasanya dihubungkan secara elektrikal menggunakan konfigurasi Jembatan
Wheatstone
a
c
b
Gambar 4. Rangkaian jembatan wheatston dengan satu sensor (a) Model mikro sensor piezoresistive berbasis CNT (MWCNT) (b)
3. Teknologi Piezoresistive sensor
 Piezoresistive sensor pada bulk material fleksibel pressure sensor nilai total resistansinya adalah penjumlahan dari
resistansi pada elektroda dan resistansi dari aktif material
 Zhao et al, membuat model struktur hollow dimana sensitivity dan jangkauan linearnya dapat diatur. Sensitivity
mencapai 15,9 kPa-1 pada rentang 0 – 60 kPa
 Microstrukture dapat meningkatkan konsentrasi tekanan pada daerah yang lancip, yang mana meningkatkan
deformasi elastomer
3. Teknologi Piezoresistive sensor (3)
 Zhang et al melakukan penelitian mengenai tipe sensor tekanan kontak resistive
 Terdiri dari elastomer microstructure yang berhadapan dimana permukaannnya menggunakan conducting layer
 Kelebihan dari struktur ini adalah sensitivity yang sangat tinggi pada tekanan yang rendah mencapai 0,6 Pa dengan
sensitivity 1,8 kPa-1 dan tidak sensitif terhadap termperatur serta mudah untuk dibuat fleksibel sensor
 Kelemahannya, sensitivity dipengaruhi oleh konduktivitas listrik pada conducting layer yang berlaku juga sebagai
elektroda
 Sebagai solusinya Chaen et al (2019), mengembangkan elastomer to elektrode dimana Re << Ra, sehingga lebih efisien
dalam mentransmit perubahan sinyal listrik
 Rentang pengukuran mulai 0 – 50 kPa dan sensitivity mencapai 1851 kPa-1
4. Parameter
Tantangan :
1. Sensitivitas yang tinggi biasanya menyebabkan limit deteksi yang rendah
2. Jangkauan sensing yang besar lebih dari 10 kPa dibutuhkan untuk aplikasi weafrable
monitoring human skin
Parameter yang penting diperhatikan dalam mendesain wearable pressure sensor :
1. Sensitivity
2. Linearity, linearity yang baik dari sensor tekanan akan menyederhanakan data fitting
3. Rspon dan recovery time , untuk mengevaluasi kemampuan sensor untuk mensensing
tekanan dinamik terutama untuk deteksi sinyal frekuensi tinggi
4. Sumber daya listrik yang rendah dapat meningkatkan daya tahan baterai
5. Histerisis, parameter yang penting untuk mengetahui performa sensor saat loading dan
unloading, sehingga efek pada penerapannya dapat diminimalisir
6. Stability, parameter untuk mengevaluasi kemampuan sensor dengan mengetahui
perubahan sinyal selama proses loading dan unloading
4. Material Device :Active material
1.
Semikonduktor dan konduktor seperti Polymer polypyrrole (PPY), PEDOT, Polyaniline (PANI), baik
untuk digunakan pada fleksibel device, fabrikasinya dapat menggunakan teknik solution processing
konvensional, low cost dan fabrikasi skala besar tetapi kelemahannya stabilitas dan performa
elektrikal tidak dapat dibandingkan dengan metal, graphen, CNT, dan inorganik konduktor dan
semikonduktor lainnya
2.
Metal material, banyak digunakan untuk fleksibel device. Material tersebut banyak digunakan untuk
active material ataupun elektroda karena konduktivitasnya yang baik.
3.
CNT banyak digunakan untuk tipe filler dengan anisotropy yang tinggi dan konduktivitas yang baik.
Selain itu, CNT dapat disimpan kedalam substrat yang fleksibel secara langsung melalui solution
processing seperti spin coating, dip coating, spray coating, dan injet printing
4.
Graphene, salah satu alternative aktif material, dan memiliki konduktor elektron yang sangat baik
4. Material Device : Elektroda
Stretchable elektroda yang ideal dapat menjaga konduktivitas yang tinggi saat diberi tekanan yang besar
dan menunjukan tingkat stabilitas yang tinggi
•
Carbon nanomaterial, seperti CNT, Graphene dan Carbon Black mempunyai propertis elektrikal dan
mekanikal yang baik
•
•
Hydrogel mempunyai stretchability yang baik, transparansi dan biocompatibility
Wang et al [2018] memfabrikasi strecthable soft STENG ionic hydrogel (90%
transmittance dan 380 mikrometer) dengan film PDMS
Sun Jeong Yun [2016] melakukan penelitian mengenai straetchable ionic touch
panel yang transparan berbasis elektroda hidrogel. Material tersebut dilaporkan
dapat mentransmit hingga 98% transmitan cahaya tampak
•
•
•
•
Metal elektroda, Pan’s et al, memfabrikasi high stretchable dan transparant pattern
Ag nanofiber yang difabrikasi dengan elektrospinning dan sputtering .
Bao et al, membuat highly stretchable PEDOT based conductor dengan konduktivitas
4100 S/cm saat 100% strain.
Someya et al, membuat printable Ag fluorine rubber based konduktor dengan
konduktivitas 6168 – 935 S/cm saat stretchable 400%
4. Material Device : Substrate material
1.
Substrate yang biasa digunakan termasuk PDMS, block copolymer (BC) elastomer [97], self healing
materials, hydrogels.
2.
PDMS paling banyak digunakan karena stabilitas, transparansi yang tinggi, dan propertis mekanikal yang
fleksibel.
3.
BC elastomer, karakteristik dari material ini adalah kemudahan untuk dileburkan dalam laruta organik,
viscoelasticity dan sifat fluida yang baik. Oleh karenanya banyak digunakan untuk dicampurkan dengan
dengan binding substrat (metal, glass, polimer)
4.
Ge et al, melakukan penelitian dengan sensor tekanan berbasis self patterned
hydrogel yang mempunyai tingkat stretchable transparan yang tinggi, dan
biocompatibel yang baik, selain itu modulus elastik material hydrogel mendekati
dengan jaringan hidup dan dapat diatur antara 1 kPa hingga 100 kPa, material ini
memiliki potensial pengembangan yang besar untuk aplikasi tiruan kulit manusia.
Tantangan dalam pengembangan material ini adalah ketahanan terhadap air dan
fatigue resistance
5. Aplikasi Piezoresistive Sensor (1)
1.
2.
Menggunakan
mikrostruktur elastomer
Sensitivitas diperoleh
1473,5 kPa-1 pada rentang
0 -20 kPa
5. Aplikasi Piezoresistive Sensor (2)
Multimodal tekstil sensor menunjukan
sensitivitas sebesar (12.3 N-1) jangkauan
sensing 0.001 – 5 N
5. Kesimpulan
1. Perkembangan sensor piezoresistive sangat signifikan dari awal dengan penggunaan metal
piezoresistiv sensor, hingga pada aplikasi smart terkstil berbasis konduktif polimer komposit.
2. Penelitian terkait pengembangan struktur dan mekanisme operasi dari sensor piezoresistive
terus dilakukan untuk memperoleh performa yang tinggi, seperti kemampuan mensensing
pada tekanan yang rendah, kecepatan respon tinggi, sensitivitas yang tinggi, dan jangkauan
pengukuran yang lebar
Referensi
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
J. He et al., "Recent advances of wearable and flexible piezoresistivity pressure sensor devices and its future prospects,"
Journal of Materiomics, vol. 6, no. 1, pp. 86-101, 2020/03/01/ 2020, doi: https://doi.org/10.1016/j.jmat.2020.01.009.
A. S. Fiorillo, C. D. Critello, and S. A. Pullano, "Theory, technology and applications of piezoresistive sensors: A review,"
Sensors and Actuators A: Physical, vol. 281, pp. 156-175, 2018/10/01/ 2018, doi: https://doi.org/10.1016/j.sna.2018.07.006.
K. Ke, L. Yue, H. Shao, M.-B. Yang, W. Yang, and I. Manas-Zloczower, "Boosting electrical and piezoresistive properties of
polymer nanocomposites via hybrid carbon fillers: A review," Carbon, vol. 173, pp. 1020-1040, 2021/03/01/ 2021, doi:
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.11.070.
A. C. Katageri and B. G. Sheeparamatti, "Sensitivity Enhancement of Piezoresistive Pressure Sensor using Carbon Nanotube
as a Piezoresistor," in 2019 Second International Conference on Advanced Computational and Communication Paradigms
(ICACCP), 25-28 Feb. 2019 2019, pp. 1-6, doi: 10.1109/ICACCP.2019.8882921.
K. B. Balavalad and B. G. Sheeparamatti, "Design, Simulation & Analysis of Si, SOI & Carbon Nanotube (CNT) based Micro
Piezoresistive Pressure Sensor for a High Tmeperature & Pressure," in 2018 International Conference on Circuits and
Systems in Digital Enterprise Technology (ICCSDET), 21-22 Dec. 2018 2018, pp.
J. He et al., "A Universal high accuracy wearable pulse monitoring system via high sensitivity and large linearity graphene
pressure sensor," Nano Energy, vol. 59, pp. 422-433, 2019/05/01/ 2019, doi: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.02.036.
K. Qi et al., "Weavable and stretchable piezoresistive carbon nanotubes-embedded nanofiber sensing yarns for highly
sensitive and multimodal wearable textile sensor," Carbon, vol. 170, pp. 464-476, 2020/12/01/ 2020, doi:
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.07.042.
T. Liu et al., "Triboelectric-Nanogenerator-Based Soft Energy-Harvesting Skin Enabled by Toughly Bonded
Elastomer/Hydrogel Hybrids," ACS Nano, vol. 12, no. 3, pp. 2818-2826, 2018/03/27 2018, doi: 10.1021/acsnano.8b00108.
G. Ge et al., "Stretchable, Transparent, and Self‐Patterned Hydrogel‐Based Pressure Sensor for Human Motions Detection,"
Advanced Functional Materials, vol. 28, 06/01 2018, doi: 10.1002/adfm.201802576.