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.