ウェアラブル機能服装の研究成果：織物フォーク指に容量式圧力センサ

　　抽象的：本文は織物に印刷されたフォークフィンガコンデンサ（IDC）に基づく電子紡績圧力センサのシステム方法を紹介した。本研究では、多孔質Ecoflex、カーボンナノチューブ（CNT）とフォークフィンガー電極の組み合わせに基づく高感度、広いレンジ圧力センサを提案した。まず、1 ~ 300 kHzの周波数範囲で、精密LCR計器を用いて綿とポリエステル織物上に銀インクを用いてフォークコンデンサを特性化した。センサ感度性能に対する布地の影響を含む。次に、カーボンナノチューブの体積率とガスギャップが複合材料の性能に与える影響の推定と最適化を含む。体積分率カーボンナノチューブの存在は、複合材料の結合強度を高め、センサの変形能力を改善する。400 kPaの高圧下で20000回以上の循環試験を行うことにより、提案したセンサのロバスト性を証明した。第三に、カーボンナノチューブと多孔質誘電体の結合は広範な検出範囲（400 kPa）を実現し、感度範囲は0.035（400 kPa時）から0.15 Pa＿−1 KPa−1（50 kPa時）までである。最後に、綿花とポリエステル基板の比較は、適切な誘電体基板を選択することがセンサ感度と信号出力に影響することを示している。

紹介：現在、ウェアラブルセンサー、特に紡績センサーは、エキサイティングな問題となり、研究者の大きな興味を引き起こしている。これらのセンサの中で、圧力センサの卓越した性能は、次世代のフレキシブルエレクトロニクス製品の中で有望なコンポーネントになる。これらは、医療モニタ、航空工学、ロボット学などの商業目的や科学分野に使用されている（Castano&Flatau、2014年、Huangら、2019年、Seyedinら、2019年).さらに、これらは、個人の日常的な活動を妨げたり制限したりすることなく、連続した動作条件下で生理的信号または外圧を監視するために、皮膚または衣服に貼り付けることができる。フレキシブル圧力センサを開発するための多くの努力が研究されている。圧電、圧電、摩擦電、圧力抵抗効果を用いて圧力を測定する方法は数多くある。その中で、平行板コンデンサに基づく容量式圧力センサは消費電力が低く、応答時間が速く、構造が簡単であるなどの利点があるため広く応用されている。理論的には、平行板コンデンサの電気容量は式（1）によって与えられる：

ここで、材料の誘電率を示し、真空誘電率は、Aは上下極板の有効面積、dは2つの電極間の厚さまたは間隔である。容量センサは、A、dを変えることにより、可変誘電体、可変面積の3種類(Guo et al.、2019、Wan et al.、2017)と可変ピッチ(Mahataら、2020年、Ruthら、2020年εrε0ε0εrεr)に分けることができる.この方法では、厚さまたは誘電体層が外力によって変化し、同時にセンサ容量の変化をもたらす。式（1）中のパラメータAとdに依存するため、面積や厚さを変えると圧力感度に影響を与える（「One-Rupee Ultrasensitive Wearable Flexible Low-Pressure Sensor｜ACS Omega」nd）。そのため、この方法で達成できる感度は通常低い（Zang et al.，2015）。フレキシブルセンサに関するほとんどの方法は、容量式圧力センサの感度と柔軟性を高めることに集中している。これらは誘電体層の変形性に依存する（「傾斜マイクロピラーアレイ強化フレキシブル容量圧力センサ｜ACS Applied Materials&Interfaces」nd、Ruth&Bao、2020、王など、2020 ;Xiongらは、2020年）または有効面積と厚さを増加させる（「1ルピー超高感度ウェアラブルフレキシブル低圧センサ｜ACS Omega」nd）。しかしながら、これらの方法は、回復時間が遅く、コストが高く、微細構造の製造が複雑である。また、誘電体層中の高密度多孔性はノイズを発生させ、センサの安定性と耐久性に影響を与える可能性がある。

この作業では、フォーク指容量を計算する紡績圧力センサに基づく設計と実現を提案した。感度を高めるために誘電体層の修正だけに注目した。この方法は1つの電極しか使用しないので、センサは誘電体層距離の影響を受けず、多孔質ポリマー層の圧縮下の相対誘電率を変化させることで可変容量を検出する。この電極は、複数の互いに交差する指を有する櫛と同様に、綿織物に印刷された銀ペーストを用いて作製された。本文中の感度向上の努力は2つの主要な研究に分けられる：弾性層の誘電変化と誘電層内の微粒子の発生。最後に、

本文の残りの部分は以下のいくつかの部分に分けられる。まず、この実験は相対誘電率を変化させることに基づく新しい圧力技術を導入した。次に、「製造」は提案した容量式圧力センサの製造過程を説明した。次に、ポリエステルと綿基材の特性を比較し、感度、コスト、耐久性の影響を含む「測定結果と検討」を行います。最後に、最終節で結論を出した。

実験的導電軌道及びトランスデューサ原理

フォークフィンガーコンデンサには、マルチフィンガー周期構造と呼ばれる集積回路素子が用いられる。平行板キャパシタと異なり、フォークキャパシタは測定材料（MUT）の変化を検出するために片側だけを必要とする。この設計には、並列コンデンサよりも高い品質係数があります（Aparicio&Hajimiri，2002）。フォークフィンガセンサの動作原理は2つの平行板キャパシタと同じである。この構造では、指の狭い隙間の間に容量が現れる。ギャップが減少すると、容量はそれに応じて増加する。センサの形状は、図1に示すパラメータにより説明される。

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結論：

フォークフィンガキャパシタ（IDC）を用いてフレキシブル基板の電子紡績圧力センサを製造するための新しい方法を提案した。提案したセンサは高感度、広範囲（400 kPa）を実現でき、感度範囲は0.035（400 kPa時）から0.15 Pa＿＿−1 KPa−1（50 kPa時）までである。誘電体層は、EcoflexとCNTの高弾性特性が結合しているため、優れた耐久性を実現することができる。また、提案したセンサは高速応答と回復時間を持ち、検出範囲は400 kPaを超えている。また、誘電体基板のセンサ感度性能への影響は、信号出力の不感度と検出において重要な役割を果たしている。したがって、実用的には適切な媒体基板を選択することを考慮すべきである。

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タングステン青銅ナノロッドの蓄熱性と耐洗浄性.pdf