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CNT-PDMS 압저항 물질을 이용한 MEMS 기술의 인공 헤어 센서 개발

MEMS-based artificial hair sensor using CNT-PDMS piezoresistor material

초록/요약

본 논문에서는 구조 전체가 폴리머로 이루어진 인공 헤어 센서를 제안한다. 인공 헤어 센서 어레이는 CNT-PDMS를 섞인 압저항 물질을 이용하여 헤어 구조체의 구부러짐에 따라 2-axis의 정보를 얻을 수 있다. 긴 폴리머 헤어 구조체는 유연한 기판 기판 위에 구성되어있으며 각각의 헤어 구조체에는 3차원으로 구성된 압저항 센서를 가지고 있다. 이 압저항 센서는 CNT-PDMS를 섞은 물질로 구성되었으며 그 전도성과 게이지 상수는 PDMS에 혼합되어있는 CNT의 비중에 영향을 받는다. CNT의 함유량이 높아짐에 따라 압저항 센서의 전도성과 게이지 상수는 증가한다. 본 논문에서는 13wt%의 CNT-PDMS 압저항 물질을 센서로 사용하였다. 헤어 구조체의 지름은 700μm이며, 높이는 4mm이다. 헤어 구조체 안의 센싱 레이어의 높이는 240μm로 설계하였다. 측정한 결과 On-axis의 경우에는 매우 선형적인 저항변화를 나타냈다(감도: 101 Ω/μm). 하지만 Off-axis임에도 불구하고 저항의 변화를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. On-axis의 sensitivity가 Off-axis의 sensitivity(감도: 30 Ω/μm )보다 매우 크기 때문에 힘의 방향에 대한 정보를 얻을 수 있으며 이로서 센서가 힘의 방향과 세기를 감지할 수 있다는 것을 검증하였다.

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초록/요약

This paper presents design, fabrication process, and the experimental results of an artificial hair sensor made of polymer materials. The all polymer artificial hair cell array can obtain 2-axis deflection of hair structure using carbon nano-tube (CNT )-impregnated polydimethylsiloxane (PDMS ) piezoresistive material. Long polymer hair structures were formed on flexible substrate and flexible three dimensional piezoresistive sensors were embedded in each hair cell to detect applied force. The flexible piezoresistorere implemented using CNT-PDMS composite prepared by mixing multi-wall carbon nanotubes with PDMS. The conductivity and gauge factor was highly depending on the concentration of CNTs. We could obtain a CNT-PDMS composite with high conductivity and high gauge factor by increasing the CNT concentration in PDMS. In this paper, we have used 13% CNT-PDMS composite for sensor element. The hair sensor was 4mm tall and 700 μm in diameter. The height of CNT-PDMS sensing structure was 240 μm. On-axis, the device shows very linear and sensitive response with sensitivity of 101 Ω/μm. This on-axis sensitivity is higher than the off-axis sensitivity with sensitivity of 30 Ω/μm.

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