Квантовый туннельный композит
Квантовые туннельные композиты ( КТК ) — композиционные материалы из металлов и непроводящего эластомерного связующего , используемые в качестве датчиков давления . Они используют квантовое туннелирование : без давления проводящие элементы находятся слишком далеко друг от друга, чтобы проводить электричество ; при приложении давления они приближаются, и электроны могут туннелировать через изолятор . Эффект гораздо более выражен, чем можно было бы ожидать от одних лишь классических (неквантовых ) эффектов, поскольку классическое электрическое сопротивление линейно . (пропорционально расстоянию), а квантовое туннелирование является экспоненциальным с уменьшением расстояния, позволяя сопротивлению изменяться в раз до 10 12 между состояниями под давлением и состояниями без давления. [ 1 ]
Квантовые туннельные композиты имеют в специализированной литературе несколько обозначений, например: проводящий/полупроводящий полимерный композит, [ 2 ] пьезорезистивный датчик [ 3 ] и чувствительный к силе резистор (FSR). [ 4 ] Однако в некоторых случаях резисторы, чувствительные к силе, могут работать преимущественно в перколяции режиме ; это означает, что сопротивление композита растет с увеличением приложенного напряжения или силы.
Введение
[ редактировать ]QTC были обнаружены в 1996 году техником Дэвидом Лусси, когда он искал способ разработки электропроводящего клея . [ 5 ] Люсси основал Peratech Ltd, компанию, занимающуюся исследовательской работой и использованием QTC. Peratech Ltd. и другие компании работают над разработкой квантово-туннельного композита для улучшения сенсорной технологии. В настоящее время использование QTC ограничено из-за его высокой стоимости, но ожидается, что со временем эта технология станет доступной для обычного пользователя. Квантовые туннельные композиты представляют собой комбинации полимерных композитов с упругими, резиноподобными свойствами эластомера и металлических частиц (никеля). Из-за отсутствия воздушного зазора в датчике загрязнение или помехи между точками контакта невозможны. Также практически отсутствует вероятность образования электрической искры между точками контакта. В неактивном состоянии QTC проводящие элементы находятся слишком далеко друг от друга, чтобы передавать заряды электронов. Таким образом, ток не течет, когда на квантово-туннельный композит нет давления. Отличительной чертой QTC является его колючая поверхность, покрытая кремнием. Шипы на самом деле не соприкасаются, но когда к QTC прилагается сила, шипы сближаются друг с другом, и возникает [квантовый] эффект в виде высокого концентрация электронов перетекает от одного кончика шипа к другому. Электрический ток прекращается, когда сила снимается. [ 6 ]
Типы
[ редактировать ]QTC бывают разных форм, и каждая форма используется по-разному, но имеет одинаковое изменение сопротивления при деформации. Таблетки QTC являются наиболее часто используемым типом QTC. Таблетки представляют собой чувствительные к давлению переменные резисторы. Количество проходящего электрического тока экспоненциально пропорционально величине приложенного давления. Таблетки QTC можно использовать в качестве входных датчиков, реагирующих на приложенную силу. Эти таблетки также можно использовать в устройствах для контроля более высоких токов, чем листы QTC. Листы QTC состоят из трех слоев: тонкого слоя материала QTC, проводящего материала и пластикового изолятора. Листы QTC позволяют быстро переключаться с высокого сопротивления на низкое и наоборот. [ 7 ]
Приложения
[ редактировать ]В феврале 2008 года недавно созданная компания QIO Systems Inc получила в результате сделки с Peratech эксклюзивную всемирную лицензию на интеллектуальную собственность и права на дизайн электронных и текстильных сенсорных панелей на основе технологии QTC. [ 8 ] а также для производства и продажи текстильных сенсорных панелей ElekTex (на базе QTC) для использования как в потребительских, так и в коммерческих целях. [ 9 ]
QTC использовались для обеспечения чувствительности кончиков пальцев в в Робонавте НАСА 2012 году . Робонавт смог выжить и отправить подробную информацию из космоса. Датчики человекоподобного робота могли определить, насколько сильно и где он что-то сжимал. [ 10 ]
Квантовые туннельные композиты относительно новы и все еще исследуются и разрабатываются. QTC был внедрен в одежду, чтобы создать «умные», сенсорные мембранные панели управления для управления электронными устройствами внутри одежды, например, mp3-плеерами или мобильными телефонами. Это позволяет эксплуатировать оборудование, не снимая слоев одежды и не открывая крепления, а также делает стандартное оборудование пригодным для использования в экстремальных погодных или экологических условиях, таких как исследование Арктики/Антарктики или скафандры.
Возможны следующие варианты использования QTC:
- Спортивные материалы, такие как тренировочные манекены или куртки для фехтования, могут быть покрыты материалом QTC. Датчики на материале могут передавать информацию о силе удара.
- Управление зеркалом и окном, такое как жест, прикосновение или пролистывание, можно использовать в автомобильных приложениях. В зависимости от силы давления, оказываемого жестом, детали автомобиля адаптируются к желаемым настройкам либо на высокой, либо на медленной скорости. Чем сильнее давление, тем быстрее будет операция. [ 11 ]
- Манжеты для измерения артериального давления: QTC в манжетах для измерения артериального давления уменьшают неточные показания из-за неправильного крепления манжеты. Датчики сообщают, какое напряжение необходимо, чтобы измерить кровяное давление человека.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Д. Блур; А. Грэм; Э. Дж. Уильямс; П. Дж. Лафлин и Д. Люсси (2006). «Металл-полимерный композит с наноструктурированными частицами наполнителя и усиленными физическими свойствами» (PDF) . Письма по прикладной физике . 88 (10): 102103. Бибкод : 2006ApPhL..88j2103B . дои : 10.1063/1.2183359 .
- ^ Дуань, Линьян; Фу, Сируи; Дэн, Хуа; Чжан, Цинь; Ван, Кэ; Чен, Фэн; Фу, Цян (15 августа 2014 г.). «Сопротивление-деформационное поведение проводящих полимерных композитов: стабильность и чувствительность» . Дж. Матер. хим. А. 2 (40): 17085–17098. дои : 10.1039/C4TA03645J . ISSN 2050-7488 .
- ^ Ван, Лухэн (20 марта 2015 г.). «Пьезорезистивный датчик на основе проводящего полимерного композита с поперечными электродами». Транзакции IEEE на электронных устройствах . 62 (4): 1299–1305. Бибкод : 2015ITED...62.1299W . дои : 10.1109/TED.2015.2403474 . ISSN 0018-9383 . S2CID 30516143 .
- ^ Паредес-Мадрид, Л; Паласио, К; Матуте, А; Парра, К. (14 сентября 2017 г.). «Основы физики проводящих полимерных композитов и резисторов, чувствительных к силе (FSR) в условиях статической нагрузки» . Датчики . 17 (9): 2108. Бибкод : 2017Senso..17.2108P . дои : 10.3390/s17092108 . ПМК 5621037 . ПМИД 28906467 .
- ^ Ператех (11 февраля 2016 г.). «Что такое QTC?» . www.peratech.com . Проверено 4 апреля 2019 г.
- ^ Люсси, Дэвид (январь 2012 г.). «Технология квантового туннелирования композитных сенсорных экранов» . Проверено 30 октября 2014 г.
- ^ Рамеш, К. Сатья. «Квантовый туннельный композит». Какинадаский институт инженерии и технологий.
- ^ «Подключенная рабочая платформа в режиме реального времени для повышения промышленной безопасности» . www.eleksen.com . Проверено 4 апреля 2019 г.
- ^ «Элексен получает новый дом от QIO Systems — Джон Коллинз, Василис Сеферидис, Системы, Элексен, Элексен, eSystem, ElekTex, Коллинз, Василис, Интерактив — talk2myShirt» . Архивировано из оригинала 2 июля 2010 года . Проверено 27 мая 2009 г.
- ^ «Peratech награждена наградой НАСА за сенсорную технологию QTC» . 15 октября 2012. Архивировано из оригинала 29 ноября 2014 года . Проверено 10 ноября 2014 г.
- ^ Харбанда, Раджат (1 декабря 2012 г.). «Квантовые туннельные композиты (QTC): сенсорный материал следующего поколения» . КМР . Проверено 5 ноября 2014 г.