Sensor de deformación flexible de alta sensibilidad basado en película piezoeléctrica de polivinilideno fluoruro

Resumen

Demostramos un array de sensores flexible 4 × 4 que comprende 16 unidades microcapacitivas fabricadas a partir de una película piezoeléctrica de polivinilideno fluoruro (PVDF) de 50 µm de espesor. La imagen óptica y la microscopía de fuerza de respuesta piezoeléctrica (PFM) confirman una interfaz PVDF/electrodo nítida y dominios piezoeléctricos robustos. El array ofrece una relación señal-ruido ultraalta, con un voltaje de salida linealmente proporcional a la presión aplicada a 12 mV kPa⁻¹. La respuesta transitoria se recupera en menos de 2,5 µs, lo que subraya su rápido rendimiento electromecánico. Simulaciones teóricas muestran que la diafonía de señal entre celdas adyacentes es despreciable por debajo de 178 kPa, confirmando la escalabilidad del diseño.

Introducción

El polivinilideno fluoruro (PVDF) es un polímero piezoeléctrico químicamente estable reconocido por sus propiedades piroeléctricas, piezoeléctricas y ferroeléctricas. Su impresionante robustez mecánica —módulo de Young de 2500 MPa y resistencia a la tracción cercana a 50 MPa— hace que los sensores de presión basados en PVDF sean altamente flexibles y resistentes a la fatiga. Comparado con sensores ferroeléctricos convencionales de PZT, el PVDF ofrece una alternativa no tóxica y biocompatible y una suavidad superior, permitiéndole adaptarse a geometrías complejas esenciales para aplicaciones avanzadas de detección de deformación. Trabajos recientes han demostrado sensores de PVDF integrados en catéteres inteligentes para monitorización de presión en tiempo real, monitorización de onda de pulso en la mano del conductor para aplicaciones de seguridad, y piel artificial que detecta tanto presión como temperatura. Sin embargo, la mayoría de los dispositivos reportados proporcionan detección de un solo punto con resolución espacial limitada.

En escenarios reales —como biosensores portátiles que mapean la presión sobre el cuerpo humano— existe una clara demanda de arrays de detección multipunto, altamente flexibles y ultrasensibles. Aquí presentamos un array de sensores flexible 4 × 4 basado en película de PVDF, logrando una sensibilidad de 12 mV kPa⁻¹ y un tiempo de respuesta de 2,5 µs. También mapeamos la distribución de presión de un dedo humano durante movimientos comunes, mostrando el potencial práctico del array.

Diseño y experimental

Diseño y fabricación del array de sensores

El sensor adopta una arquitectura de sándwich: una película de PVDF de 50 µm (Jinzhou Kexin Inc., China) se recubre en ambos lados con capas de electrodo de aluminio de 20 µm. La Figura 1a ilustra el diseño, donde 16 unidades microcapacitivas se disponen en una cuadrícula 4 × 4, cada grupo de cuatro unidades comparte un cable de salida común para minimizar la complejidad del enrutamiento.

La fabricación se realiza sobre una lámina de vidrio recubierta con PDMS para proporcionar un soporte rígido. La película de PVDF, ya metalizada, se posiciona sobre el sustrato, luego se recubre por centrifugado con una capa de fotorresistente a 3000 rpm durante 40 s. La fotolitografía seguida de grabado húmedo de aluminio mediante un alineador de máscara (ABM, Inc., EE. UU.) produce el patrón de 16 unidades. El array terminado se libera de la lámina, y cada capacitor se conecta a pistas conductoras usando pegamento de plata. Para asegurar biocompatibilidad, todo el conjunto se encapsula en PDMS y se cura a 60 °C durante 12 h. La Figura 1b muestra el sensor terminado, flexible, doblado alrededor de un cilindro.

Propiedad piezoeléctrica del array de sensores basado en película de PVDF

Se realizaron mediciones PFM (Seiko, Inc., Japón) en la superficie de PVDF bajo un sesgo AC de 2 V sobre un área de 2 × 2 µm². El contraste de fase resultante confirma dominios piezoeléctricos bien definidos e una interfaz clara con los electrodos subyacentes.

Calibración del array de sensores

La calibración implicó aplicar presiones controladas al array usando una plataforma electromecánica vinculada a un DAQ-USB6008 de National Instruments. Se registró el voltaje de salida del sensor mientras se variaba la presión, permitiendo la construcción de una curva de calibración voltaje-presión.

Resultados y discusión

La Figura 2a muestra la morfología de superficie post-grabado bajo microscopio óptico, revelando un contraste distinto que indica una interfaz PVDF/aluminio limpia. Las Figuras 2b y 2c muestran la superficie de PVDF y su imagen de fase PFM, respectivamente; la morfología suave y la fuerte señal de fase atestiguan un comportamiento piezoeléctrico robusto.

Bajo una presión constante de 98,1 kPa aplicada a un solo electrodo, el sensor produce una salida de 123,1 mV con ruido despreciable, como se muestra en la Figura 3a. Cuando se aplica presión idéntica simultáneamente a cuatro electrodos, cada uno genera ~190 mV, demostrando una excelente sincronización en todo el array (Figura 3b). Una calibración lineal voltaje-presión de 60–150 kPa produce una pendiente de 12 mV kPa⁻¹ con un offset de –159,2 mV (Figura 3c).

Las pruebas de respuesta transitoria implicaron aplicar presiones de impulso (≈75,1 kPa) a 90 Hz. El voltaje del sensor sube y baja en 2 ms, indicando una rápida respuesta electromecánica (Figura 4a). En el rango de 60–150 kPa, el tiempo de respuesta permanece consistentemente por debajo de 2 ms, y las amplitudes de salida se alinean con la calibración lineal.

La diafonía de señal entre electrodos adyacentes se examinó mediante simulaciones COMSOL Multiphysics. Cada electrodo abarca 1,4 mm². La Figura 5b muestra la distribución de deformación cuando se aplica presión al electrodo A, observándose deformación aumentada en sitios vecinos. El voltaje de interferencia simulado varía linealmente con la presión aplicada, con una pendiente de 0,028 mV kPa⁻¹ y una intersección de 5 × 10⁻⁴ mV (Figura 5c). La interferencia cae por debajo de 5 mV para presiones inferiores a 178 kPa, volviéndola prácticamente insignificante. Reducir el área del electrodo mitiga aún más la interferencia, como confirman simulaciones con electrodos de 1,2, 1,0 y 0,8 mm² (Figura 5d).

Para demostrar la utilidad práctica, mapeamos la distribución de presión en un dedo pulgar durante tres movimientos comunes: shiatsu, amasado y frotamiento. La Figura 6 muestra que durante el shiatsu, aparece un punto concentrado de 76 kPa en el centro del dedo, mientras que el amasado produce mayor presión en la superficie frontal, y el frotamiento genera una distribución más uniforme de ~68 kPa. Estos hallazgos se alinean con observaciones clínicas previas y confirman la capacidad del sensor para capturar presiones matizadas de movimientos de dedos.

En resumen, el array de sensores 4 × 4 fabricado basado en PVDF ofrece detección de deformación flexible y de alta sensibilidad con tiempos de respuesta rápidos. Su capacidad demostrada de mapeo de presión en dedos humanos indica un fuerte potencial para aplicaciones de biosensores portátiles y háptica robótica.

Abreviaturas

PFM:

Microscopía de fuerza de respuesta piezoeléctrica

PVDF:

Polivinilideno fluoruro