Sensor de Deformação Flexível de Alta Sensibilidade Usando Filme Piezoelétrico de Poli(fluoreto de vinilideno)

Resumo

Demonstramos um array de sensores flexíveis 4×4 compreendendo 16 unidades microcapacitivas fabricadas a partir de um filme piezoelétrico de poli(fluoreto de vinilideno) (PVDF) com 50 µm de espessura. Imagem óptica e microscopia de força de resposta piezoelétrica (PFM) confirmam uma interface PVDF/eletrodo nítida e domínios piezoelétricos robustos. O array proporciona uma razão sinal-ruído ultra-alta, com tensão de saída linearmente proporcional à pressão aplicada a 12 mV/kPa. A resposta transiente recupera em menos de 2,5 µs, ressaltando seu rápido desempenho eletromecânico. Simulações teóricas mostram que a diafonia de sinal entre células adjacentes é desprezível abaixo de 178 kPa, confirmando a escalabilidade do design.

Introdução

O poli(fluoreto de vinilideno) (PVDF) é um polímero piezoelétrico quimicamente estável conhecido por suas propriedades piroelétricas, piezoelétricas e ferroelétricas. Sua impressionante robustez mecânica — módulo de Young de 2.500 MPa e resistência à tração próxima a 50 MPa — torna sensores de pressão baseados em PVDF altamente flexíveis e resistentes à fadiga. Comparado com sensores ferroelétricos convencionais de PZT, o PVDF oferece uma alternativa não tóxica e biocompatível e maciez superior, permitindo conformação a geometrias complexas essenciais para aplicações avançadas de sensoriamento de deformação. Trabalhos recentes demonstraram sensores de PVDF integrados em cateteres inteligentes para monitoramento de pressão em tempo real, monitoramento de onda de pulso da mão do motorista para aplicações de segurança, e pele artificial que detecta tanto pressão quanto temperatura. No entanto, a maioria dos dispositivos relatados fornece sensoriamento de ponto único com resolução espacial limitada.

Em cenários do mundo real — como biossensores vestíveis que mapeiam pressão pelo corpo humano — há uma clara demanda por arrays de sensoriamento multiponto, altamente flexíveis e ultra-sensíveis. Aqui apresentamos um array de sensores flexíveis 4×4 baseado em filme de PVDF, alcançando sensibilidade de 12 mV/kPa e tempo de resposta de 2,5 µs. Também mapeamos a distribuição de pressão de um dedo humano durante movimentos comuns, demonstrando o potencial prático do array.

Design e Experimental

Design e Fabricação do Array de Sensores

O sensor adota uma arquitetura sanduíche: um filme de PVDF de 50 µm é revestido em ambos os lados com camadas de eletrodo de alumínio de 20 µm. A Figura 1a ilustra o design, onde 16 unidades microcapacitoras são dispostas em uma grade 4×4, cada grupo de quatro unidades compartilhando um fio de saída comum para minimizar a complexidade de roteamento.

A fabricação procede em uma lâmina de vidro revestida com PDMS para fornecer um suporte rígido. O filme de PVDF, já metalizado, é posicionado no substrato, então revestido por centrifugação com uma camada de fotorresist a 3000 rpm por 40 s. Fotolitografia seguida de ataque úmido de alumínio via alinhador de máscara produz o padrão de 16 unidades. O array finalizado é liberado da lâmina, e cada capacitor é conectado a trilhas condutivas usando cola de prata. Para garantir biocompatibilidade, toda a montagem é encapsulada em PDMS e curada a 60 °C por 12 h. A Figura 1b mostra o sensor finalizado, flexível, dobrado ao redor de um cilindro.

Propriedade Piezoelétrica do Array de Sensores Baseado no Filme de PVDF

Medidas de PFM foram realizadas na superfície do PVDF sob bias AC de 2 V sobre área de 2×2 µm². O contraste de fase resultante confirma domínios piezoelétricos bem definidos e uma interface clara com os eletrodos subjacentes.

Calibração do Array de Sensores

A calibração envolveu aplicação de pressões controladas ao array usando uma plataforma eletromecânica ligada a um DAQ-USB6008 da National Instruments. A tensão de saída do sensor foi registrada enquanto a pressão variava, permitindo a construção de uma curva de calibração tensão-pressão.

Resultados e Discussão

A Figura 2a mostra a morfologia de superfície pós-ataque sob microscópio óptico, revelando contraste distinto que indica interface PVDF/alumínio limpa. As Figuras 2b e 2c mostram a superfície do PVDF e sua imagem de fase PFM, respectivamente; a morfologia suave e forte sinal de fase atestam comportamento piezoelétrico robusto.

Sob pressão constante de 98,1 kPa aplicada a um único eletrodo, o sensor produz saída de 123,1 mV com ruído desprezível, como mostrado na Figura 3a. Quando pressão idêntica é aplicada simultaneamente a quatro eletrodos, cada um produz ~190 mV, demonstrando excelente sincronização no array (Figura 3b). Uma calibração linear tensão-pressão de 60-150 kPa resulta em inclinação de 12 mV/kPa com offset de -159,2 mV (Figura 3c).

Testes de resposta transiente envolveram aplicação de pressões de impulso (~75,1 kPa) a 90 Hz. A tensão do sensor sobe e desce dentro de 2 ms, indicando resposta eletromecânica rápida (Figura 4a). Na faixa de 60-150 kPa, o tempo de resposta permanece consistentemente abaixo de 2 ms, e as amplitudes de saída alinham-se com a calibração linear.

Diafonia de sinal entre eletrodos adjacentes foi examinada através de simulações COMSOL Multiphysics. Cada eletrodo abrange 1,4 mm². A Figura 5b mostra a distribuição de deformação quando pressão é aplicada ao eletrodo A, com deformação aumentada observada em sítios vizinhos. A tensão de interferência simulada varia linearmente com a pressão aplicada, com inclinação de 0,028 mV/kPa e intercepto de 5×10⁻⁴ mV (Figura 5c). Interferência cai abaixo de 5 mV para pressões abaixo de 178 kPa, tornando-a praticamente insignificante. Reduzir a área do eletrodo mitiga ainda mais a interferência, conforme confirmado por simulações com eletrodos de 1,2, 1,0 e 0,8 mm² (Figura 5d).

Para demonstrar utilidade prática, mapeamos a distribuição de pressão no polegar durante três movimentos comuns: shiatsu, amassamento e fricção. A Figura 6 mostra que durante shiatsu, um ponto concentrado de 76 kPa aparece no centro do dedo, enquanto amassamento resulta em maior pressão na superfície frontal, e fricção produz distribuição mais uniforme de ~68 kPa. Esses achados alinham-se com observações clínicas prévias e confirmam a capacidade do sensor de capturar pressões nuancadas de movimentos do dedo.

Em resumo, o array de sensores 4×4 baseado em PVDF fabricado oferece detecção de deformação flexível, de alta sensibilidade, com tempos de resposta rápidos. Sua capacidade demonstrada de mapeamento de pressão em dedos humanos indica forte potencial para biossensoriamento vestível e aplicações hápticas robóticas.

Abreviações

PFM:

Microscopia de força de resposta piezoelétrica

PVDF:

Poli(fluoreto de vinilideno)