טיוטה:נגד חישת כוח

נגד חישת כוח (באנגלית: Force-sensing resistor או Force-sensitive resistor, לרוב מכונה בקיצור FSR) הוא חומר או מכשיר שהתנגדותו משתנה כאשר מופעל כנגדו כוח או לחץ מכני. קובץ:LedDemonstration.webm

רקע

טכנולוגיית נגדי חישת כוח הומצאה ונרשמה כפטנט בשנת 1977 על ידי פרנקלין איבנטוף. בשנת 1985 ייסד איבנטוף את Interlink Electronics (אנ'), חברה המבוססת על נגד בעל יכולת חישת כוח. בשנת 1987, איבנטוף קיבל את הפרס הבינלאומי היוקרתי IR 100 על פיתוח נגד חישת הכוח. בשנת 2001 ייסד איבנטוף חברה חדשה, Sensitronics, אותה הוא מנהל כיום.

מאפיינים

נגדי חישת כוח מורכבים מפולימר מוליך, אשר משנה את התנגדותו החשמלית באופן ידוע מראש, בעקבות הפעלת כוח על פני השטח שלו.[5] הם מסופקים בדרך כלל כיריעת פולימר או דיו שניתן להוסיף על גבי משטח באמצעות הדפסה. משטח החישה מורכב מחלקיקים מוליכים חשמליים וחלקים בלתי מוליכים אשר מופרדים זה מזה. החלקיקים הם בגדלים של תת-מיקרומטר שתוכננו כך כדי להפחית את התלות בטמפרטורה, לשפר תכונות מכניות ולהגדיל את עמידות פני השטח. הפעלת כוח על פני משטח החישה גורמת לחלקיקים לגעת באלקטרודות המוליכות, ובאופן זה משנה את ההתנגדות של המשטח. כמו כל חיישן מבוסס התנגדות חשמלית, נגדי חישת כוח דורשים ממשק פשוט יחסית ויכולים לפעול בצורה משביעת רצון בתנאי סביבה בינוניים. בהשוואה לחיישני כוח אחרים, היתרונות של נגדי חישת כוח הם ממדיהם (עוביים בדרך כלל פחות מ-0.5 מ"מ), עלותם הנמוכה ועמידותם הטובה בפני זעזועים. חסרונם הוא הדיוק הנמוך שלהם, כאשר תוצאות המדידה עשויות להיות שונות ב-10% ויותר. קבלים עם חישת כוח (אנ') מציעים רגישות מעולה ויציבות לטווח ארוך, אך דורשים אלקטרוניקה מורכבת יותר.

עקרון הפעולה של נגד חישת כוח

ישנם שני עקרונות פעולה עיקריים נגדי חישת כוח: חלחול ומנהור קוונטי. למרות ששתי התופעות מתרחשות במקביל בפולימר המוליך, תופעה אחת שולטת על השנייה בהתאם לריכוז החלקיקים. ריכוז החלקיקים מכונה בספרות גם שבר נפח המילוי, ומסומן באות $\varphi$ (פי). לאחרונה פותחו הסברים מכניסטיים חדשים כדי להסביר את הביצועים של נגדי חישת כוח, אשר מבוססים על תכונת ההתנגדות למגע $R_c$ המתרחש בין אלקטרודות החיישן והפולימר המוליך. הכוח גורם למעבר ממגעי שרווין (אנ') למגעי הולם קונבנציונליים (אנ'). ההתנגדות למגע $R_c$ ממלאת תפקיד חשוב בהולכה הנוכחית של נגדי חישת כוח בצורה כפולה. ראשית, עבור לחץ נתון $\sigma$, או כוח $\mathrm{F}$, מתרחש עיוות פלסטי בין אלקטרודות החיישן וחלקיקי הפולימר, אשר מפחית את התנגדות המגע. שנית, משטח הפולימר, שאינו אחיד, משוטח כאשר הוא נתון לכוחות מצטברים ולכן נוצרים יותר נתיבי מגע. שינוי זה גורם לעלייה בשטח האפקטיבי להולכה הנוכחית $\mathrm{A}$. בקנה מידה מקרוסקופי, משטח הפולימר חלק. עם זאת, תחת מיקרוסקופ אלקטרונים סורק, הפולימר המוליך אינו סדיר עקב צבירה של הקושר הפולימרי.

נכון להיום, אף מודל מקיף אינו מסוגל לחזות את כל התופעות הלא-ליניאריות אשר נצפות בנגדים לחישת כוח. התופעות המרובות המתרחשות בפולימר המוליך מתבררות כמורכבות מכדי להקיף את כולן בו זמנית. מצב זה אופייני למערכות אשר כלולות בפיזיקה של החומר המעובה. עם זאת, ברוב המקרים, ניתן להעריך באופן גס את ההתנהגות הניסויית של נגדי חישת כוח לתיאוריית החלחול או למשוואות השולטות במנהור קוונטי, דרך מחסום פוטנציאלי מלבני (אנ').

חלחול בנגדי חישת כוח

תופעת החלחול שולטת בפולימר המוליך כאשר ריכוז החלקיקים מעל סף החלחול (אנ') ${\varphi }_c$. נגד חישת כוח הפועל על בסיס חלחול מציג מקדם לחץ חיובי, ולכן, עלייה בלחץ המופעל גורם לעלייה בהתנגדות החשמלית $\mathrm{R}$, עבור לחץ מסוים שמופעל $\sigma$, ההתנגדות החשמלית $\rho$ של הפולימר המוליך ניתנת לחישב באמצעות הנוסחה:

$\rho ={\rho }_0(\varphi -{\varphi }_0{)}^{-x}$

כאשר ${\rho }_0$ מייצג את קדם-הפקטור בהתאם למאפייני ההולכה של הפולימר המוליך ו- $x$ הוא מעריך המוליכות הקריטי. במצב של חלחול, החלקיקים מופרדים זה מזה כאשר מופעל לחץ מכני, אשר גורם לעלייה בהתנגדות של נגד חישת הכוח.

מנהור קוואנטי בנגדי חישת כוח

מנהור קוואנטי הוא מצב הפעולה הנפוץ ביותר של נגדי חישת כוח. פולימר מוליך הפועל על בסיס מנהור קוונטי מציג ירידה בהתנגדות לערכים מצטברים של לחץ $\sigma$. חיישנים מבוססי נגדי חישת כוח מסחריים, כגון חיישני חברת FlexiForce, חברת Interlink וחברת Peratech פועלים על בסיס מנהור קוונטי. חיישני Peratech מכונים בספרות גם כקומפוזיט למנהור קוונטי (אנ').

ראו גם

• חיישן כח