Luận án Nghiên cứu, chế tạo cảm biến áp lực hữu cơ màng mỏng pu định hướng ứng dụng cho iot

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
KHỔNG ĐỨC CHIẾN
NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO
CẢM BIẾN ÁP LỰC HỮU CƠ MÀNG MỎNG PU
ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG CHO IoT
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI - NĂM 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
KHỔNG ĐỨC CHIẾN
NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO
CẢM BIẾN ÁP LỰC HỮU CƠ MÀNG MỎNG PU
ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG CHO IoT
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Mã số: 9 52 02 03
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS ĐÀO THANH TOẢN
PGS. TS HOÀNG VĂN PHÚC
HÀ NỘI - NĂM 2021
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận án và các kết quả trình bày trong luận án là công
trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của các cán bộ hướng dẫn. Các
số liệu, kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được
công bố trong bất kỳ công trình nào trước đây. Các kết quả sử dụng tham
khảo đều đã được trích dẫn đầy đủ và theo đúng quy định.
Hà Nội, ngày 19 tháng 5 năm 2021
Tác giả
Khổng Đức Chiến
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới tập thể hướng dẫn khoa học cho luận
án này là PGS. TS Đào Thanh Toản và PGS. TS Hoàng Văn Phúc. Những
định hướng nghiên cứu và sự hỗ trợ đắc lực của các thầy là điều kiện quan
trọng để tôi hoàn thành luận án này.
Xin gửi cảm ơn chân thành các thầy cô giáo trong Bộ môn Kỹ thuật Vi xử
lý, Học viện KTQS vì những đóng góp chuyên môn, hỗ trợ và giúp đỡ nghiên
cứu sinh trong quá trình nghiên cứu.
Bên cạnh đó, tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Bộ môn Kỹ
thuật Điện tử, Đại học GTVT đã vì đã tạo điều kiện cơ sở vật chất, phòng
thí nghiệm trong quá trình nghiên cứu của nghiên cứu sinh.
Tôi xin gửi lòng biết ơn tới GS. Heisuke Sakai, Viện Khoa học và Công
nghệ tiên tiến Nhật Bản (JAIST) và Đại học Kokushikan-Nhật Bản; Quỹ
Phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) thông qua đề tài
mã số 103.02-2017.34 vì những trao đổi chuyên môn, hỗ trợ thí nghiệm và tài
trợ một phần kinh phí cho quá trình nghiên cứu của tôi.
Tôi dành những tình cảm và sự trân trọng để gửi tới chỉ huy và các đồng
nghiệp tại Trung tâm Giám định Chất lượng, Cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất
lượng vì đã tạo điều kiện tốt nhất về trang thiết bị đo lường thử nghiệm cũng
như điều kiện làm việc trong quá trình nghiên cứu.
Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới các thành viên thân yêu trong gia đình
đã chia sẻ khó khăn, tiếp thêm động lực giúp tôi hoàn thành luận án này.
Trân trọng!
MỤC LỤC
MỤC LỤC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv
DANH MỤC HÌNH VẼ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi
DANH MỤC BẢNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
THUẬT NGỮ VÀ ĐỊNH NGHĨA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xii
GIỚI THIỆU LUẬN ÁN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Chương 1. TỔNG QUAN CHUNG VỀ CẢM BIẾN ÁP LỰC HỮU
CƠ ỨNG DỤNG TRONG IoT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1. Giới thiệu nút IoT và ứng dụng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.1. Khái niệm về IoT và nút IoT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.2. Ứng dụng của nút IoT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.3. Yêu cầu đối với cảm biến áp lực ứng dụng cho IoT . . . . . . . . . . 14
1.2. Giới thiệu cảm biến áp lực hữu cơ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2.1. Khái niệm cảm biến áp lực và các tham số cơ bản . . . . . . . . . . . 15
1.2.2. Cấu tạo và phân loại cảm biến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3. Khảo sát chung về các nghiên cứu cảm biến áp lực hữu cơ . . . . . . 21
1.4. Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
i
Chương 2. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN ÁP LỰC HỮU
CƠ SỬ DỤNG MÀNG MỎNG PU. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.1. Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2. Quy trình chế tạo cảm biến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3. Kiểm tra và thử nghiệm xác định tham số cảm biến. . . . . . . . . . . . . 32
2.3.1. Độ nhạy cảm biến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3.2. Độ lặp lại của cảm biến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.3.3. Sự ảnh hưởng của nhiệt độ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.3.4. Độ uốn cong của cảm biến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.4. Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Chương 3. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN ÁP LỰC HỮU
CƠ TÍCH CỰC DỰA TRÊN OTFT THƯỜNG ĐÓNG . . . . . . 49
3.1. Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.2. Cấu trúc cảm biến áp lực dựa trên OTFT thường đóng . . . . . . . . . 54
3.2.1. Cấu trúc chi tiết của OTFT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.2.2. Cấu trúc chi tiết của cảm biến tích cực. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.3. Quy trình chế tạo cảm biến dựa trên OTFT thường đóng . . . . . . . 56
3.3.1. Quy trình chế tạo OTFT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.3.2. Thiết lập OTFT sang trạng thái thường đóng . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.4. Đánh giá tham số của cảm biến áp lực hữu cơ dựa trên OTFT thường
đóng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.5. Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
ii
Chương 4. XÂY DỰNG VÀ THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG NÚT
IoT VỚI CẢM BIẾN ÁP LỰC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.1. Xây dựng nút IoT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.2. Nút IoT trong hệ thống giám sát chuyển động của ô tô. . . . . . . . . . 73
4.3. Nút IoT trong hệ thống giám sát chuyển động bước chân . . . . . . . 81
4.4. Nút IoT trong hệ thống giám sát công trình xây dựng. . . . . . . . . . . 87
4.5. Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
KẾT LUẬN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
PHỤ LỤC 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
PHỤ LỤC 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ . . . . . . . . . 107
TÀI LIỆU THAM KHẢO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt Nghĩa Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt
ADC Analog to Digital Converter Bộ biến đổi tương tự-số
CMOS Complementary Metal-
Oxide-Semiconductor
Mạch tích hợp công nghệ
MOS
CNT Cacbon Nanotube Ống nano Các-bon
DAQ Data Acquisition Mạch thu thập dữ liệu
GPS Global Position System Hệ thống định vị toàn cầu
IoT Internet of Things Internet kết nối vạn vật
ITO Indium Tin Oxide Ô xit Indi-Thiếc
ITS Intelligent Transport Sys-
tem
Hệ thống giao thông thông
minh
LOD Limit of Detection Giới hạn phát hiện
MOSFET Metal Oxide Semiconductor
Field Effect Transistor
Transistor hiệu ứng trường
công nghệ MOS
MW CNTs Multiwall Cacbon Nan-
otubes
Ống nano Các-bon đa vách
NPs Nanoparticles Hạt nano
OTFT Organic Thin Film Transis-
tor
Transistor màng mỏng hữu
cơ
PCB Printed Circuit Board Mạch in
PU Polyurethane Màng Polyurethane
RFID Radio Frequency Identifica-
tion
Nhận dạng vô tuyến
iv
SHM Structural Health Monitor-
ing
Theo dõi tình trạng công
trình xây dựng
SW CNTs Single-wall Cacbon Nan-
otubes
Ống nano Các-bon đơn vách
UMTS Universal Mobile Telecom-
munication System
Hệ thống thông tin di động
VPS Virtual Private Server Máy chủ cá nhân ảo
v
DANH MỤC HÌNH VẼ
1.1 Mô hình hệ thống IoT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2 Mô tả cấu trúc của một nút cảm biến IoT. . . . . . . . . . . . . 9
1.3 Các cảm biến xâm lấn: (a) cảm biến từ trường, (b) cảm biến
khí và (c) cảm biến sử dụng các vòng dây kim loại [21]. . . . . . 10
1.4 Các cảm biến không xâm lấn: (a) cảm biến radar; (b) hệ thống
camera và (c) cảm biến laser [21]. . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.5 Nút IoT thu thập áp lực bàn chân phục vụ quá trình phân tích
và điều trị bệnh nhân [26]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.6 (a) Nút IoT thu thập áp lực bàn chân giám sát chuyển động
hàng ngày [27] và (b) theo dõi sự hồi phục của bệnh nhân [28]. . 13
1.7 Sơ đồ minh họa nguyên lý làm việc của cảm biến với các hiệu
ứng (a) áp trở; (b) áp điện và (c) áp dung [2]. . . . . . . . . . . 18
1.8 Sự phân chia các dải áp lực và các ứng dụng tương ứng. . . . . . 20
1.9 (a) Cấu trúc cảm biến [42] sử dụng PDMS với bề mặt gợn sóng
cỡ micromet và (b) đặc tuyến cảm biến khi khảo sát các bề
mặt khác nhau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.10 (a) Hình ảnh bề mặt lớp tích cực sử dụng PDMS với kết cấu
kim tự tháp có kích thước micromet sắp xếp đều nhau trên bề
mặt [34], (b) [35] và (c) [36]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.11 Cấu trúc cảm biến sử dụng vật liệu (a) Ecoflex dạng xốp có
các bọt khí [39] và (b) PDMS kết hợp khe hở không khí [38]. . . 23
2.1 Cấu trúc cảm biến áp lực hữu cơ sử dụng màng mỏng PU. . . . . 28
2.2 Các bước chuẩn bị điện cực và màng PU. . . . . . . . . . . . . . 30
vi
2.3 Gia công hoàn thiện cảm biến: (a) quá trình tạo lớp điện cực,
(b) đóng gói cảm biến, (c) cảm biến ở trạng thái thường (bên
trái) và ở trạng thái uốn cong (bên phải). . . . . . . . . . . . . . 31
2.4 Ảnh mặt cắt cảm biến sau chế tạo. . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.5 Thí nghiệm khảo sát đặc tuyến cảm biến. . . . . . . . . . . . . . 33
2.6 (a) Hình ảnh minh họa và (b) sơ đồ tương đương của cảm biến. . 33
2.7 (a) Cảm biến ở trạng thái thường và (b) trạng thái khi tác động lực.35
2.8 Đặc tuyến cảm biến ở độ dày (a) 100 µm, (b) 200 µm, (c) 300
µm và (d) 500 µm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.9 Độ thay đổi điện dung hiệu quả của cảm biến ứng theo độ dày
của màng PU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.10 Đặc tuyến cảm biến của cảm biến 100 µm theo quy luật hàm mũ. 40
2.11 Đáp ứng của cảm biến với (a) các áp lực lặp lại 0,65 MPa và
(b) các áp lực lặp lại thay đổi 0,08; 0,2; 0,4; 0,65; 1,0 và 1,5 MPa. 43
2.12 Thử nghiệm độ lặp lại cảm biến sử dụng hệ thống thử nghiệm
độ sâu vệt hằn bánh xe. (a) Cảm biến được gắn lên tấm bê
tông asphalt, (b) mẫu thử được đặt dưới bánh xe hệ thống thử
nghiệm vệt hằn bánh xe, (c) tín hiệu cảm biến thu được trên
máy tính bảng trong quá trình thử nghiệm và (d) minh họa
quá trình thử nghiệm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.13 Thử nghiệm tác động của nhiệt độ đối với cảm biến 100 µm. . . 45
2.14 Sự phụ thuộc của (a) đặc tuyến cảm biến và (b) độ nhạy theo
nhiệt độ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.15 Điện dung cảm biến phụ thuộc vào bán kính cong. . . . . . . . . 47
3.1 Cấu trúc của cảm biến tích cực sử dụng (a) OTFT thường mở
và (b) OTFT thường đóng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2 (a) OTFT ở chế độ thường mở và (b) OTFT ở chế độ đóng
khi được cung cấp điện áp VGS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.3 Cấu trúc cảm biến áp lực hữu cơ sử dụng OTFT (a) [81] và (b) [34].51
vii
3.4 (a) Cấu trúc cảm biến và (b) lớp điện môi cực cửa PEG/PAA
của [89]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.5 OTFT làm việc ở điện áp thấp khi sử dụng lớp Al2O3 6 nm kết
hợp Parylene 25 nm (a) [94] và (b) cảm biến sử dụng OTFT
với cấu trúc cực cửa thả nổi [90]. . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.6 (a) Cấu trúc OTFT thường đóng và (b) cảm biến áp lực hữu
cơ trên cơ sở OTFT thường đóng. . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.7 Cấu trúc OTFT với cực cửa thả nổi bằng vật liệu hữu cơ Cytop. 55
3.8 (a) Cảm biến áp lực hữu cơ trên cơ sở OTFT và (b) sơ đồ
tương đương của cảm biến. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.9 Mô tả các bước chế tạo OTFT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.10 Hình ảnh của OTFT sau khi chế tạo (a), sơ đồ tương đương
của bốn OFET (b), sơ đồ kiểm tra đặc tuyến ra (c) và đặc
tuyến truyền đạt (d). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.11 Đặc tuyến ra (a) và đặc tuyến truyền đạt (b) của OTFT. . . . . 60
3.12 Lập trình thường đóng cho OTFT (a) và hình ảnh của bước
lập trình (b). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.13 Đặc tuyến truyền đạt của OTFT trước và sau khi lập trình
thường đóng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.14 (a) Đặc tuyến cảm biến tích cực sử dụng OTFT và (b) kết quả
thử nghiệm đáp ứng của cảm biến đối với các áp lực lặp lại tại
p = 0,65 MPa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.15 Sơ đồ mô tả sự phân bố điện tích và điện trường của cảm biến
tích cực. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.16 So sánh độ trễ cảm biến: (a) Đáp ứng cảm biến thụ động với
độ trễ 7,7 % và (b) đáp ứng cảm biến khi kết hợp với OTFT
với độ trễ 1,8 %. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.1 Các mức áp lực: (1) áp lực của bánh xe ô tô, (2) áp lực của
bàn chân người, (3) áp lực biến dạng của dầm bê tông. . . . . . . 72
4.2 Cấu trúc nút IoT sử dụng cảm biến áp lưc hữu cơ. . . . . . . . . 72
viii
4.3 (a) Nút IoT không dây thu thập dữ liệu cảm biến và (b) hình
ảnh hệ thống. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.4 Lưu đồ thuật toán làm việc hệ thống giám sát chuyển động
của ô tô. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.5 (a) Thử nghiệm nút IoT giám sát chuyển động xe ô tô và (b)
cận cảnh cảm biến gắn trên mặt đường và máy tính bảng. . . . . 77
4.6 Tín hiệu xung bánh trước và bánh sau của xe ô tô với vận tốc
5 km/h. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.7 (a) Sơ đồ khối nút IoT theo dõi chuyển động bước chân và (b)
hình ảnh hệ thống. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.8 Lưu đồ làm việc của hệ thống theo dõi chuyển động bước chân. . 84
4.9 (a) Hệ thống với cảm biến được gắn dưới đế giày; (b) hình ảnh
quá trình thử nghiệm. . . . . . . . . . . . .  ... ces, vol. 8, no. 40, pp. 26 458–26 462, 2016.
[75] J. Xue, J. Chen, J. Song, L. Xu, and H. Zeng, “Wearable and visual pressure
sensors based on zn 2 geo 4@ polypyrrole nanowire aerogels,” Journal of
Materials Chemistry C, vol. 5, no. 42, pp. 11 018–11 024, 2017.
[76] S. Yao and Y. Zhu, “Wearable multifunctional sensors using printed stretch-
able conductors made of silver nanowires,” Nanoscale, vol. 6, no. 4, pp.
2345–2352, 2014.
[77] M. Akiyama, Y. Morofuji, T. Kamohara, K. Nishikubo, M. Tsubai,
O. Fukuda, and N. Ueno, “Flexible piezoelectric pressure sensors using ori-
117
ented aluminum nitride thin films prepared on polyethylene terephthalate
films,” Journal of applied physics, vol. 100, no. 11, p. 114318, 2006.
[78] Z. Chen, Z. Wang, X. Li, Y. Lin, N. Luo, M. Long, N. Zhao, and J.-B. Xu,
“Flexible piezoelectric-induced pressure sensors for static measurements
based on nanowires/graphene heterostructures,” Acs Nano, vol. 11, no. 5,
pp. 4507–4513, 2017.
[79] A. V. Shirinov and W. K. Schomburg, “Pressure sensor from a pvdf film,”
Sensors and actuators A: Physical, vol. 142, no. 1, pp. 48–55, 2008.
[80] T. T. Dao, T. Matsushima, and H. Murata, “Organic nonvolatile memory
transistors based on fullerene and an electron-trapping polymer,” Organic
Electronics, vol. 13, no. 11, pp. 2709–2715, 2012.
[81] G. Schwartz, B. C.-K. Tee, J. Mei, A. L. Appleton, D. H. Kim, H. Wang,
and Z. Bao, “Flexible polymer transistors with high pressure sensitivity for
application in electronic skin and health monitoring,” Nature communica-
tions, vol. 4, no. 1, pp. 1–8, 2013.
[82] Y. Zang, F. Zhang, D. Huang, X. Gao, C.-a. Di, and D. Zhu, “Flexible
suspended gate organic thin-film transistors for ultra-sensitive pressure
detection,” Nature communications, vol. 6, no. 1, pp. 1–9, 2015.
[83] M.-J. Yin, Z. Yin, Y. Zhang, Q. Zheng, and A. P. Zhang, “Micropatterned
elastic ionic polyacrylamide hydrogel for low-voltage capacitive and organic
thin-film transistor pressure sensors,” Nano Energy, vol. 58, pp. 96–104,
2019.
[84] N. T. Tien, S. Jeon, D.-I. Kim, T. Q. Trung, M. Jang, B.-U. Hwang, K.-
E. Byun, J. Bae, E. Lee, J. B.-H. Tok et al., “A flexible bimodal sensor
array for simultaneous sensing of pressure and temperature,” Advanced
Materials, vol. 26, no. 5, pp. 796–804, 2014.
[85] T. Someya, T. Sekitani, S. Iba, Y. Kato, H. Kawaguchi, and T. Sakurai, “A
large-area, flexible pressure sensor matrix with organic field-effect transis-
tors for artificial skin applications,” Proceedings of the National Academy
of Sciences, vol. 101, no. 27, pp. 9966–9970, 2004.
[86] T. Someya, Y. Kato, T. Sekitani, S. Iba, Y. Noguchi, Y. Murase,
H. Kawaguchi, and T. Sakurai, “Conformable, flexible, large-area networks
118
of pressure and thermal sensors with organic transistor active matrixes,”
Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 102, no. 35, pp.
12 321–12 325, 2005.
[87] T. Hassinen, K. Eiroma, T. Ma¨kela¨, and V. Ermolov, “Printed pressure
sensor matrix with organic field-effect transistors,” Sensors and Actuators
A: Physical, vol. 236, pp. 343–348, 2015.
[88] S. H. Nam, P. J. Jeon, S. W. Min, Y. T. Lee, E. Y. Park, and S. Im,
“Highly sensitive non-classical strain gauge using organic heptazole thin-
film transistor circuit on a flexible substrate,” Advanced Functional Mate-
rials, vol. 24, no. 28, pp. 4413–4419, 2014.
[89] Z. Liu, Z. Yin, J. Wang, and Q. Zheng, “Polyelectrolyte dielectrics for
flexible low-voltage organic thin-film transistors in highly sensitive pressure
sensing,” Advanced Functional Materials, vol. 29, no. 1, p. 1806092, 2019.
[90] S. Lai, P. Cosseddu, A. Bonfiglio, and M. Barbaro, “Ultralow voltage pres-
sure sensors based on organic fets and compressible capacitors,” IEEE elec-
tron device letters, vol. 34, no. 6, pp. 801–803, 2013.
[91] A. Spanu, L. Pinna, F. Viola, L. Seminara, M. Valle, A. Bonfiglio, and
P. Cosseddu, “A high-sensitivity tactile sensor based on piezoelectric poly-
mer pvdf coupled to an ultra-low voltage organic transistor,” Organic Elec-
tronics, vol. 36, pp. 57–60, 2016.
[92] T. Yokota, T. Sekitani, T. Tokuhara, N. Take, U. Zschieschang, H. Klauk,
K. Takimiya, T.-C. Huang, M. Takamiya, T. Sakurai et al., “Sheet-type
flexible organic active matrix amplifier system using pseudo-cmos cir-
cuits with floating-gate structure,” IEEE Transactions on Electron De-
vices, vol. 59, no. 12, pp. 3434–3441, 2012.
[93] S. P. White, K. D. Dorfman, and C. D. Frisbie, “Operating and sensing
mechanism of electrolyte-gated transistors with floating gates: Building a
platform for amplified biodetection,” The Journal of Physical Chemistry
C, vol. 120, no. 1, pp. 108–117, 2016.
[94] P. Cosseddu, S. Lai, M. Barbaro, and A. Bonfiglio, “Ultra-low voltage,
organic thin film transistors fabricated on plastic substrates by a highly
reproducible process,” Applied Physics Letters, vol. 100, no. 9, p. 61, 2012.
119
[95] C. H. Kim, A. Castro-Carranza, M. Estrada, A. Cerdeira, Y. Bonnassieux,
G. Horowitz, and B. In˜iguez, “A compact model for organic field-effect
transistors with improved output asymptotic behaviors,” IEEE Transac-
tions on Electron Devices, vol. 60, no. 3, pp. 1136–1141, 2013.
[96] J. Reeder, M. Kaltenbrunner, T. Ware, D. Arreaga-Salas, A. Avendano-
Bolivar, T. Yokota, Y. Inoue, M. Sekino, W. Voit, T. Sekitani et al., “Me-
chanically adaptive organic transistors for implantable electronics,” Ad-
vanced Materials, vol. 26, no. 29, pp. 4967–4973, 2014.
[97] S. Hannah, A. Davidson, I. Glesk, D. Uttamchandani, R. Dahiya, and
H. Gleskova, “Multifunctional sensor based on organic field-effect transis-
tor and ferroelectric poly (vinylidene fluoride trifluoroethylene),” Organic
Electronics, vol. 56, pp. 170–177, 2018.
[98] A. Hills, E. Hennig, M. McDonald, and O. Bar-Or, “Plantar pressure dif-
ferences between obese and non-obese adults: a biomechanical analysis,”
International journal of obesity, vol. 25, no. 11, p. 1674, 2001.
[99] X. Hu, L. Yang, and W. Xiong, “A novel wireless sensor network frame for
urban transportation,” IEEE Internet of Things Journal, vol. 2, no. 6, pp.
586–595, 2015.
[100] N. K. Jain, R. Saini, and P. Mittal, “A review on traffic monitoring system
techniques,” in Soft Computing: Theories and Applications. Springer,
2019, pp. 569–577.
[101] V. Markevicius, D. Navikas, M. Zilys, D. Andriukaitis, A. Valinevicius,
and M. Cepenas, “Dynamic vehicle detection via the use of magnetic field
sensors,” Sensors, vol. 16, no. 1, p. 78, 2016.
[102] A. Daubaras, V. Markevicius, D. Navikas, and M. Zilys, “Analysis of mag-
netic field disturbance curve for vehicle presence detection,” Elektronika ir
Elektrotechnika, vol. 20, no. 5, pp. 80–83, 2014.
[103] T. M. Kwon, “Signal processing of piezoelectric weight-in-motion systems,”
in Proceedings of the Fifth IASTED International Conference on Circuits,
Signals, and Systems (CSS 2007), 2007, pp. 233–238.
120
[104] Y. Huang, L. Wang, Y. Hou, W. Zhang, and Y. Zhang, “A prototype iot
based wireless sensor network for traffic information monitoring,” Inter-
national journal of pavement research and technology, vol. 11, no. 2, pp.
146–152, 2018.
[105] B. Han, S. Ding, Y. Yu, X. Yu, S. Dong, and J. Ou, “Design and imple-
mentation of a multiple traffic parameter detection sensor developed with
quantum tunneling composites,” IEEE Sensors Journal, vol. 15, no. 9, pp.
4845–4852, 2015.
[106] L. Cheng, Q. Li, and H. Zhang, “Capacitive flexible weighing sensor for
wim system,” J. Harbin Inst. Technol, vol. 41, pp. 149–153, 2009.
[107] W. Crosbie and A. Nicol, “Reciprocal aided gait in paraplegia,” Spinal
Cord, vol. 28, no. 6, p. 353, 1990.
[108] F. Neaga, D. Moga, D. Petreus, M. Munteanu, and N. Stroia, “A wire-
less system for monitoring the progressive loading of lower limb in post-
traumatic rehabilitation,” in International Conference on Advancements of
Medicine and Health Care through Technology. Springer, 2011, pp. 54–59.
[109] C. Wada, Y. Sugimura, F. Wada, K. Hachisuka, T. Ienaga, Y. Kimuro, and
T. Tsuji, “Development of a rehabilitation support system with a shoe-
type measurement device for walking,” in Proceedings of SICE Annual
Conference 2010. IEEE, 2010, pp. 2534–2537.
[110] S. R. Edgar, T. Swyka, G. Fulk, and E. S. Sazonov, “Wearable shoe-based
device for rehabilitation of stroke patients,” in 2010 Annual International
Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology. IEEE,
2010, pp. 3772–3775.
[111] T. Salpavaara, J. Verho, J. Lekkala, and J. Halttunen, “Wireless insole sen-
sor system for plantar force measurements during sport events,” in Pro-
ceedings of IMEKO XIX World Congress on Fundamental and Applied
Metrology, 2009, pp. 2118–2123.
[112] A. Downey, A. D’Alessandro, F. Ubertini, and S. Laflamme, “Crack de-
tection in rc structural components using a collaborative data fusion ap-
proach based on smart concrete and large-area sensors,” in Sensors and
121
Smart Structures Technologies for Civil, Mechanical, and Aerospace Sys-
tems 2018, vol. 10598. International Society for Optics and Photonics,
2018, p. 105983B.
[113] E. Teomete, “Measurement of crack length sensitivity and strain gage fac-
tor of carbon fiber reinforced cement matrix composites,” Measurement,
vol. 74, pp. 21–30, 2015.
[114] M.-J. Lim, H. K. Lee, I.-W. Nam, and H.-K. Kim, “Carbon nan-
otube/cement composites for crack monitoring of concrete structures,”
Composite Structures, vol. 180, pp. 741–750, 2017.
[115] Y. Hu, L. Huang, W. S. Rieutort-Louis, J. Sanz-Robinson, J. C. Sturm,
S. Wagner, and N. Verma, “A self-powered system for large-scale strain
sensing by combining cmos ics with large-area electronics,” IEEE Journal
of Solid-State Circuits, vol. 49, no. 4, pp. 838–850, 2014.
[116] S. Tung and B. Glisic, “Sensing sheet: the response of full-bridge strain sen-
sors to thermal variations for detecting and characterizing cracks,” Mea-
surement Science and Technology, vol. 27, no. 12, p. 124010, 2016.
[117] M. Schulz and M. Sundaresan, “Smart sensor system for structural con-
dition monitoring of wind turbines: 30 may 2002–30 april 2006,” National
Renewable Energy Lab.(NREL), Golden, CO (United States), Tech. Rep.,
2006.
[118] V. Giurgiutiu, A. Zagrai, and J. Bao, “Damage identification in aging air-
craft structures with piezoelectric wafer active sensors,” Journal of Intelli-
gent Material Systems and Structures, vol. 15, no. 9-10, pp. 673–687, 2004.
[119] N. Sharp, A. Kuntz, C. Brubaker, S. Amos, W. Gao, G. Gupta, A. Mohite,
C. Farrar, and D. Mascaren˜as, “A bio-inspired asynchronous skin system
for crack detection applications,” Smart Materials and Structures, vol. 23,
no. 5, p. 055020, 2014.
[120] B. Zhang, Z. Zhou, K. Zhang, G. Yan, and Z. Xu, “Sensitive skin and
the relative sensing system for real-time surface monitoring of crack in
civil infrastructure,” Journal of intelligent material systems and structures,
vol. 17, no. 10, pp. 907–917, 2006.
122
[121] M. Cao, M. Wang, L. Li, H. Qiu, M. A. Padhiar, and Z. Yang, “Wearable
rgo-ag nw@ cotton fiber piezoresistive sensor based on the fast charge
transport channel provided by ag nanowire,” Nano energy, vol. 50, pp.
528–535, 2018.
[122] S. Gong, W. Schwalb, Y. Wang, Y. Chen, Y. Tang, J. Si, B. Shirinzadeh,
and W. Cheng, “A wearable and highly sensitive pressure sensor with ul-
trathin gold nanowires,” Nature communications, vol. 5, no. 1, pp. 1–8,
2014.
[123] F. Yin, J. Yang, H. Peng, and W. Yuan, “Flexible and highly sensitive
artificial electronic skin based on graphene/polyamide interlocking fabric,”
Journal of Materials Chemistry C, vol. 6, no. 25, pp. 6840–6846, 2018.
[124] D. Lee, H. Lee, Y. Jeong, Y. Ahn, G. Nam, and Y. Lee, “Highly sensi-
tive, transparent, and durable pressure sensors based on sea-urchin shaped
metal nanoparticles,” Advanced Materials, vol. 28, no. 42, pp. 9364–9369,
2016.
[125] M. Jian, K. Xia, Q. Wang, Z. Yin, H. Wang, C. Wang, H. Xie, M. Zhang,
and Y. Zhang, “Flexible and highly sensitive pressure sensors based on
bionic hierarchical structures,” Advanced Functional Materials, vol. 27,
no. 9, p. 1606066, 2017.
[126] J. Shi, L. Wang, Z. Dai, L. Zhao, M. Du, H. Li, and Y. Fang, “Multiscale
hierarchical design of a flexible piezoresistive pressure sensor with high
sensitivity and wide linearity range,” Small, vol. 14, no. 27, p. 1800819,
2018.
[127] W. Chen, X. Gui, B. Liang, R. Yang, Y. Zheng, C. Zhao, X. Li, H. Zhu, and
Z. Tang, “Structural engineering for high sensitivity, ultrathin pressure sen-
sors based on wrinkled graphene and anodic aluminum oxide membrane,”
ACS applied materials & interfaces, vol. 9, no. 28, pp. 24 111–24 117, 2017.
[128] Z. Wang, S. Wang, J. Zeng, X. Ren, A. J. Chee, B. Y. Yiu, W. C. Chung,
Y. Yang, A. C. Yu, R. C. Roberts et al., “High sensitivity, wearable, piezore-
sistive pressure sensors based on irregular microhump structures and its
applications in body motion sensing,” Small, vol. 12, no. 28, pp. 3827–3836,
2016.
123
[129] X. Xu, R. Wang, P. Nie, Y. Cheng, X. Lu, L. Shi, and J. Sun, “Copper
nanowire-based aerogel with tunable pore structure and its application as
flexible pressure sensor,” ACS applied materials & interfaces, vol. 9, no. 16,
pp. 14 273–14 280, 2017.
[130] D. J. Lipomi, M. Vosgueritchian, B. C. Tee, S. L. Hellstrom, J. A. Lee, C. H.
Fox, and Z. Bao, “Skin-like pressure and strain sensors based on transparent
elastic films of carbon nanotubes,” Nature nanotechnology, vol. 6, no. 12,
p. 788, 2011.
[131] Y. Joo, J. Byun, N. Seong, J. Ha, H. Kim, S. Kim, T. Kim, H. Im, D. Kim,
and Y. Hong, “Silver nanowire-embedded pdms with a multiscale structure
for a highly sensitive and robust flexible pressure sensor,” Nanoscale, vol. 7,
no. 14, pp. 6208–6215, 2015.
[132] Y. Quan, X. Wei, L. Xiao, T. Wu, H. Pang, T. Liu, W. Huang, S. Wu,
S. Li, and Z. Chen, “Highly sensitive and stable flexible pressure sensors
with micro-structured electrodes,” Journal of Alloys and Compounds, vol.
699, pp. 824–831, 2017.
[133] M. Kang, J. H. Park, K. I. Lee, J. W. Cho, J. Bae, B. K. Ju, and C. S.
Lee, “Fully flexible and transparent piezoelectric touch sensors based on
zno nanowires and batio3-added sio2 capping layers,” physica status solidi
(a), vol. 212, no. 9, pp. 2005–2011, 2015.
[134] J. S. Lee, K.-Y. Shin, O. J. Cheong, J. H. Kim, and J. Jang, “Highly sen-
sitive and multifunctional tactile sensor using free-standing zno/pvdf thin
film with graphene electrodes for pressure and temperature monitoring,”
Scientific reports, vol. 5, p. 7887, 2015.
[135] C. Dagdeviren, Y. Su, P. Joe, R. Yona, Y. Liu, Y.-S. Kim, Y. Huang,
A. R. Damadoran, J. Xia, L. W. Martin et al., “Conformable amplified
lead zirconate titanate sensors with enhanced piezoelectric response for
cutaneous pressure monitoring,” Nature communications, vol. 5, no. 1, pp.
1–10, 2014.
124