Kemajuan dalam sains bahan dan kejuruteraan reka bentuk telah merealisasikan
peranti tekanan fleksibel yang sangat peka. Setakat ini, banyak kemajuan pada ciptaan
peranti tekanan piezo rintangan berdasarkan bahan berskalar nano yang berfungsi dan
struktur diafragma telah ditunjukkan secara meluas di mana perhatian yang besar telah
tertumpu kepada peningkatan kepekaan dengan penggunaan bahan berskalar nano yang
berfungsi dan pengoptimuman geometri peranti. Namun, pengesanan julat tekanan rendah
(<10 kPa) dalam masa nyata dengan kepekaan yang sangat baik kurang dilaporkan oleh
pengkajian semasa peranti tekanan piezo rintangan kerana dua sebab yang jelas: (i) kurang
eksploitasi bahan berskalar nano yang berfungsi melalui kaedah sintesis yang dikawal dan
(ii) penggunaan struktur reka benda diafragma yang konvesional. Sehubungan itu, kajian ini
bertujuan untuk membangunkan peranti tekanan piezo rintangan yang fleksibel, terutamanya
memberi tumpuan kepada peningkataan tahap kepekaan dengan penggabungan bahan
dimensi rendah berasaskan karbon yang baru dibangunkan dan struktur diafragma dengan
tatasusunan interdigital elektrod (IDE) untuk memenuhi keperluan aplikasi tekanan rendah.
Ciri-ciri baru bahan dimensi rendah berasaskan karbon untuk 0-D nanopartikel berlapisan
karbon, 1-D nanotuib karbon dan 2-D filem nipis grafen telah diperkenalkan melalui
pengendapan wap kimia (CVD) dan sifat-sifat morfologi dan elektrik telah dicirikan dengan
teliti. Sebelum pembuatan peranti, analisa pada ciri-ciri diafragma baru dengan struktur
penguat tambah tatasusunan interdigital elektrod (IDE) telah dicapai melalui
CoventorWare® menggunakan analisis unsur terhingga (FEA). Kajian parametrik telah
dilaksanakan untuk semua simulasi untuk menilai pengaruh parameter geometri ke atas ciriciri
penting yang berkaitan. Seterusnya, dua langkah penting yang terlibat dalam
pembangunan peranti tekanan seperti penyepaduan tatasusunan interdigital elektrod (IDE)
pada substrat fleksibel dan kaedah pemindahan bahan-bahan dimensi rendah berasaskan
karbon juga telah ditunjukkan. Berdasarkan keputusan pencirian bahan dimensi rendah
berasaskan karbon, kesamaan dan keboleh talaan morfologi bahan-bahan yang dihasilkan
pada konfigurasi yang berbeza bawah kawalan telah dicapai dengan sifat-sifat elektrik yang
sangat baik. Kajian teknikal yang diketengahkan termasuk pertunjukkan kejayaan ciri baru
dengan model mekanisma pada lapisan karbon pada 0-D nanopartikel, pembentukan
pertumbuhan mendatar pada 1-D nanotuib karbon dan peningkatan kecacatan pada 2-D filem
nipis grafen dengan kaedah CVD. Untuk keputusan pencirian elektromekanik, ia telah
menunjukkan bahawa rekaan peranti tekanan fleksibel yang digabungkan dengan bahanbahan
dimensi rendah berasaskan karbon boleh dikendalikan secara berkesan pada tekanan
di bawah 10 kPa dengan kepekaan yang tinggi, kelinearan yang tinggi dan faktor tolok yang
tinggi ke atas tindak balas kepada perubahan kecil dalam tekanan. Kepekaan peranti yang
direka dengan 0-D nanopartikel berlapisan karbon, 1-D nanotuib karbon dan 2-D filem nipis
grafen dalam kajian ini telah ditentukan dengan nilai 0.0148, 0.0109 dan 0.0045 kPa-1
dengan faktor tolok masing masing adalah 186, 136 dan 32, di mana melebihi penemuan
yang telah dilaporkan sebelum ini. Keputusan juga menunjukkan bahawa peranti tekanan
yang digabungkan dengan konfigurasi 0-D adalah lebih peka dalam tidak balas pada tekanan
berbanding dengan konfigurasi 1-D atau 2-D, menunjukkan kesan piezo rintangan yang
ketara dalam dimensi yang rendah. Keputusan yang cemerlang ini membuktikan bahawa
bahan-bahan dimensi rendah berasaskan karbon yang digunakan dalam kajian ini
menyediakan platform awal untuk potensi penyelidikan yang seterusnya bagi mencapai
sasaran ultra-sensitif peranti takanan piezo rintangan.
________________________________________________________________________________________________________________________
Advances in materials science and engineering design have enabled the realization of
flexible and highly sensitive pressure sensors. To date, numerous progresses on the invention
of the piezoresistive pressure sensors based on the functional nanomaterials and the
diaphragm structure have been widely demonstrated, in which great attention has been
centered on improvement of sensitivity by the utilization of the functional nanomaterials and
the optimization of the device geometries. However, real-time detection in low pressure
range (<10 kPa) with excellent sensitivity has been rarely reported by the current progress of
piezoresistive pressure sensors due to two apparent reasons: (i) lack of exploitation of
functional nanomaterials through a controllable synthesis method and (ii) implementation of
conventional diaphragm design structure. In view of that, this dissertation is intended to
develop the flexible piezoresistive pressure sensor, which mainly focuses on the sensitivity
enhancement with the incorporation of newly developed low dimensional carbon based
materials and diaphragm structure with IDE array to satisfy the requirement of low pressure
application. The novel features of low dimensional carbon based materials for 0-D carboncapped
nanoparticles, 1-D carbon nanotubes and 2-D graphene ultra-thin films have been
introduced through chemical vapor deposition (CVD) and their morphology and electrical
properties have been carefully characterized. Prior to the device fabrication, analyses on the
characteristics of the reinforced diaphragm structure with interdigitated electrode (IDE) array
have been accomplished through the CoventorWare® utilizing the finite element analysis
(FEA). Parametric studies have been performed for all the simulations to evaluate the
influence of geometrical parameters on the associated characteristics of interest. Two critical
steps involved in the development of pressure sensor such as integration of IDE array on
flexible substrate and transfer-printing method of low dimensional carbon based materials
have also been demonstrated. From the characterization results of low dimensional carbon
based materials, uniformity and tunable morphology of the synthesized materials at different
0-D, 1-D and 2-D configuration in a control manner was achieved with excellent electrical
properties. The technical findings highlighted in this study include the successful
demonstration of novel features with mechanism model of carbon-capping in 0-D
nanoparticles, horizontal growth formation in 1-D carbon nanotubes and defects
enhancement in 2-D graphene films by CVD method. For the electromechanical
characterization, it has been demonstrated that the fabricated flexible pressure sensor
incorporated with low dimensional carbon based materials can be operated effectively at
applied pressure below 10 kPa with high sensitivity, high linearity and high gauge factor in a
response to small changes in pressure. The sensitivity of the fabricated sensors with 0-D
carbon-capped nanoparticles, 1-D carbon nanotubes and 2-D graphene ultra-thin films in this
research was determined to be 0.0148, 0.0109 and 0.0045 kPa-1 with gauge factor of 186,
136 and 32, respectively, in which outperformed the previous findings reported from the
literatures. The results also demonstrated that the pressure sensor incorporated with 0-D
configuration is more sensitive in a response to applied pressure than 1-D or 2-D
configuration, suggesting a significant piezoresistive effect in the reduced dimension. This
outstanding result proved that the low dimensional carbon based materials utilized in this
present study provide the initial platform for further potential research to achieve the target
of ultra-sensitive piezoresistive pressure sensor
