Hoogwaardige, op papier gebaseerde capacitieve flexibele druksensor en zijn toepassing in mensgerelateerde metingen

Resultaten en discussies

Zoals getoond in Fig. 2a, geeft de SEM-foto aan dat de bereide AgNW's uniform lange en dunne vormen hebben met een diameter van ongeveer 100 nm, en dat er geen onzuiverheden in de film worden gevonden; Fig. 2b impliceert dat de film een ​​relatief hoge dichtheid heeft, wat zal helpen om sterk geleidende elektroden van de capacitieve FPS te bereiken. Om de zuiverheid van AgNW's verder te onderzoeken, werd het UV-Vis-spectrum getest zoals weergegeven in Fig. 3. Het toont duidelijk aan dat twee pieken bij 355 nm en 380 nm verschijnen in de absorptiecurven, die te wijten zijn aan transversale en longitudinale plasmonresonanties van AgNW's; andere karakterpieken of geluiden zouden ook verschijnen als onzuiverheden zoals AgCl, AgNO₃ , of er bestaan ​​zilveren nanodeeltjes in de film; daarom bewijst het UV-Vis-spectrum verder dat AgNW's van hoge kwaliteit met succes werden gesynthetiseerd.

een –d SEM-foto's van AgNW-film en papier

UV-Vis-spectrum van de AgNW's

Figuur 4 geeft de resultaten van de responstest van het monster; zoals weergegeven in figuur 4a, kan de responscurve ongeveer worden verdeeld in twee lineaire delen in het hele drukbereik, d.w.z. een zeer gevoelig deel bij lage druk en een laag gevoelig deel bij hoge druk met het keerpunt op 2 KPa. Dit fenomeen is gebruikelijk voor capacitieve FPS, vooral gebaseerd op PDMS [21, 22] dat als volgt kan worden geïnterpreteerd:het PDMS heeft zijn elastische limiet; aangezien de toegepaste druk laag is, vertoont het PDMS een goede elasticiteit, kan grote spanning worden geproduceerd en grote capaciteitsvariatie (ΔC ) kan daarom worden verwacht; terwijl als de uitgeoefende druk groot genoeg wordt, PDMS zo dicht wordt dat het niet meer elastisch genoeg is, kan er geen duidelijke spanning meer worden geproduceerd door de uitgeoefende druk, en dus kan slechts een lage gevoeligheid van de sensor worden bereikt, en als gevolg daarvan, alleen het hoge gevoeligheidsbereik wordt gebruikt voor de meting. Uit de gegevens in Fig. 4a kan worden berekend dat het capacitieve FPS-monster een gevoeligheid heeft van wel 1,05 KPa ⁻¹ , deze waarde is beter dan die gerapporteerd in de meeste literatuur [12, 26, 37,38,39] en vergelijkbaar met de resultaten van AgNW's / microgestructureerde PDMS-gebaseerde capacitieve FPS in ons vorige werk [22], terwijl de fabricageprocedure veel is eenvoudiger. Het mechanisme achter deze goede prestatie kan worden toegeschreven aan de morfologische aard van het papier; zoals weergegeven in Fig. 2c en d, onthullen SEM-foto's van het papier dat er een groot aantal microgroeven en holtes op het papier bestaat, aangezien het moeilijk is om de lucht in de microgroeven en holtes samen te drukken; de lucht zal dan naar beneden bewegen en talrijke inkepingen in de AgNW's creëren wanneer druk van buitenaf wordt uitgeoefend; deze streepjes zullen uiteindelijk worden overgebracht naar de PDMS-film vanwege de hoge flexibiliteit van zowel de AgNW's als de PDMS; en als resultaat nemen de equivalente oppervlakken van de elektroden toe en neemt de afstand ertussen af, die beide nuttig zijn voor het bereiken van een grotere capaciteitsvariatie. Een meer specifieke karakterisering van de sensorprestaties in het extreem lage drukbereik werd uitgevoerd zoals weergegeven in figuur 4b. Het is duidelijk te zien dat het monster in staat is te reageren op een druk van slechts 1 Pa, wat zijn hoge gevoeligheid aantoont; ook kan het volledig herstellen naar zijn oorspronkelijke waarde na het lossen van elke druk, als gevolg van zijn goede stabiliteit en hoge reactiesnelheid. Afbeelding 4c geeft het resultaat van een herhaalbaarheidstest op korte termijn waarbij de sensor gedurende 500 perioden continu werd ingedrukt (81 Pa) en werd losgelaten. De vergrote responscurven aan het begin en het einde vertonen zeer vergelijkbare trends, wat verder de goede stabiliteit en herhaalbaarheid van het monster impliceert. Verder werd een herhaalbaarheidstest op lange termijn uitgevoerd na 1 maand; zoals getoond in Fig. 4a, verandert de respons van het monster bij lagedrukbereik niet na 1 maand; aan de andere kant, hoewel de hogedrukrespons een duidelijke afname onderging, zoals hierboven vermeld, zou dit de prestaties van de sensor niet beïnvloeden. Figuur 4d vergelijkt de prestaties van het monster voor en na 1 maand bij enkele specifieke drukwaarden; het onthult verder dat er geen degradatie van het apparaat kan worden gevonden bij lage druk; aan de andere kant, hoewel de respons bij hoge druk afneemt, vertoont deze geen variatie onder constante druk, wat wijst op de nog steeds goede stabiliteit van het monster.

Responstest van op AgNW gebaseerde capacitieve FPS:a druk-capaciteit relaties binnen een groot drukbereik, b reactie bij lage druk, c repetitieve test van korte duur, en d verouderingsprestaties na een maand

Om de bruikbaarheid van de op AgNW-papier gebaseerde capacitieve FPS te onderzoeken, werden verschillende real-life-gerelateerde tests uitgevoerd. Figuur 5a geeft het resultaat van de buigtest; de buighoek theta, zoals weergegeven in de inzet, wordt gedefinieerd als de ingesloten hoek gevormd door de twee lijnen die aan beide uiteinden de buigsensor raken. Het laat zien dat het monster erg gevoelig is voor buigen en hoe meer het monster buigt, hoe groter de capaciteit; bovendien heeft de capaciteit-theta-curve interessant genoeg een bijna lineaire relatie, wat het monster een goed potentieel geeft voor het meten van de buigstatus van de gewrichten van het menselijk lichaam. Figuur 5b laat zien dat de sensor dubbelklikbeweging duidelijk kan detecteren; de druk tijdens het klikken kan een capaciteitsvariatie produceren van wel 700 pF, één keer groter dan de beginwaarde; bovendien kan de sensor, zoals weergegeven in figuur 5c, elke lettergreep identificeren die de onderzoeker zegt en vertoont hij een hoge gevoeligheid en uitstekende herhaalbaarheid. Om het potentieel van de capacitieve FPS verder te onderzoeken, werd een 8 × 8 array van AgNW-papier capacitieve FPS vervaardigd zoals weergegeven in figuur 5d; de elektrodelijnen werden gevormd door de AgNW's door een hard masker te sproeien en de grootte van de pixel was 2 mm x 2 mm. Figuur 5e laat zien dat de array gemakkelijk een potloodpunt kan detecteren, en aangezien de punt klein genoeg was, werden de aangrenzende pixels helemaal niet beïnvloed, wat het verwaarloosbare overspraakeffect laat zien; bovendien, zoals getoond in figuur 5, nadat een van plasticine gemaakte kogel op de array was geplaatst, was deze in staat om de vorm van de kogel te herkennen; in het bijzonder impliceren de toewijzingsresultaten dat de meeste massa van de kogel zich in de middelste twee rijen bevindt, terwijl de tweede kolom met pixels aan de linkerkant de kleinste signalen heeft vanwege de kleine massa bij de kogelkop.

Toepassingen van op AgNW-papier gebaseerde capacitieve FPS:a buigtest, b vingertiktest, c stemtest, d 8 × 8 array van AgNW-papiergebaseerde capacitieve FPS, e detectie van een potloodpunt, f detectie van een kogelvorm, handgemaakt van plasticine