Een flexibele magneetveldsensor op basis van AgNW's en MNs-PDMS

Resultaten en discussie

Het XRD-spectrum van MN's werd getoond in Fig. 2. De karakteristieke pieken suggereren dat de MN's zijn samengesteld uit FeCo, FeNi en Co(OH)₂ . Het resultaat toont aan dat al deze samenstellingen magnetische materialen zijn.

Het XRD-spectrum van MN's

De SEM-afbeeldingen van AgNW's en MN's worden weergegeven in Fig. 3. De pure Ag NW's met een lengte van 20 m en een diameter van 50 nm vormen een lineair netwerk dat kan worden waargenomen in Fig. 3a. De morfologieën van AgNW's en MN's in massaverhoudingen van 5:1, 2:1 en 1:1 worden getoond in Fig. 3b-d. Kleine hoeveelheden MN's onder Ag NW's kunnen worden waargenomen in figuur 3b. De netwerken in figuur 3c zijn uiteraard schaarser in vergelijking met figuur 3a, b. Bovendien is de buiging van de AgNW's en meer MN's te zien in figuur 3d. De geleidende netwerken die worden gebouwd door AgNW's en het aantal MN's nemen blijkbaar toe in Fig. 3a-d. Uniform mengen Ag NW's en MN's, die worden getoond in Fig. 3a-d, spelen een verbindende rol voor het verhogen van de gevoeligheid van sensoren bij uitrekken of krimpen. De rollen die AgNW's en MN's hebben gespeeld, kunnen worden verklaard door de resultaten in Fig. 3.

een AgNW's en MN's in massaverhouding van 1:0, b 5:1, c 2:1, en d 1:1

De IV-curven van de sensoren op basis van AgNW's en MN's in massaverhoudingen van 1:0, 5:1, 2:1 en 1:1 worden getoond in Fig. 4. De vier curven zijn allemaal vloeiende rechte lijnen, die de vier sensoren vertonen significante ohmse eigenschappen. Het verklaart dat deze sensoren geleidend en stabiel zijn zonder vervorming.

IV-curven van de sensoren op basis van AgNW's &​​MN's in massaverhouding a 1:0, b 5:1, c 2:1, en d 1:1

Uit figuur 4a kan worden berekend dat de weerstand van de sensor 41,58  Ω is wanneer de gevoelige eenheid pure AgNW's is. De weerstanden van de sensoren op basis van AgNW's en MN's in massaverhoudingen van 1:0, 5:1, 2:1 en 1:1 zijn 30,2 Ω, 5,04 Ω en 2,87 Ω, zoals weergegeven in figuur 4b-d. Het vertoont een afnemende resistentietrend wanneer MN's in gevoelige cellen werden geïntroduceerd. Als we de weerstanden van de vier sensoren vergelijken, kan worden geconcludeerd dat de weerstanden van flexibele magneetveldsensoren afnemen met het toenemende aandeel MN's, en dat de minimale weerstand optreedt bij de sensor met AgNW's en MN's in een massaverhouding van 1:1. Het kan ook bewijzen dat het mengen van AgNW's en MN's in een bepaalde verhouding helpt om de weerstand te verminderen, omdat de geleidende componenten van de MN's meer geleidende paden in de netwerken hebben geleid.

De relaties tussen weerstandsveranderingen en rekken of terugtrekken werden bestudeerd om de interactie tussen MN's en AgNW's tijdens vervorming te concluderen. De relatieve weerstandsveranderingen van de op AgNW's en MN's gebaseerde sensoren met extensie onder kamertemperatuur worden getoond in Fig. 5a-d. De weerstandsverandering tijdens het strekproces wordt weergegeven door zwarte curven en de verandering van weerstand tijdens het releaseproces wordt uitgezet door rode curven. ΔR en R ₀ vertegenwoordigen de relatieve weerstandsverandering onder de vervorming en de initiële weerstand van de sensor, en L ₀ en ΔL vertegenwoordigen de initiële lengte en de relatieve verlenging van het axiale monster van de sensor. De meetfactor van de sensoren kan worden berekend door de vergelijking van de meetfactor (GF) = ΔR /R ₀ :ΔL /L ₀ . Afbeelding 5a laat zien dat de op AgNWs gebaseerde sensor geleidend is in het rek- en herstelproces wanneer de treklengte binnen 7,12% van de oorspronkelijke lengte ligt en de GF 129,6 is. De weerstand neemt toe tijdens het strekken. Dit kan worden toegeschreven aan de toename van de afstand tussen AgNW's in de sensor tijdens vervorming, tunneling van kanalen en het op deze manier verminderen van het geleidende pad. Het omgekeerde proces zorgde voor een afname van de weerstand tijdens het terugtrekken. Toen de MN's in de gevoelige eenheid werden geïntroduceerd, veranderden ook de spanningsgevoelige kenmerken van het flexibele apparaat. De weerstand van de sensor op basis van AgNW's en MN's in een massaverhouding van 5:1 verandert bijna lineair wanneer het rekbereik binnen 4,4% van de oorspronkelijke lengte in figuur 5b ligt. Wanneer de treklengte meer dan 3,9% van de oorspronkelijke lengte bedraagt, trad de grotere weerstandstoename op. De GF van de sensor neemt toe tot 257, wat betekent dat de gevoeligheid van de sensor is toegenomen in vergelijking met de sensor op basis van pure AgNW's. Het spanningsbereik wordt echter niet verbeterd door MN's deelname aan een massaverhouding van 5:1, die kan worden waargenomen in Fig. 5a, b. Afbeelding 5c ​​laat zien dat de weerstand van de sensor op basis van AgNW's en MN's in een massaverhouding van 2:1 lineair verandert wanneer het rekbereik binnen 8,7% van de oorspronkelijke lengte ligt en de GF van de sensor 264,4 is, wat hoger is dan die van de sensoren op basis van AgNW's &​​MN's in massaverhouding 1:0 en 5:1. In figuur 5d verandert de weerstand van de sensor op basis van AgNW's en MN's in een massaverhouding van 1:1 lineair wanneer het rekbereik binnen 9% van de oorspronkelijke lengte ligt. Wanneer de treklengte meer dan 9% van de oorspronkelijke lengte is, verandert de weerstand aanzienlijk en is de GF 222,2. Samenvattend, de flexibele magneetveldsensor op basis van AgNW's en MN's in een massaverhouding van 2:1 toont de grootste GF van 264,4 en heeft een relatief groot rekbaar bereik. Bovendien reageert deze sensor gevoeliger naarmate de spanning toeneemt, de weerstandsverandering heeft ook een beter lineair verband. Gebaseerd op het hoofdbestanddeel van de MN's is FeCo, een geleidende legering. Door deze vier soorten sensoren te vergelijken, maakt de deelname van MN's meer geleidende paden in de gevoelige eenheden tijdens het uitrekken. Een hogere verhouding van MN's in Ag NW's en MN's van dezelfde kwaliteit betekent echter dat er minder Ag NW's bestaan, wat schadelijk is voor de stabiliteit van het geleidende netwerk tijdens vervorming. Dat is de reden van de relatieve weerstandsdaling bij 9% verplaatsing. Bijgevolg zijn de AgNW's en MN's in een massaverhouding van 1:1 de hoogste MN's-hoeveelheid die we in dit werk hebben ontworpen, en de sensor op basis van de AgNW's en MN's in een massaverhouding van minder dan 1:1 is niet-geleidend zodra deze wordt uitgerekt. De resultaten van figuur 5 laten zien dat de synergetische effecten van de AgNW's en MN's in bepaalde verhoudingen de gevoeligheid en het spanningsbereik vergroten.

De relatieve weerstandsveranderingen van de sensoren op basis van AgNW's &​​MN's in massaverhouding van a 1:0, b 5:1, c 2:1, en d 1:1 met vervorming

De MN's kunnen onder magnetisch veld dichterbij komen, dus magnetostrictie kan leiden tot het krimpen van de sensoren. Om de interactie van AgNW's en MN's in de sensoren tijdens het krimpen te karakteriseren, hebben we de weerstandsverandering tijdens het krimpen gemeten en de experimentele resultaten worden getoond in Fig. 6. Figuur 6a laat zien dat de AgNWs-gebaseerde sensor geleidend is in het proces van krimpen en herstellen wanneer de contractielengte binnen 1,6% van de oorspronkelijke lengte ligt en de hoogste GF 13,75 is; AgNW's ingebed in PDMS-contact met elkaar tijdens het krimpproces, wat leidt tot de toename van geleidingspaden. Daarom neemt de weerstand af naarmate de contractiekracht toeneemt. Door de afname van de afstand tussen AgNW's in de sensor, overlappen steeds meer nanodraden, waardoor de weerstand van de sensor afneemt. Toen we de MN's in AgNW's introduceerden, illustreert figuur 6b dat de krimpkarakteristieken van het flexibele apparaat gebaseerd zijn op de AgNW's en MN's in een massaverhouding van 5:1. De weerstand van de sensor verandert met het krimpbereik is 2,5% van de oorspronkelijke lengte en de hoogste GF is 24. In wezen is dezelfde verandering in weerstand ook van toepassing op sensoren op basis van de AgNW's &​​MN's in een massaverhouding van 2:1 en 1:1, die wordt getoond in Fig. 6c, d. Door de massaverhouding van MN's in een gevoelige eenheid te vergroten, verandert de weerstand van de sensor op basis van de AgNW's en MN's in een massaverhouding van 2:1 wanneer het krimpbereik binnen 1,6% van de oorspronkelijke lengte ligt en de GF 21.875 is. Tegelijkertijd nam de weerstand van sensoren op basis van de AgNW's en MN's in massaverhouding van 1:1 ook af wanneer het krimpbereik binnen 2,8% van de oorspronkelijke lengte ligt en de GF 20,35 is. Geconcludeerd kan worden dat de weerstandsverandering van de sensor op basis van de AgNW's &​​MN's in massaverhouding van 5:1 met krimp groter is dan die van de andere drie sensoren, en dat de gevoeligheid het grootst is. In tegenstelling tot het rekproces neemt de weerstand van alle sensoren af ​​naarmate de contractie langer duurt. Wanneer AgNW's en MN's in massaverhouding 5:1 zijn, heeft de sensor de hoogste gevoeligheidscoëfficiënt tijdens het contractieproces, waarvan de hoogste GF 24 is. In vergelijking met Fig. 6a-d, verbindt minder aantal MN's de geleidende paden gemakkelijker omdat er meer zijn ruimte voor de materialen die bewegen als krimpen, wat in strijd is met de resultaten van Fig. 5. Dienovereenkomstig is de GF van de sensor op basis van de AgNW's en MN's in massaverhouding van 5:1 het hoogst bij krimpen. De resultaten van figuur 6 laten zien dat de synergetische effecten optreden wanneer AgNW's en MN's in een grotere verhouding staan.

De relatieve weerstandsveranderingen van de sensoren op basis van AgNW's &​​MN's in massaverhouding van a 1:0, b 5:1, c 2:1, en d 1:1 met krimp

In verschillende magnetische velden worden verschillende weerstandsveranderingen van de flexibele magnetische sensor getoond in Fig. 7. De weerstand van de op AgNWs gebaseerde sensor is 41,58 Ω. Zoals weergegeven in figuur 7a, plaatsen we de sensor op basis van pure AgNW's in een geleidelijk toenemend magnetisch veld, en de weerstand van de sensor verandert als deze dienovereenkomstig trilt. Door het magnetostrictieve effect van de metalen materialen is de weerstand van de sensor iets veranderd. De maximale weerstandsveranderingssnelheid is 0,037 wanneer de magnetische veldsterkte 0,4 T is. De weerstand van de sensor op basis van de AgNW's en MN's in een massaverhouding van 5:1 neemt ook af naarmate de magnetische veldsterkte toeneemt, zoals weergegeven in figuur 7b. Vergeleken met de sensor zonder MN's, is de weerstandsverandering van de sensor op basis van de AgNW's &​​MN's in massaverhouding van 5:1 met magnetische veldverandering meer voor de hand liggend. Wanneer de magnetische veldsterkte 0,4 T is, is de maximale weerstandsverandering 0,28. In Fig. 7c, d, dezelfde toepassing op de sensoren op basis van de AgNW's en MN's in een massaverhouding van 2:1 en 1:1, en de weerstandsveranderingen zijn 0,14 en 0,19 naarmate het magnetische veld respectievelijk toeneemt. De gevoeligheid van de sensor op basis van de AgNW's en MN's in massaverhouding van 5:1 is het hoogst, en de continue weerstandsvariatie met magnetisch veld werd getoond in Fig. 8. De vergelijking van de parameters van de reksensoren op basis van verschillende verhoudingen van MN's en AgNW's wordt weergegeven in tabel 1.

De weerstand verandert in verschillende magnetische velden

De relatie tussen weerstand en verschillende magnetische velden

Er kan worden berekend dat de gevoeligheid van de magneetveldsensor 24,14 Ω/T is. Concluderend, wanneer de massaverhouding van MN's en AgNW's 1:5 is, is de reactie van de sensor op het veranderende magnetische veld het meest gevoelig met een gevoeligheid van 24,14 Ω/T. De flexibele magneetveldsensor die in dit werk is verkregen, kan verder worden toegepast bij detectie van de intensiteit van het magnetische veld. De testresultaten van deze toepassing komen overeen met het krimpproces van de sensor bij het vergelijken van de resultaten in Fig. 7 en 8. Dit betekent dat de nanomaterialen in de sensoren samen bewegen wanneer ze in een magnetisch veld worden geplaatst. De mechanismeanalyse verklaart in detail als volgt.

Om de weerstandsvariaties van de sensoren tijdens verschillende magnetische veldintensiteiten te begrijpen, stellen we een eenvoudig model voor om het werkingsprincipe van de sensor te beschrijven, zoals weergegeven in Fig. 9. Talrijke AgNW's en MN's in PDMS vormen een geleidend netwerk. De geleidende paden gevormd door AgNW's en MN's zonder magnetisch veld worden weergegeven als de rode lijnen in figuur 9a. De MN's zijn meestal uniform gerangschikt onder een magnetisch veld, wat wordt weergegeven in figuur 9b. Er is echter weinig ruimte voor de positieverandering van de MN's, dus alleen de richtingen van MN's veranderen met magnetische veldlijnen. De hogere magnetische veldintensiteit staat voor een grotere kracht van de MN's die de netwerkbeperkingen van de AgNW's kunnen overwinnen. De richting van de beweging van de MN's zorgt ervoor dat de Ag NW's samenkomen, wat de reden is voor de toename van het aantal geleidende paden. Meer geleidende paden betekenen meer elektronenoverdracht, wat leidt tot een lagere weerstand, de weerstand neemt op deze manier af met de toename van de magnetische veldintensiteit.

Schematisch detectiemodel van op AgNWs &MNs-PDMS gebaseerde zachte magnetische veldsensor