Geavanceerde Flexibele Magnetische Veld Sensor Met Ag Nanodraden en Magnetische Nanodeeltjes-Geladen PDMS

Samenvatting

Achtergrond

Flexibele elektronische apparaten hebben recentelijk enorme aandacht getrokken vanwege hun gemakkelijke interactie en lange-termijn monitoring mogelijkheden. Ze worden een van de meest veelbelovende elektrische sensoren vanwege voordelen zoals licht gewicht, draagbaar, uitstekende elektrische eigenschappen, en hoge integratie. Ongetwijfeld spelen nanomaterialen een onvervangbare rol in flexibele sensoren vanwege hun uitstekende eigenschappen, zoals kleine afmetingen, oppervlakte-effect, en kwantum tunnel effect. Op basis van het resonantie tunnel effect van nanomaterialen, richten veel onderzoeken zich op piezoresistieve rek-sensoren wier weerstand verandert met deformatie. Een van de sleuteltoepassingen van zachte reksensoren is flexibele elektronische huid, dus multi-functionaliteit is de ontwikkelingsrichting van de sensoren. Sommige rapporten verklaerden het toevoegen van temperatuur en vochtigheid sensormodules in de reksensor arrays.

Naast rek, temperatuur, en vochtigheid meting, hebben de elektronische huid sensor arrays dringend behoefte aan enkele nieuwe functies. Met andere woorden, meer functies maken de elektronische huid intelligenter. Onder de nieuwe functies is magnetische veldmeting een nieuwe toepassing. Het moet worden vermeld dat alleen de zachte magnetische veldsensor gebruikt kan worden als module voor elektronische huid in de toekomst. Omdat zachte magnetische veldsensoren in meer complexe gebieden gebruikt kunnen worden gebaseerd op hun flexibiliteit en elasticiteit, werken sommige onderzoekers op dit gebied. Chlaihawi et al. produceerden ME flexibele dunne film sensor voor H_ac sensing toepassingen. Jogschies et al. onderzochten dunne NiFe 81/19 polyimide lagen voor magnetische veldmeting. Tekgül et al. pasten CoFe/Cu magnetische meervoudige lagen toe op GMR sensoren. Melzer et al. rapporteerden flexibele magnetische veldsensoren die berusten op het Hall-effect. Een aantal flexibele optische magnetische veldsensoren zijn ook bestudeerd. In vergelijking met traditionele magnetische veld detectors, zijn flexibele magnetische veldsensoren gemakkelijker toe te passen en ze zijn kleiner en meer geschikt voor detectie in complexe omgevingen. Echter, studies over zachte magnetische veldsensoren voor multi-functionele elektronische huid zijn zelden gerapporteerd voor zover we weten.

Vanwege de uitstekende elektronische en magnetische eigenschappen van de Ag NWs en MNs (Ni-Fe) respectievelijk, stelt dit papier het ontwerp en de meting van flexibele AgNWs & MNs-PDMS magnetische veldsensoren met sandwichstructuur voor, gebaseerd op magnetostrictieve en piezoresistieve effecten. MNs werden geïntroduceerd als magnetische veld-gevoelige eenheden in AgNWs-gebaseerde piezoresistieve reksensor. De verschillende magnetostrictieve deformatie van de AgNWs & MNs-PDMS-gebaseerde sensor veroorzaakt de verschillende weerstandsvariaties. Na karakterisering van de nanomaterialen, werden drie verschillende massaverhoudingen van MNs en AgNWs (AgNWs & MNs; 1:1, 1:2, 1:5) gebruikt om flexibele magnetische veldsensoren te prepareren. Voordat de magnetische veldmetingseigenschappen van de sensoren werden onderzocht, werden de relaties tussen weerstandsveranderingen en rekken of krimpen bestudeerd om de interactie van MNs en AgNWs te concluderen. Op basis van de karakteriseringsresultaten kan de magnetische veldsensor verkregen in dit werk in de toekomst worden toegepast op multi-functionele elektronica.

Methoden

Bereiding van Flexibele Sensoren

MNs werden gesynthetiseerd door latex compounding methode. De diameter en lengte van de AgNWs (welke gekocht werden van Changsha Weixi New Material Technology Corporation, China, in lengte) zijn 50 nm en 20 μm, respectievelijk. Verschillende verhoudingen van MNs en AgNWs werden gekozen om het juiste hoeveelheid nanomaterialen te onderzoeken. Dus, MNs en AgNWs in massaverhouding van 0:1, 1:5, 1:2, en 1:1 werden ultrasonisch gedispergeerd in absolute ethanol. Figuur 1 toont het schematische van het fabricageproces van de sensor. Het PDMS elastomeer en vernetter in massaverhouding van 10:1 werd op het substraat gedropt met een rechthoekige tape geplakt. Na verhit bij 70 °C gedurende 2 uur, werd het PDMS met groef afgehild en in vereiste vorm gesneden, en de groefgrootte is 30 mm × 5 mm. Vier monsters van AgNWs & MNs in verschillende verhoudingen werden respectievelijk in de nopen van de PDMS films gevuld. Twee zachte koperen elektroden werden aan beide kanten geïnstalleerd, en vervolgens werd PDMS erboven gedropt om de elektroden en nanomaterialen te fixeren. Na verhit bij 70 °C gedurende 2 uur, werden de sensoren verkregen.

Karakterisering

AgNWs & MNs met verschillende mengverhoudingen werden gekarakteriseerd via scanning elektronenmicroscoop (SEM, S4700 SEM Hitachi Corporation, Tokyo, Japan). De componenten van AgNWs & MNs in verschillende massaverhoudingen werden gekarakteriseerd door XRD metingen (Bruker D8 Advance) met Cu K straling van golflengte 1,5406 Å.

De stroom-spanning curven werden gemeten door de Keithley 2400 Source Meter bij kamertemperatuur (de kamertemperatuur was 25 °C). Rekexperimenten werden uitgevoerd op het rekplatform (Zolix TSM25-1A en Zolix TSMV60-1 s, Zolix Corporation, Beijing, China), en de weerstand van de sensoren werd gemeten door Keithley 2400 Source Meter. Magnetische veldmeting experimenten werden genomen wanneer de flexibele sensor vastgezet was in verschillende magnetische velden. De magnetische veldintensiteit begon bij 0 T en nam toe met 0,1 T.

Resultaten en Discussie

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

De SEM afbeeldingen van AgNWs & MNs worden getoond in Fig. 3. De zuivere Ag NWs met 20 μm in lengte en 50 nm in diameter vormen een lineair netwerk wat waargenomen kan worden in Fig. 3a. De morfologieën van AgNWs & MNs in massaverhouding van 5:1, 2:1, en 1:1 worden getoond in Fig. 3b–d. Kleine hoeveelheden MNs tussen Ag NWs kunnen waargenomen worden in Fig. 3b. De netwerken in Fig. 3c zijn duidelijker spaarzaam vergeleken met Fig. 3a, b. Bovendien kan de buiging van de AgNWs en meer MNs in Fig. 3d gezien worden. De geleidende netwerken die gebouwd worden door AgNWs en de hoeveelheid MNs nemen duidelijk toe in Fig. 3a–d. Uniforme menging van Ag NWs en MNs, getoond in Fig. 3a–d, spelen een verbindende rol voor het verhogen van de gevoeligheid van sensoren bij rekken of krimpen. De rollen die AgNWs en MNs spelen, kunnen worden verklaard door de resultaten in Fig. 3.

De I-V curven van de sensoren gebaseerd op AgNWs & MNs in massaverhouding van 1:0, 5:1, 2:1, en 1:1 worden getoond in Fig. 4. De vier curven zijn alle gladde rechte lijnen, wat vertegenwoordigt dat de vier sensoren significante ohmse kenmerken vertonen. Het verklaart dat deze sensoren geleidend en stabiel zijn zonder deformatie.

Het kan berekend worden uit Fig. 4a dat de weerstand van de sensor 41,58 Ω is wanneer de gevoelige eenheid zuivere AgNWs is. De weerstanden van de sensoren gebaseerd op AgNWs & MNs in massaverhouding van 1:0, 5:1, 2:1, en 1:1 zijn 30,2 Ω, 5,04 Ω, en 2,87 Ω zoals getoond in Fig. 4b–d. Het toont een dalende weerstand trend toen MNs geïntroduceerd werden in de gevoelige cellen. Door de weerstanden van de vier sensoren te vergelijken, kan geconcludeerd worden dat de weerstanden van flexibele magnetische veldsensoren afnemen met de toenemende verhouding van MNs, en de minimale weerstand treedt op bij de sensor met AgNWs & MNs in massaverhouding van 1:1. Het kan ook bewijzen dat het mengen van AgNWs & MNs in een bepaalde verhouding helpt om de weerstand te verlagen, omdat de geleidende componenten van de MNs meer geleidende paden in de netwerken leidden.

De relaties tussen weerstandsveranderingen, en rekken of krimpen werden bestudeerd om de interactie tussen MNs en AgNWs tijdens deformatie te concluderen. De relatieve weerstandsveranderingen van de AgNWs & MNs-gebaseerde sensoren met uitrekking bij kamertemperatuur worden getoond in Fig. 5a–d. De weerstandsverandering tijdens het rekproces wordt voorgesteld door zwarte curven, en de verandering van weerstand tijdens het loslaatproces wordt geplot door rode curven. ΔR en R₀ vertegenwoordigen de relatieve weerstandsverandering onder de deformatie en de initiële weerstand van de sensor, en L₀ en ΔL vertegenwoordigen de initiële lengte en de relatieve utrekking van het axiale monster van de sensor. De gauge factor van de sensoren kan berekend worden door de vergelijking van gauge factor (GF) = ΔR/R₀: ΔL/L₀. Figuur 5a toont dat de AgNWs-gebaseerde sensor geleidend is in het rek- en herstelproces wanneer de treklengte binnen 7,12% van de oorspronkelijke lengte is, en de GF is 129,6. De weerstand neemt toe tijdens rekken. Dit kan toegeschreven worden aan de toename in de ruimte tussen AgNWs in de sensor tijdens deformatie, tunnelkanalen, en geleidend pad vermindert op deze manier. Het omgekeerde proces veroorzaakte de afname van de weerstand tijdens krimpen. Toen de MNs geïntroduceerd werden in de gevoelige eenheid, veranderen de reksensor eigenschappen van het flexibele apparaat ook. De weerstand van de sensor gebaseerd op AgNWs & MNs in massaverhouding van 5:1 verandert bijna lineair wanneer het rekbereik binnen 4,4% van de oorspronkelijke lengte is in Fig. 5b. Wanneer de treklengte meer dan 3,9% van de oorspronkelijke lengte is, treden hogere toenames van weerstand op. De GF van de sensor stijgt tot 257, wat betekent dat de gevoeligheid van de sensor toegenomen is vergeleken met de sensor gebaseerd op zuivere AgNWs. Echter, het reikbereik wordt niet verbeterd door MNs participatie in massaverhouding van 5:1, wat waargenomen kan worden in Fig. 5a, b. Figuur 5c demonstreert dat de weerstand van sensor gebaseerd op AgNWs & MNs in massaverhouding van 2:1 lineair verandert wanneer het rekbereik binnen 8,7% van de oorspronkelijke lengte is, en de GF van de sensor is 264,4, wat hoger is dan die van de sensoren gebaseerd op AgNWs & MNs in massaverhouding van 1:0 en 5:1. In Fig. 5d, verandert de weerstand van de sensor gebaseerd op AgNWs & MNs in massaverhouding van 1:1 lineair wanneer het rekbereik binnen 9% van de oorspronkelijke lengte is. Wanneer de treklengte meer dan 9% van de oorspronkelijke lengte is, verandert de weerstand aanzienlijk, en de GF is 222,2. Samenvattend, de flexibele magnetische veldsensor gebaseerd op AgNWs & MNs in massaverhouding van 2:1 toont de grootste GF van 264,4, en het heeft een relatief groot rekbereik. Bovendien reageert deze sensor gevoeliger naarmate de spanning toeneemt, de weerstandsverandering heeft een betere lineaire relatie ook. Op basis van het hoofdbestanddeel van de MNs is FeCo, wat een geleidend legering is. Deze vier soorten sensoren vergeleken, hoe meer MNs participatie, hoe meer geleidende paden in de gevoelige eenheden tijdens rekken. Echter, hogere verhouding van MNs in Ag NWs & MNs in dezelfde kwaliteit betekent minder hoeveelheid Ag NWs aanwezig, wat schadelijk is voor de stabiliteit van het geleidende netwerk tijdens deformatie. Dat is de reden van de relatieve weerstandsgijzeling bij 9% verplaatsing. Gevolgd, de AgNWs & MNs in massaverhouding van 1:1 is de hoogste MNs hoeveelheid die we in dit werk ontworpen, en de sensor gebaseerd op de AgNWs & MNs in massaverhouding minder dan 1:1 is niet-geleidend zodra rekken. De resultaten van Fig. 5 tonen aan dat de synergistische effecten van de AgNWs en MNs in bepaalde verhoudingen gevoeligheid en reikbereik verhogen.

De MNs kunnen dichter bij elkaar komen onder magnetisch veld, dus magnetostrictie kan leiden tot de krimp van de sensoren. Om de interactie van AgNWs en MNs in de sensoren tijdens krimpen te karakteriseren, maatten we de weerstandsverandering tijdens krimpen, en de experimentele resultaten worden getoond in Fig. 6. Figuur 6a toont dat de AgNWs-gebaseerde sensor geleidend is in het krimp- en herstelproces wanneer de krimplengte binnen 1,6% van de oorspronkelijke lengte is, en de hoogste GF is 13,75; AgNWs in PDMS ingesloten contacteren samen tijdens krimpproces, wat leidt tot de toename van geleidingspaden. Daarom daalt de weerstand naarmate de krimpkracht toeneemt. De afname in de ruimte tussen AgNWs in de sensor, steeds meer nanodraden overlappen, resulterend in afname van de sensor weerstand. Toen we de MNs in AgNWs introduceerden, illustreert Fig. 6b de krimpkenmerken van het flexibele apparaat gebaseerd op de AgNWs & MNs in 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, geldt dezelfde weerstandsverandering ook voor sensoren gebaseerd op de AgNWs & MNs in massaverhouding van 2:1 en 1:1, wat getoond wordt in Fig. 6c, d. Het verhogen van de massaverhouding van MNs in gevoelige eenheid, verandert de weerstand van sensor gebaseerd op de AgNWs & MNs in massaverhouding van 2:1 wanneer het krimpbereik binnen 1,6% van de oorspronkelijke lengte is, en de GF is 21,875. Tegelijkertijd, daalde de weerstand van sensoren gebaseerd op de AgNWs & MNs in massaverhouding van 1:1 toen het krimpbereik binnen 2,8% van de oorspronkelijke lengte was, en de GF is 20,35. Het kan geconcludeerd worden dat de weerstandsverandering van de sensor gebaseerd op de AgNWs & MNs in massaverhouding van 5:1 met krimp groter is dan die van de andere drie sensoren, en de gevoeligheid is het grootst. In tegenstelling tot het rekproces, daalt de weerstand van alle sensoren naarmate de lengte van de krimp toeneemt. Wanneer AgNWs & MNs in massaverhouding 5:1 is, heeft de sensor de hoogste gevoeligheidscoëfficiënt tijdens het krimpproces, wiens hoogste GF is 24. Vergelijking Fig. 6a–d, minder hoeveelheid MNs verbinden de geleidende paden makkelijker omdat er meer ruimte is voor de materialen te bewegen bij krimpen, wat tegengesteld is aan de resultaten van Fig. 5. Volgens de resultaten van Fig. 6 treedt het synergistische effect op wanneer AgNWs en MNs bij grotere verhouding.

In verschillende magnetische velden, tonen verschillende flexibele magnetische sensor weerstandsveranderingen in Fig. 7. De weerstand van de AgNWs gebaseerde sensor is 41,58 Ω. Zoals getoond in Fig. 7a, zetten we de sensor gebaseerd op zuivere AgNWs in een geleidelijk toenemend magnetisch veld, en de weerstand van de sensor verandert naar gelang het trilt. Vanwege het magnetostrictieve effect van de metaalmaterialen, verandert de weerstand van de sensor licht. De maximale weerstandsveranderingssnelheid is 0,037 wanneer de magnetische veldsterkte 0,4 T is. De weerstand van sensor gebaseerd op de AgNWs & MNs in massaverhouding van 5:1 daalt ook met de magnetische veldsterkte toenemend zoals getoond in Fig. 7b. Vergeleken met de sensor zonder MNs, is de weerstandsverandering van de sensor gebaseerd op de AgNWs & MNs in massaverhouding van 5:1 met magnetische veldverandering duidelijker. Wanneer de magnetische veldsterkte 0,4 T is, is de maximale snelheid van weerstandsverandering 0,28. In Fig. 7c, d, dezelfde toepassing op de sensoren gebaseerd op de AgNWs & MNs in massaverhouding van 2:1 en 1:1, en de weerstandsveranderingen zijn 0,14 en 0,19 naarmate het magnetische veld toeneemt respectievelijk. De gevoeligheid van de sensor gebaseerd op de AgNWs & MNs in massaverhouding van 5:1 is de hoogste, en de continue weerstandsvariatie met magnetisch veld werd getoond in Fig. 8. De vergelijking van de parameters van de reksensoren gebaseerd op verschillende verhoudingen van MNs en AgNWs wordt gepresenteerd in Tabel 1.

Het kan berekend worden dat de gevoeligheid van de magnetische veldsensor 24,14 Ω/T is. Concluderend, wanneer de massaverhouding van MNs en AgNWs 1:5 is, is de sensor respons op het veranderende magnetische veld het meest gevoelig met een gevoeligheid van 24,14 Ω/T. De flexibele magnetische veldsensor verkregen in dit werk kan verder worden toegepast op detectie van de intensiteit van het magnetische veld. De testresultaten van deze toepassing corresponderen met het krimpproces van de sensor bij vergelijking van de resultaten in Fig. 7 en 8. Dit betekent dat de nanomaterialen in de sensoren samen bewegen wanneer ze in magnetisch veld geplaatst worden. Het 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 getoond in Fig. 9. Tallose AgNWs en MNs in PDMS vormen een geleidend netwerk. De geleidende paden gevormd door AgNWs en MNs zonder magnetisch veld wordt getoond als de rode lijnen in Fig. 9a. De MNs neigen ertoe uniform gerangschikt te worden onder magnetisch veld, wat getoond wordt in Fig. 9b. Echter, er is minieme ruimte voor de positieverandering van de MNs, dus alleen de richtingen van MNs veranderen met magnetische veldlijnen. Hogere magnetische veldintensiteit staat voor grotere kracht van de MNs die de netwerkbeperkingen van de AgNWs kunnen overwinnen. De richting van de beweging van de MNs zorgt ervoor dat de Ag NWs bijeen verzamelen, wat de reden is voor de toename in aantal geleidende paden. Meer geleidende paden betekenen meer elektronenoverdracht, wat leidt tot lagere weerstand, de weerstand daalt met de toename van magnetische veldintensiteit op deze manier.

Conclusies

Het apparaat ontworpen in dit papier voldoet aan de ontwikkelingsrichting van flexibele elektronica. Een flexibele magnetische veldsensor gebaseerd op AgNWs & MNs-PDMS met sandwichstructuur werd bestudeerd in dit werk. Gebaseerd op SEM en XRD karakterisaties, werden de componenten en morfologieën van de verschillende verhoudingen van nanomaterialen bepaald. Vervolgens werden de stroom-spanning curven en weerstandsveranderingen van de sensoren gebaseerd op AgNWs & MNs in massaverhouding van 1:0, 5:1, 2:1, en 1:1 met rek en krimpen respectievelijk gemeten. De interactie tussen de AgNWs en MNs tijdens deformatie werd geconcludeerd door de karakteriseringsresultaten. Vervolgens werden sensoren gebaseerd op verschillende massaverhoudingen van MNs en AgNWs onderzocht voor magnetische veldmetingseigenschappen. Wanneer de massaverhouding van AgNWs en MNs 5:1 is, toont de geproduceerde sensor de hoogste gevoeligheid van 24,14 Ω/T. De experimentele resultaten tonen aan dat de sensor krimpt met de magnetische veldintensiteit toenemend. Bovendien werden het magnetostrictieve en piezoresistieve sensormodel opgesteld om het mechanisme van deze sensor te verkennen.

Afkortingen

AgNWs:

Ag Nanodraden

GF:

Gauge factor

MNs:

Magnetische nanodeeltjes

PDMS:

Polydimethylsiloxaan

SEM:

Scanning elektronenmicroscoop

XRD:

Röntgen diffractie