Zilvergecoate CNT-golfnetwerk: Verhoogde gevoeligheid voor draagbare straksensoren

Samenvatting

Zachte straksensoren worden steeds vaker toegepast in diverse velden, waaronder draagbare sensoren, gedragsmonitoring en electrofysiologische diagnostiek. Toch blijft de functionaliteit van deze sensoren beperkt door de uitdaging om hoge gevoeligheid, een groot dynamisch bereik en laag energieverbruik te combineren. In dit onderzoek richten we ons op het verbeteren van de gevoeligheid en het strakbereik van zachte straksensoren door optimalisatie van structuur, oppervlak en gevoelige eenheden. Nanosilver (Ag)-gecoate hydroxyle-gefunctionaliseerde multiwandige koolstofnanobuisjes (OH-f MWCNTs) werden onderzocht voor ultrascherpe sensing. Met rek- en depositiemethoden werden Ag@OH-f MWCNTs en polydimethylsiloxaan (PDMS) geïntegreerd in een gegolfde en sandwichstructuur voor een zachte straksensor. De elektronische eigenschappen toonden een gauge factor (GF) = ΔR/R₀ van 412,32 en een strakbereik van 42,2%. Bovendien vertoont de sensor flexibiliteit, is ultralicht en biedt een zeer comfortabele draagervaring. Tenslotte kunnen fysiologische en gedragskenmerken worden gemonitord door de uitzonderlijke weerstandsverandering, waaronder ademhalingsdetectie en herkenning van gezichts- en handbewegingen. Het experiment toont de superioriteit van de sensor in termen van hoge gevoeligheid en een uitgebreid sensorbereik.

Inleiding

Sensoren spelen een cruciale rol in medische diagnostiek, met name flexibele sensoren die haalbaarheid en rekbaarheid bieden voor langdurige gezondheidsmonitoring [1-8]. In de laatste jaren hebben zachte straksensoren het toepassingsbereik van flexibele sensoren verbreed, zoals cochleaire implantaten [9], cerebrale cortex-bestuurde prothesen [10], elektronische huidtast [11] en diverse andere toepassingen [12-16]. Het is daarom essentieel om de prestaties op gebied van selectiviteit, gevoeligheid en respons te verbeteren om te voldoen aan de eisen van geavanceerde gezondheidszorgtoepassingen.

De continue ontwikkeling van draagbare flexibele straksensoren heeft recentelijk anmerkelijk aan populariteit gewonnen [17-23]. Zilver (Ag) nanomaterialen en koolstofnanomaterialen trekken de aandacht van onderzoekers vanwege hun uitstekende elektrische en mechanische eigenschappen, lage kosten en hoge stabiliteit [16, 24-26]. Straksensoren met een sandwichstructuur, gelamineerd met een Ag-nanodraadnetwerk en een PDMS-elastomeer, tonen bewuste kenmerken van elektrische geleiding en gevoeligheid [16, 24-26]. Op koolstofnanomaterialen gebaseerde straksensoren bezitten unieke transparantie en stabiliteit [20, 27-29]. Deze sensoren kunnen worden geoptimaliseerd door de voordelen van Ag en koolstofnanomaterialen te integreren. Een sandwichstructuurstraksensor met een synergistisch grafene/Ag-nanodeeltje (AgNP) geleidend netwerk werd ontwikkeld, waarbij de AgNP in situ gevormd werd en grafenenanosheets fungeerden als geleidende bruggen voor uitstekende initiële geleiding en hoge draagbaarheid [30]. Shuqi Liu et al. maakten een flexibele straksensor met een geleidende composietlaag door vloeibaar PDMS op polymermicrosferen, een mengsel van grafeneoxide en Ag-nanodraden te gieten [31]. Echter, de combinatie van Ag en koolstofnanomaterialen verlaagt de rekbaarheid van het uiteindelijke nanocomposiet, wat de praktische toepassing in zachte straksensoren beperkt. Volgens eerdere studies met koolstofnanobuisjes (CNTs) en AgNPs [32] is de afname van rekbaarheid gerelateerd aan de lage bindingsenergie tussen Ag en koolstofnanomaterialen.

In dit werk gebruikten we OH-f MWCNTs om de bindingsenergie tussen CNTs en Ag te verhogen [33], en bouwden we een zachte straksensor gebaseerd op het nieuwe Ag@OH-f MWCNT-nanocomposiet met een innovatief gegolfd structuurontwerp. De combinatie van bindingsenergie en structuur maakt de zachte verandering gevoelig en minder weerstand. Ag@OH-f MWCNT-nanocomposieten werden bereid door nanosilverdeeltjes direct op het oppervlak van CNTs te reduceren. De componenten werden bevestigd en hun morfologie gekarakteriseerd met scanning elektronenmicroscopie (SEM) en transmissie elektronenmicroscopie (TEM). Zachte straksensoren met gegolfde en sandwichstructuren werden vervaardigd via voorrekken, oppervlaktebehandeling en depositiemethoden met nanocomposieten en PDMS. De elektronische kenmerken en piezoresistieve effecten werden geanalyseerd. Tenslotte werd de sensor toegepast in een draagbare ademhalingsdetector en getest op gezichtsuitdrukkingsherkenning.

Methoden

Synthese en karakterisering van Ag@OH-f MWCNTs

Het Ag@OH-f MWCNT-composiet werd verkregen via een eenvoudige reductiemethode. Eerst werden 0,5 mg OH-f MWCNTs (aangekocht bij Chengdu Organic Chemicals Co. Ltd.) gedispergeerd in 300 mL zilvernitraat-oplossing (AR, 3 × 10⁻² M). Het mengsel werd vervolgens verwarmd tot 120 °C met magnetische roering in een olieband. Vervolgens werden 10 mL natriumcitraat-oplossing (AR, 1 wt%) toegevoegd. Tot slot werd het mengsel nog 1 uur verder verhit en geroerd.

De karakterisering van Ag@OH-f MWCNTs werd uitgevoerd via SEM en TEM. SEM-beelden werden gemaakt met een scanning elektronenmicroscoop (JEOL S4700, Japan). TEM-waarnemingen werden uitgevoerd op een JEOL JEM-1200EX (Japan) elektronenmicroscoop.

Sensorbereiding

Het fabricatieproces van de sensor is weergegeven in Fig. 1. PDMS-film werd verkregen door ontgassing en vertering (75 °C gedurende 1 uur) van het mengsel van PDMS-elastomeer en vernetter. De PDMS-film werd afgehield en op 110% gerekt, vastgezet met lijmtape met een rechthoekig gat. Na oppervlaktebehandeling met Schwarze P3C gedurende 300 s, werd de Ag@OH-f MWCNT-oplossing in het rechthoekige gat van de gerekte PDMS-film gedroogd. De lijmtape werd verwijderd en twee koperen elektroden op de nanocomposieten geplakt. PDMS-oplossing werd erbovenop gedroogd en 1 uur bij 75 °C verhit om de verbinding tussen nanocomposieten en elektroden te versterken. De Ag@OH-f MWCNT-gebaseerde zachte straksensor met gegolfde structuur werd verkregen na het loslaten van de voorspanning. Een sensor zonder oppervlaktebehandeling werd ter vergelijking bereid.

Sensingmeting

Om de stroom-spanningskarakteristieken te bestuderen, werden I-V-krommen van de sensor gemeten met een digitale oscilloscop (Keithley 2400) bij kamertemperatuur. Twee uiteinden van de sensor werden bevestigd aan gemotoriseerde verplaatsingstrappen (Zolix TSM25-1A en Zolix TSMV60-1s), en de weerstand van de sensor werd gemeten. De straksensingkarakteristieken werden getest door de motoriseerde trapjes te besturen.

Toepassingsmeting

Een draagbare ademhalingsdetector werd opgezet om de Ag@OH-f MWCNT-gebaseerde zachte straksensor te verifiëren, verkregen door het circuit te verbinden en in te kapselen. De detector werd getest met de sensor in contact met de buik van de proefpersoon. De gezichtsuitdrukkingsherkenning werd gemeten door de sensor op verschillende delen van het gezicht van de proefpersoon te plaatsen.

Resultaten en discussie

De morfologie van het Ag@OH-f MWCNT-nanocomposiet en de dwarsdoorsnede van de sensor werden gekarakteriseerd met SEM en TEM. De lengte en diameter van de CNTs zijn respectievelijk 1,25 ± 0,75 μm en 40 ± 10 nm. Ag werd na synthese op de CNTs gecoate, zoals getoond in de TEM-beeld (Fig. 2a). Een hoogresolutie transmissie elektronenmicroscoop (HRTEM) beeld toonde het kristallijne rooster duidelijk (Fig. 2b). De roosterruimte van 0,224 nm wijst op de laagste oppervlakte-energie tijdens Ag-kristallisatie in de richting (111). De morfologie van het nanocomposiet is zichtbaar in de SEM-beeld (Fig. 2c). In het synthetische proces werden zilverionen van AgNO₃ elektrostatisch geconcentreerd door de hydroxylegroepen van OH-f MWCNTs en daarna gereduceerd tot Ag-atomen. De atomen kristalliseren langs de CNTs en vormden uiteindelijk uitstulpende kettingvormige nanocomposieten met een diameter van 200 ± 100 nm.

De PDMS werd voorgerekt voor de oppervlaktebehandeling, en de gegolfde structuur ontstond na het loslaten van de PDMS, zoals getoond in Fig. 3a. De oppervlaktebehandeling van PDMS werd uitgevoerd met hoogenergetische zuurstofplasma. Het einde van de molecuulketten veranderde van –Si–CH₃ naar –Si–OH, waardoor het PDMS-oppervlak van hydrofoob naar hydrofiel werd [34]. Figuur 3b en 3c tonen aan dat de watercontacthoeken van PDMS voor en na zuurstofplasma-oppervlaktebehandeling respectievelijk 91,6° en 47,9° bedroegen. De verbeterde hydrofiliciteit verhoogde de bindingsaffiniteit tussen PDMS en het nanocomposiet.

Na combinatie van PDMS en het nanocomposiet werd een extra PDMS-laag toegevoegd om de bovenkant te bedekken, wat voorkomt dat het nanocomposiet denatureert of loslaat. Het Ag@OH-f MWCNT-nanocomposiet met gegolfde structuur in de tussenlaag werd aangetoond met SEM, zoals getoond in Fig. 2d. De vorming van de golflaag transformeert de kettingvormige nanocomposietlaag van een vlakke naar een driedimensionale structuur. Wanneer de sensor vervormt door externe spanning, rekken de golven terug en wordt het nanomateriaallaag voortdurend gerekt, wat het rekbereik uitbreidt en stabiele sensing mogelijk maakt.

Interessant genoeg was de geleiding van de gegolfde structuur aanzienlijk verbeterd ten opzichte van een vlakke structuur, zoals gekarakteriseerd door stroom-spanningsmetingen bij kamertemperatuur (Fig. 4d en 4e). Beide sensoren vertoonden ohmisch gedrag, en de weerstanden van de sensoren met vlakke en gegolfde structuur werden berekend als respectievelijk 256,41 Ω en 53,13 Ω. We stellen dat de hoeveelheid Ag@OH-f MWCNTs, de sleutelfactor voor sensorgeleiding, 4,8 keer hoger was in de gegolfde structuur dan in de vlakke.

Relatieve weerstandsverandering is een van de belangrijkste parameters om de prestaties van een zachte straksensor te evalueren. De relatieve weerstandsveranderingen van de Ag@OH-f MWCNT-gebaseerde straksensor werden daarom onderzocht, zoals getoond in Fig. 4f en 4g, waar ΔR en R₀ de relatieve weerstandsverandering onder vervorming en de initiële weerstand van de sensor voorstellen. De relatieve weerstandsverandering voor de vlakke sensor is 4,18 bij de maximale spanning van 42% (Fig. 4f), terwijl deze 174 is voor de gegolfde sensor (Fig. 4g). Bovendien veranderde de weerstand voor de vlakke sensor bij spanning boven 30%, terwijl dit voor de gegolfde sensor al bij spanning boven 20% gebeurde. De weerstandsveranderingen traden op toen de configuratie van de Ag@OH-f MWCNT-netwerken in de PDMS begon te veranderen onder de rekspanning. Sterkere spanning scheidt de netwerken met een grotere afstand van het nanocomposiet, wat de tunnelkanalen en het aantal geleidende paden vermindert. Vervolgens definieerden we L₀ als de initiële lengte en ΔL als de relatieve utrekking onder assiale spanning. De gauge factor (GF) van de sensor kon worden berekend met de vergelijking: GF = (ΔR/R₀) / (ΔL/L₀). De GF van de straksensoren met vlakke en gegolfde structuren was respectievelijk 9,95 en 412,32. GF is een indicator van gevoeligheid voor zachte straksensoren. Vergeleken met de vlakke structuur, manifesteert de meer dan 40-voudige GF die door de gegolfde sensor wordt bereikt, het ontwerp van ons nanocomposiet en is effectief voor verdere sensingtoepassingen.

We stelden vervolgens een model voor om de weerstandsvariaties van de straksensoren met gegolfde structuur tijdens het rekproces te begrijpen, zoals getoond in Fig. 4. Figuur 4a stelt de Ag@OH-f MWCNT-gebaseerde geleidende netwerken binnen de zachte straksensor met de vrije-staat gegolfde structuur voor. De oppervlaktebehandeling van PDMS om de bindingsaffiniteit tussen het nanocomposiet en PDMS te verbeteren, was essentieel voor de configuratie en dus voor de prestaties van de sensor. Zonder behandeling was de binding van het nanocomposiet aan het hydrofobe PDMS slecht, de netwerken werden gemakkelijk ontwricht en de geleidende paden werden afgekapt door rekken (Fig. 4b). Daardoor steeg de weerstand van de sensor plotseling, veroorzaakt door de scherpe afname van tunnelkanalen en geleidende paden, wat resulteerde in een klein analytisch bereik en lage gevoeligheid. Integenstelling, na zuurstofplasma-oppervlaktebehandeling, toonde het hydrofiele PDMS een hoge affiniteit voor het nanocomposiet (Fig. 4c). Zoals gedemonstreerd in Fig. 4d, namen de tunnelkanalen en het aantal geleidende paden geleidelijk af naarmate de Ag@OH-f MWCNT-netwerken continu werden gescheiden door rekken. De gerelateerde weerstandsverandering van de sensor met PDMS-oppervlaktebehandeling was 41,63 keer groter dan zonder behandeling, wat aangeeft dat de oppervlaktebehandeling een belangrijke rol speelt bij het verbeteren van de gevoeligheid en het strakbereik van de sensor gebaseerd op het nieuwe Ag@OH-f MWCNT-composiet.

In deze studie pasten we de sensing-eenheid met hoge gevoeligheid en een relatief wijd strakbereik toe in een draagbare ademhalingsdetector (Fig. 5). De werkomgeving van de detector bij het monitoren van de ademhalingsfrequentie is getoond in Fig. 5a en 5b. De bovenaanzicht en onderaanzicht van de detector zijn getoond in Fig. 5c en 5d. De sensor werd gerekt en de weerstand nam toe bij inademen. Als gevolg was de stroom te laag om de lichtgevende diode (LED) te laten branden. Integenstelling, de LED brandde bij uitademen. Verder werd de relatieve weerstandsverandering benut voor gezichtsuitdrukkingsherkenning, zoals getoond in Fig. 5e tot 5g. De relatieve weerstandsverandering van de sensor was 4 ± 0,2 toen de proefpersoon knipperde. Toen dezelfde proefpersoon fronsde, was de relatieve weerstand identiek gewijzigd naar 5,5 ± 0,1. Interessant genoeg leidde het glimlachen tot een relatieve weerstandsverandering van 15 ± 0,5. De resultaten tonen aan dat de Ag@OH-f MWCNT-gebaseerde gegolfde sensor groot potentieel heeft voor een breed scala aan toepassingen in gezondheidszorgsensing en menselijke bewegingdetectie.

De prestaties van verschillende zachte straksensormaterialen worden vergeleken. Zoals weergegeven in Tabel 1, vertoont de gegolfde sensor gebaseerd op OH-f MWCNTs goede geleiding, verbeterde rekbaarheid, uitstekende gauge factor en stabiliteit vergeleken met straksensoren gebaseerd op andere 1D-nanomaterialen.

Conclusie

In dit artikel is een straksensor met hoge gevoeligheid en flexibiliteit ontworpen, bestaande uit PDMS en Ag@OH-f MWCNT. Ag@OH-f MWCNT-nanocomposieten werden bereid door Ag-ionen langs MWCNTs te reduceren. Het gebruik van OH-f MWCNTs is essentieel om de bindingsenergie van Ag-atomen en koolstofnanomaterialen te verhogen, wat de rekbaarheid van nanocomposieten verbetert. Tegelijkertijd is de zuurstofplasma-oppervlaktebehandeling van PDMS belangrijk voor het vervaardigen van sensoren met gegolfde structuren om stabiele en unieke sensingprestaties te bereiken. De weerstands- en piezoresistieve resultaten tonen aan dat de sensor een GF van 412 en een strakbereik van 42,2% heeft. Het gebruik van sensoren in ademhalingsfrequentietesten en gezichtsbewegingsmonitoring heeft aangetoond dat goed ontworpen sensoren met nieuwe nanocomposieten en gegolfde structuren gebruikt kunnen worden in draagbare apparaten voor diverse doeleinden.