Ultra-gevoelige draagbare druk sensoren met zilver-nanodraad gecoate stoffen

Samenvatting

Flexibele druksensoren hebben toenemende aandacht getrokken vanwege hun potentiële toepassingen in draagbare menselijke gezondheidsmonitoring en zorgsystemen. Hier presenteren we een gemakkelijke benadering voor het fabriceren van een volledig textiel-gebaseerde piezoresistieve druksensor met geïntegreerde Ag-nanodraad-gecoate stoffen. Het maakt volledig gebruik van het synergistische effect van de vezel/garen/stof multi-niveau contacten, wat leidt tot de ultra-hoge gevoeligheid van 3,24 × 10⁵ kPa⁻¹ bij 0–10 kPa en 2,16 × 10⁴ kPa⁻¹ bij 10–100 kPa, respectievelijk. Bovendien bereikte het apparaat een snelle respons/ontspanningstijd (32/24 ms) en een hoge stabiliteit (> 1000 belasting/ontlastingscycli). Dergelijke volledig textiel-gebaseerde druksensor met hoge prestaties wordt verwacht toepasbaar te zijn in de velden van slimme kleding, activiteitsmonitoring en gezondheidszorgapparaten.

Inleiding

Met de recente ontwikkeling van draagbare elektronica, is er een toenemende vraag naar flexibele druksensoren in een veelheid van toepassingen inclusief e-skin toestellen, gezondheidsmonitoringssystemen en slimme robots. Om levensvatbaar te zijn in deze toepassingen, moeten druksensoren uitstekende gevoeligheidsprestaties vertonen, dus uitgebreide informatie verstrekken voor accurate diagnose of analyse.

Tot nu toe zijn talloze methoden ontwikkeld om de sensorprestaties te verbeteren door de nanomaterialen te optimaliseren, waaronder koolstofnanobuizen (CNTs), grafenenanosheets, metaalnanodraden, geleidende polymeren en hun composietmaterialen. In het bijzonder is Ag-nanodraad (AgNW) breed onderzocht als de sensormaterialen of geleidende vullers in druksensoren vanwege zijn uitstekende elektrische eigenschappen. Bijvoorbeeld, Wang et al. fabriceerden een flexibele druksensor gebaseerd op AgNW-gevulde PU-film, met een gevoeligheid van 5,54 kPa⁻¹ bij het drukbereik van onder 30 Pa. Ho et al. rapporteerden een transparante kraak-verbeterde druksensor bestaande uit twee gelamineerde PDMS-films met AgNW-ingesloten microfluïdische kanalen. Echter, de meeste van deze sensoren werden gefabriceerd met behulp van lucht-dichte elastische substraten, wat onademend en ongemakkelijk te dragen is, wat hun praktische toepassingen beperkt.

Meer recentelijk hebben textiel-gebaseerde druksensoren toenemende aandacht getrokken vanwege de zachtheid, ademend en biocompatibiliteit, wat het duurzaam en draagbaar maakt voor lange termijn. AgNW's zijn breed gebruikt in textiel-gebaseerde druksensoren als gevoelige laag. Voor textiel-gebaseerde sensoren bestaat een typische structuur uit flexibele circuits bedekt met een geleidende stof, en ze benutten een verandering in contactweerstand tussen de circuits en de stoffen. Wanneer een druk wordt toegepast, contacteren de twee films, en een significante stroom wordt gegenereerd. Bijvoorbeeld, Wei et al. demonstreerden een draagbare druksensor met de structuur van twee geleidende AgNW-gecoate katoenbladen. Zhou et al. ontwierpen een druksensor met een geprint textielektrode en AgNW-gecoate katoenstof. Echter, het drukbereik is beperkt voor de structuur van deze sensoren. Dus zijn verschillende structuurontwerpen voorgesteld om de prestaties van druksensoren te verbeteren. Zhong et al. ontwikkelden een ultra-gevoelige piezoresistieve sensor met hoge flexibiliteit, samengesteld uit POE-nanovezels en AgNW's door een gemakkelijke filtratiemethode. De nanovezels worden gerepliceerd op gepatroneerde nylontextielen met verschillende vezelafstanden. Ondanks deze vooruitgang, is een volledig textiel-gebaseerde druksensor met ultra-hoge gevoeligheid en structuurontwerp zelden gerapporteerd.

Hier voeren we een nieuwe strategie voor het fabriceren van volledig textiel-gebaseerde druksensoren. De AgNW-oplossing werd gesynthetiseerd, en daarna kan de geleidende stof worden gefabriceerd met een dip-coatingmethode, gedaan door katoenstukken in de AgNW-dispersie te dompelen. Het actieve sensorelement bevatte dubbellaagse AgNW-gecoate katoenen met een katoen mesh spacer om de initiële contact tussen hen te beveiligen. De druksensing is gebaseerd op veranderingen in de elektrische stroom door het contact tussen de gezichtslagen bij externe druk. Deze volledig textiel-gebaseerde piezoresistieve druksensor maakt volledig gebruik van het synergistische effect van de vezel/garen/stof multi-schaal contacten, wat leidt tot de ultra-hoge gevoeligheid van 3,24 × 10⁵ kPa⁻¹ bij 0–10 kPa en 2,16 × 10⁴ kPa⁻¹ bij 10–100 kPa, respectievelijk. Tegelijkertijd bereikte de druksensor een snelle respons/ontspanningstijd (32/24 ms) en hoge stabiliteit (> 1000 belasting/ontlastingscycli). Dergelijke toestellen hebben brede toepassingen in slimme kleding, activiteitsmonitoring en gezondheidszorgapparaten.

Experimentele Sectie

Materialen en Methoden

De AgNW-oplossing werd gesynthetiseerd door hydrothermale methode. Eerst werd de oplossing van PVP toegevoegd aan EG; daarna werd het mengsel 20 min geroerd om de oplossing van PVP/EG te fabriceren. Vervolgens werden de oplossingen van AgNO₃/EG en NaCl/EG bereid met een vergelijkbare methode. Ten tweede werden de oplossingen van AgNO₃/EG en NaCl/EG toegevoegd aan PVP/EG, en het mengsel werd geroerd en overgebracht in een reactieketel. Derde werd de ketel verhit tot 140 °C gedurende 2 uur en daarna tot 160 °C gedurende 30 min. Vervolgens werd de ketel van nature afgekoeld tot kamertemperatuur. De verkregen neerslagen werden gewassen en centrifugeergefilterd met aceton en gedemineraliseerd water diverse keren om een wit poeder te vormen. Ten slotte werden de verkregen AgNW's ultrasoon gedispergeerd in ethanol.

Fabricage van Druksensor

De volledig textiel-gebaseerde druksensor werd gefabriceerd met het "dippen en drogen" proces (Fig. 1). Eerst werden de katoenstoffen gereinigd met DI en watervrij ethanol elk voor 15 min. Ten tweede werden de stoffen gedompeld in de verkregen oplossing van AgNW's voor 20 min en gevolgd door drogen bij 90 °C gedurende 10 min (Fig. 1a). Vervolgens werden de koperen elektroden aangehecht aan het oppervlak van de AgNW-gecoate stoffen met zilverpasta en gedroogd bij 90 °C gedurende 1 uur. Tegelijkertijd werden de katoen mesh spacers met verschillende gatdiameters gefabriceerd door een laser-etchproces (Fig. 1b). Ten slotte werd de dubbellaagse sensortof met een ingevoegde katoen mesh spacer gemonteerd door een gezicht-tot-gezicht verpakkingsproces (Fig. 1c).

Karakterisering

De scanning elektronenmicroscopie (SEM) afbeeldingen van de AgNW-gecoate stofoppervlakken werden genomen via een GeminiSEM 500 (ZEISS, New York, Amerika) bij 5 kV. De stroomrespons van de druksensoren werd opgenomen met een digitale bronmeter (Keithley 4200, Amerika) en gemeten met een digitale krachtmeter (SJS-500V, China).

Resultaten en Discussie

Figuur 2 toont SEM-afbeeldingen van de morfologie van de AgNW-gecoate stof met verschillende vergroting. Zoals getoond in Fig. 2a, waren de garens van het katoen natuurlijk gelaagd met poreuze structuur. Het uiterste oppervlak van de stof is bedekt door AgNW's (Fig. 2b), waarop nanodraden uniform om de vezels zijn omwikkeld. Met name, tussen de naburige garens zijn er lege ruimtes die overbrugd worden door de aangehechte AgNW-geleidende netwerken (Fig. 2c). Op te merken, lange en uniforme draden werden waargenomen tussen aangrenzende garens, en de gemiddelde diameter van AgNW is rond 55 nm. In Fig. 2d zijn de AgNW's homogeen gevormd op het hoofdgedeelte van het garnoppervlak, terwijl ontkoppeld op sommige punten door slechte adhesie. Verder is de afstand tussen nanodraden aangehecht op het individuele garn relatief groter dan die van de nanodraden tussen naburige garens.

Ook werd de dichtheid van de AgNW's op het oppervlak van de stoffen aangepast door het aantal dip-coatingcycli. De AgNW-gecoate stof met 1 dip-cyclus en 5 dip-cycli werd getoond in Fig. S1 en Fig. 2d, respectievelijk. In vergelijking met de hoge dichtheid, werden de nanodraad-mesh-afstanden van 1 dip-cyclus verhoogd van onder 1 tot 2–4 μm.

De samenstelling van de AgNW-gecoate stof werd ook onderzocht door energie-dispersieve röntgenspectroscopie (EDS), geïllustreerd in het inset van Fig. S2. Naast de C en O inhoud die voornamelijk afkomstig zijn van katoen, werd Ag-element ook waargenomen, wat de distributie van AgNW's op het katoen aangeeft.

Figuur 4a toont de stroom-spanning curves van de druksensor onder verschillende drukken. Toen de toegepaste druk toename van 0 tot 100 kPa, nam de weerstand van de sensor af. Verder was de respons van de sensor stabiel en viel in lijn met de wet van Ohm. De stroom van de druksensor wordt getoond in Fig. 4b, wat relatief constant is onder verschillende toegepaste drukken, wat onthult dat de respons van de sensor stabiel is voor verschillende drukken. Daarom bieden de resultaten uitstekende elektrische stabiliteit voor de potentiële toepassing van de druksensor.

Om de prestaties van druksensoren te onderzoeken, werden de relatieve stroomveranderingen (ΔI/I₀) versus druk met de verschillende AgNW dip-coatingcycli en mesh-gatdiameters getoond in Fig. 4c, d. Hier werd de gevoeligheid van de druksensor gedefinieerd als S = (ΔI/I₀)/P, waar P de toegepaste druk aanduidt. Bij een mesh-gatdiameter van 0,25 mm, was de gevoeligheid van de druksensor sterk afhankelijk van de AgNW dip-coatingcycli. De gevoeligheid van de sensoren verbeterde van 2,12 × 10³ kPa⁻¹ tot 1,98 × 10⁵ kPa⁻¹ binnen het bereik van 0–10 kPa toen de dip-coatingcycli toename van 1 tot 5. Daarnaast verbeterde de gevoeligheid van 764 tot 1,12 × 10³ kPa⁻¹ bij 10–100 kPa. De verbetering van de gevoeligheid met hoge dip-coatingcycli wordt voornamelijk toegeschreven aan de toename van de AgNW-dichtheden.

Verder werd de afhankelijkheid van gatdiameter vervolgens gekarakteriseerd. De druksensoren met 5 dip-coatingcycli vertoonden verbeterde gevoeligheden met toenemende diameters, die toegenomen van 1,12 × 10³, 9,88 × 10³, tot 2,16 × 10⁴ kPa⁻¹ binnen het drukbereik van 10–100 kPa, respectievelijk. De verbetering in de gevoeligheid werd voornamelijk toegeschreven aan het verhoogde contactoppervlak door de grotere gaten. Echter, zodra de diameter 1 mm overschreed met 4 cycli, resulteerde de initiële interface van de gezichtsstoffen in meer contact in de ontlastingstoestand, wat de contactweerstand tussen de stoffen aanzienlijk verlaagde (Fig. S6). Verder, wanneer de dikte van de spacer katoen wordt gewijzigd, verslechteren de prestaties van de sensoren (Fig. S7). De sensor met lagere dikte toont een afname van ΔI/I₀ door het contacteren van de gezichtsstoffen in de initiële toestand (Fig. S7a). Bovendien vermindert hogere dikte het contact van de stoffen. Toen de dikte van de spacer katoen toename tot 1 mm, contacteerden de AgNW's op de stoffen niet tot de druk 10 kPa overschreed (Fig. S7c).

Opvallend, de druksensor vertoonde duidelijk twee lineaire stroomsegmenten; de gevoeligheid neemt scherp toe in het lage-drukbereik en neemt geleidelijk toe in het hoge-drukbereik. Volgens het sensormechanisme zoals hierboven genoemd, speelt het aangrenzende AgNW-contact een belangrijke rol in de verhoogde stroom in het lage-drukbereik. Verder, wanneer de druk verhoogd wordt tot 10–15 kPa, zijn de AgNW's op de interface volledig gecontacteerd. De stroomveranderingen werden voornamelijk bepaald door de contactweerstand tussen de garens en stoffen, wat relatief stabiel was. Contact tussen de garn- en stofschaal speelden een meer significante rol in het sensormechanisme bij dip-coatingcycli van 5 keer en diameter van 0,75 mm door de gevoeligheid en lineaire bereik te verbeteren. Daarom vertoonde de diameter van 0,75 mm (Fig. 4d) een hogere gevoeligheid en groter lineair bereik door verhoogd contact.

De dynamische respons van het apparaat werd bestudeerd onder belasting/ontlasting drukcycli. De sensor vertoonde een directe respons op de cyclische drukken. De tijdsopgeloste respons werd geanalyseerd om de respons- en ontspanningstijden te kwantificeren (Fig. 5a). De gemeten respons- en ontspanningstijden waren 32 en 24 ms, respectievelijk. De prestaties van de sensor onder verschillende druk worden ook onderzocht en getoond in Fig. S8. De sensor onderscheidde duidelijk een subtiele druk van 50 Pa, wat de uitstekende prestaties van de sensor aangeeft. De ΔI/I₀ met een toegepaste druk van 10 kPa met 1000 belastingcycli werd gebruikt om de herhaalbaarheid van het apparaat te verifiëren (Fig. 5b). De resultaten tonen de uitstekende stabiliteit van de druksensoren. Verder werd de luchtdoorlaatbaarheid van zowel normaal katoen als AgNW-gecoate katoen onderzocht. Ondanks de luchtdoorlaatbaarheid verminderde van 787,3 tot 252,6 mm/s, is deze waarde nog steeds veel hoger dan de recent gerapporteerde. Dit resultaat demonstreerde dat de draagbare druksensoren gebaseerd op zilver-nanodraad-gecoate stoffen goede luchtdoorlaatbaarheid behouden vanwege hun hoge porositeit.

Vanwege de natuurlijke flexibiliteit van stoffen en hoge gevoeligheid van sensoren, was de druksensor draagbaar en in staat om mechanische signalen te detecteren zoals fysiologische pols en ademhalingssnelheid. Eerst werd het apparaat aan de pols bevestigd met een hechtplaster om de polsdruk te monitoren. Fig. 5c presenteert de real-time geregistreerde data, waarin de polsfrequenties gemeten werden op ≈ 72 slagen min⁻¹. Daarnaast werd de sensor ook aan een masker bevestigd om ademhalingstoestanden te detecteren. Fig. 5d geeft aan dat de normale ademhalingsfrequentie van 10 ademhalingen per minuut van een volwassene en een blok-achtige golf voor normale ademhaling. Verder duidde de breedte van de golfband de onderhouden tijd van ademhaling aan. Deze resultaten suggereren dat de druksensor met hoge gevoeligheid en superioriteit groot potentieel heeft in draagbare gezondheidszorgtoestel toepassingen.

Conclusie

In dit werk werden de AgNW's gefabriceerd door hydrothermale methode, en de morfologie werd gekarakteriseerd en geanalyseerd. Een volledig textiel-gebaseerde druksensor werd gefabriceerd door een katoen mesh spacer in te voegen tussen de dubbellaagse AgNW-gecoate katoenen. Vanwege het collectieve effect van de vezel/garen/stof multi-schaal contacten, heeft de sensor extreme hoge gevoeligheid (3,24 × 10⁵ kPa⁻¹ bij 0–10 kPa en 2,16 × 10⁴ kPa⁻¹ bij 10–100 kPa, respectievelijk), snelle respons/hersteltijd (32/24 ms), hoge stabiliteit (1000 cycli) en wijd drukbereik (0–100 kPa). De fysiologische signalen monitoring zoals polsdruk is met succes gedemonstreerd. Met een gemakkelijke en efficiënte fabricagemethode, zal zo'n ultra-gevoelige druksensor een brede toepassing bevorderen in de volgende generatie ontwikkeling van slimme kleding, activiteitsmonitoring en gezondheidszorgapparaten.