Ultragevoelige draagbare druksensoren op basis van zilveren nanodraad-gecoate stoffen

Resultaten en discussie

Figuur 2 toont SEM-beelden van de morfologie van de met AgNWs gecoate stof met verschillende vergrotingen. Zoals getoond in figuur 2a, waren de garens van het katoen natuurlijk gelaagd met een poreuze structuur. Het buitenste oppervlak van de stof is bedekt met AgNW's (figuur 2b), waarop nanodraden gelijkmatig op de vezels zijn gewikkeld. Met name tussen de aangrenzende garens zijn er lege afstanden die worden overbrugd door de aangehechte AgNW-geleidende netwerken (figuur 2c). Opgemerkt moet worden dat lange en uniforme draden werden waargenomen tussen aangrenzende garens, en de gemiddelde diameter van AgNW is ongeveer 55 nm. In Fig. 2d zijn de AgNW's homogeen gevormd op het hoofdgebied van het garenoppervlak, terwijl ze op een gegeven moment losgekoppeld zijn vanwege de slechte hechting. Bovendien is de afstand tussen nanodraden die op het individuele garen zijn gekleefd relatief groter dan die van de nanodraden tussen aangrenzende garens.

De morfologie van de met AgNWs gecoate stoffen. een –d De SEM-afbeeldingen van de oppervlaktemorfologie van met AgNWs gecoate stof met verschillende posities van AgNW's en verschillende vergrotingen, waarin c is het SEM-beeld van de AgNW's tussen de garens en d de AgNW's gecoat op de enkele vezel

Ook werd de dichtheid van de AgNW's op het oppervlak van de weefsels aangepast door de tijden van dompelcoatingcycli. Het met AgNWs gecoate weefsel met 1 dompelcyclus en 5 dompelcycli werd respectievelijk getoond in Fig. S1 en Fig. 2d. Vergeleken met de hoge dichtheid, werden de nanodraad-maasafstanden van 1 dip-cyclus vergroot van minder dan 1 tot 2-4  μm.

De samenstelling van het met AgNWs gecoate weefsel werd ook onderzocht door de energiedispersieve röntgenspectroscopie (EDS), zoals geïllustreerd in de inzet van Fig. S2. Naast de C- en O-gehaltes die voornamelijk werden toegeschreven aan katoen, werd ook het Ag-element waargenomen, wat de verdeling van AgNW's op het katoen aangeeft.

Het detectieprincipe van de druksensor wordt getoond in Fig. 3a, en de dwarsdoorsnede SEM-beelden van de sensor met verschillende drukken worden getoond in Fig. 3b-e. In de ontlaadtoestand is de initiële weerstand groot, die wordt veroorzaakt door de contactloze AgNW's op de stoffen (figuur 3b). Nadat de druk was uitgeoefend, droegen de toenemende contacten op vezelschaal van nanodraden op de aangrenzende stoffen bij aan een afname van de weerstand (figuur 3c). Bovendien, toen de nanodraden op de stoffen volledig in contact waren gebracht, verhoogde de aanhoudende druk op de vezels vervolgens de contacten op garenschaal. Zoals in figuur 3d te zien is, is de lengte van de garens in Y richting worden teruggebracht van ongeveer 200 tot 160 m, wat de compressie tussen de garens bevestigt. Volgens de SEM-afbeeldingen in dwarsdoorsnede werden de AgNW's zowel op het garenoppervlak als in de aangrenzende garens gevormd (figuur S3). Wanneer de druk werd uitgeoefend en de garens werden samengedrukt, konden de AgNW's in de garens contact maken en de weerstand van de sensor verder verminderen. Naarmate de laaddruk toenam, werden de aangrenzende stoffen samengedrukt (figuur 3e); weefselschaalcontacten verminderden de weerstand van de sensor verder vanwege het grotere contactoppervlak tussen de bekledingsstoffen. Op dit punt werd de totale dikte van de dubbellaagse stoffen teruggebracht van 600 naar 350 m. Daarom werd de drukwaarneming van de sensoren bepaald door het synergetische effect van het vezel/garen/stof multi-schaal contact. Deze dwarsdoorsnede-SEM-afbeeldingen bevestigden het drukwaarnemingsmechanisme verder.

Het detectieprincipe van de druksensor. een Schematische weergave van drukmeting. b –e De doorsnede SEM-afbeeldingen van de met AgNWs gecoate stof onder verschillende druk

De invloed van buigen op de oppervlaktemorfologie van de met AgNWs gecoate stoffen werd onderzocht door SEM-afbeeldingen in dwarsdoorsnede getoond in Fig. S4. Met de kleine buigvervorming is er geen duidelijk scheur- en afpelprobleem van het AgNW-netwerk op de weefsels (Fig. S4b) in vergelijking met de begintoestand (Fig. S4a). Om de invloed van buigvervorming verder te onderzoeken, werden de SEM-afbeeldingen van AgNWs-gecoate stoffen met 500 keer buigcycli genomen en getoond in Fig. S5. Fig S5 toont veel gedelamineerde plekken die mogelijk degradatie van het apparaat kunnen veroorzaken. Dit resultaat geeft aan dat de stabiliteit van de met AgNWs gecoate stof in de toekomst verder moet worden verbeterd.

Fig. 4a toont de stroom-spanningscurven van de druksensor onder verschillende drukken. Wanneer de toegepaste druk toenam van 0 tot 100 kPa, nam de weerstand van de sensor af. Bovendien was de respons van de sensor stabiel en viel deze in lijn met de wet van Ohm [32]. De stroom van de druksensor wordt getoond in Fig. 4b, die relatief constant is onder verschillende toegepaste druk, waaruit blijkt dat de respons van de sensor stabiel is voor verschillende drukken. Daarom bieden de resultaten een uitstekende elektrische stabiliteit voor de mogelijke toepassing van de druksensor.

Prestaties van de druksensoren. een IV-curven van de druksensor met verschillende toegepaste drukken. b De huidige respons van de sensor onder verschillende drukken. c , d De prestatievergelijking van de druksensoren met verschillende dip-coating-cycli en maasgatdiameters

Om de prestaties van druksensoren te onderzoeken, verandert de relatieve stroomsterkte (ΔI /Ik ₀ ) versus druk met de verschillende AgNW's dompelcoatingcycli en maasgatdiameters werden getoond in Fig. 4c, d. Hier werd de gevoeligheid van de druksensor gedefinieerd als S =(ΔIk /Ik ₀ )/P , waar P geeft de toegepaste druk aan. Bij een maasgatdiameter van 0,25 mm was de gevoeligheid van de druksensor sterk afhankelijk van de AgNW's dompelcoatingcycli. De gevoeligheid van de sensoren is verbeterd van 2,12 × 10 ³ kPa ⁻¹ tot 1,98 × 10 ⁵ kPa ⁻¹ binnen het bereik van 0–10 kPa wanneer de dip-coating-cycli toenamen van 1 tot 5. Bovendien verbeterde de gevoeligheid van 764 tot 1,12 × 10 ³ kPa ^–1 bij 10-100 kPa. De verbetering van de gevoeligheid met hoge dip-coating-cycli wordt voornamelijk toegeschreven aan de toename van de AgNW-dichtheden.

Verder werd vervolgens de afhankelijkheid van de gatdiameter gekarakteriseerd. De druksensoren met 5 dip-coating-cycli vertoonden toenemende gevoeligheden met toenemende diameters, die werden verhoogd van 1,12 × 10 ³ , 9,88 × 10 ³ , tot 2,16 × 10 ⁴ kPa ^–1 binnen het drukbereik van respectievelijk 10-100 kPa. De verbetering van de gevoeligheid werd voornamelijk toegeschreven aan het grotere contactoppervlak door de grotere gaten. Zodra de diameter echter groter was dan 1   mm met 4 cycli, resulteerde de initiële interface van de tegenoverliggende stoffen in meer contact in de ontlaadtoestand, waardoor de contactweerstand tussen de stoffen aanzienlijk werd verlaagd (Fig. S6). Bovendien, wanneer de dikte van het spacer-katoen wordt gewijzigd, worden de prestaties van de sensoren slechter (Fig. S7). De sensor met een lagere dikte toont een afname van ∆I /Ik ₀ vanwege het contact met de bekledingsstoffen in de begintoestand (Fig. S7a). Bovendien vermindert een hogere dikte het contact van de stoffen. Toen de dikte van spacer-katoen toenam tot 1 mm, maakten de AgNW's op de stoffen geen contact totdat de druk 10  kPa overschreed (Fig. S7c).

Met name vertoonde de druksensor duidelijk twee lineaire stroomsegmenten; de gevoeligheid neemt sterk toe in het lagedrukgebied en neemt geleidelijk toe in het hogedrukgebied. Volgens het detectieprincipe zoals we hierboven vermeldden, speelt het aangrenzende AgNW-contact in het lagedrukbereik een belangrijke rol bij verhoogde stroom. Bovendien waren de AgNW's op het grensvlak volledig contact wanneer de druk werd verhoogd tot 10-15 kPa. De huidige veranderingen werden voornamelijk bepaald door de contactweerstand tussen de garens en weefsels, die relatief stabiel was. Contact tussen de garen- en stofschubben speelde een belangrijkere rol in het detectiemechanisme bij dompelcoatingcycli van 5 keer en een diameter van 0,75 mm door de gevoeligheid en het lineaire bereik te verbeteren. Daarom vertoonde de diameter van 0,75 mm (Fig. 4d) een hogere gevoeligheid en een groter lineair bereik als gevolg van verhoogd contact [33, 34].

De dynamische respons van het apparaat werd bestudeerd onder drukcycli voor laden/lossen. De sensor vertoonde een onmiddellijke reactie op de cyclische drukken. De in de tijd opgeloste respons werd geanalyseerd om de respons- en relaxatietijden te kwantificeren (figuur 5a). De gemeten respons- en relaxatietijden waren respectievelijk 32 en 24 ms. De prestaties van de sensor onder verschildruk worden ook onderzocht en getoond in Fig. S8. De sensor onderscheidde duidelijk een subtiele druk van 50 Pa, wat wijst op de uitstekende prestaties van de sensor. De Δik /Ik ₀ met een toegepaste druk van 10 kPa met 1000 laadcycli werd gebruikt om de herhaalbaarheid van het apparaat te verifiëren (Fig. 5b). De resultaten tonen de uitstekende stabiliteit van de druksensoren. Verder werd de luchtdoorlatendheid van zowel normaal katoen als katoen met AgNW-coating onderzocht. Ondanks dat de luchtdoorlaatbaarheid werd verlaagd van 787,3 naar 252,6 mm/s, is deze waarde nog steeds veel hoger dan de recentelijk gerapporteerde waarden [35, 36]. Dit resultaat toonde aan dat de draagbare druksensoren op basis van zilveren nanodraad-gecoate stoffen goed luchtdoorlatend blijven vanwege hun hoge porositeit.

een Reactie-/vrijgavetijden van het apparaat. b De fietstest van het apparaat onder een druk van 10 kPa. c Polspulssignaal van de menselijke gebruiker. d Het huidige signaal reageert op ademhaling bij normale ademhaling

Vanwege de natuurlijke flexibiliteit van stoffen en de hoge gevoeligheid van sensoren, was de druksensor draagbaar en in staat om mechanische signalen zoals fysiologische hartslag en ademhalingsfrequentie te detecteren. Eerst werd het apparaat aan de pols bevestigd met een zelfklevend verband om de polsdruk te controleren. Afb. 5c geeft de realtime geregistreerde gegevens weer, waarbij de polsfrequenties werden gemeten als ≈ 72 slagen min ^–1 . Bovendien was de sensor ook bevestigd aan een masker om ademhalingstoestanden te detecteren. Fig. 5d geeft aan dat de normale ademhalingsfrequentie van 10 ademhalingen per minuut van een volwassene en een vierkante golf voor normale ademhaling. Bovendien gaf de breedte van de golfband de aangehouden ademtijd aan. Deze resultaten suggereren dat de druksensor met een hoge gevoeligheid en superioriteit een groot potentieel heeft in draagbare toepassingen in de gezondheidszorg.