Высокопроизводительный емкостный гибкий датчик давления на бумажной основе и его применение в измерениях, связанных с человеком

Введение

Благодаря своей гибкости и простоте интеграции в изогнутые поверхности, такие как тело человека, гибкие датчики давления (FPS) привлекли к себе огромное внимание и демонстрируют большой потенциал для применения в носимых устройствах [1, 2], электронной оболочке [3, 4], биомедицинских системах. [5] и обнаружение движения человека [6,7,8,9]; Было предложено реализовать множество структур и механизмов, таких как полевой транзистор [10, 11], конденсатор [2, 12], пьезоэлектрический эффект [13,14,15,16] и эффект пьезосопротивления [17,18,19]. FPS; Среди них емкостный FPS становится все более привлекательным из-за его простой конструкции [20], большого динамического диапазона [21] и хорошей стабильности [22]. С точки зрения материалов, используемых в FPS, полидиметилсилоксан (PDMS) является отличным материалом благодаря своей хорошей гибкости, биомедицинской совместимости с тканями человека и диэлектрическим свойствам, и поэтому он часто используется в качестве конструкционного материала в FPS, а также в других гибких датчиках. [23,24,25]; в емкостных FPS PDMS часто использовался в качестве диэлектрического слоя [20, 26] и электродной подложки [2, 21]. Что касается электропроводящего слоя в FPS, то серебряные нанопроволоки (AgNW) имеют большой потенциал и широко используются в гибкой электронике, такой как солнечные элементы [27,28,29,30,31,32] и пленочные нагреватели [33 , 34] из-за их превосходных электрических, оптических и механических свойств часто использовались вместе с PDMS; например, Chen et al. [35] подготовили композитные пленки серебряных нанопроволок (AgNW) / (PDMS) путем частичного внедрения AgNW в слой PDMS для создания шероховатой поверхности, и изготовленное сенсорное устройство смогло достичь чувствительности в три раза большей, чем при использовании обычных металлических пленочных электродов. Yao et al. [2] сначала добились параллельных линий AgNW на кремнии с помощью предварительно сформированной теневой маски PDMS; затем они отлили жидкий PDMS на кремниевую подложку AgNW; путем отслаивания PDMS после отверждения в течение 12 часов был получен PDMS-электрод, залитый AgNW; наконец, был изготовлен емкостный датчик FPS, который успешно обнаруживал движение большого пальца, деформацию коленного сустава и другие движения человека.

Для достижения высокой чувствительности емкостного FPS обычно необходимо создавать микрорельефы в диэлектрическом слое и / или электродах, а также выполнять сложные процедуры, такие как микрообработка [2, 35, 36], а также микролитье [7, 21, 26]. часто участвует; например, Bao et al. [26] создали перевернутые пирамидальные узоры в кремнии, а затем передали узоры в PDMS, отлив его на кремниевой форме; поэтому пирамидальные узоры были созданы на PDMS. Ли и др. [21] также использовали технику формования для создания обратной структуры поверхности лотоса на PDMS, за счет чего был нанесен тонкий слой золота в качестве электрода, а емкостные FPS были изготовлены с использованием микросфер из полистирола (PS) в качестве диэлектрического слоя, зажатого между двумя электродами PDMS. . В этой работе была предложена очень простая процедура с использованием обычной печатной бумаги, осажденной с AgNW в качестве электродной подложки, а высокоэффективная емкостная FPS была построена с использованием PDMS в качестве диэлектрического слоя, ламинированного с AgNW-бумажной подложкой с обеих сторон; результаты испытаний показали, что чувствительность и динамический диапазон устройства составляли 1,05 кПа ⁻¹ и от 1 Па до 2 кПа; кроме того, он был способен определять форму объекта, касание пальцем и вибрацию, вызываемую голосом, что свидетельствует о его хороших возможностях для искусственной кожи и носимых устройств.

Методы

Подготовка пленок AgNW, пленок AgNW, пленок PDMS и емкостных кадров в секунду

AgNW синтезировали гидротермальным методом:сначала получали 0,3 моль на литр (M) раствора поливинилпирролидона (PVP) (молекулярная масса 30000) / этиленгликоль (EG), добавляя 0,2 г PVP в 6 мл EG, и смесь подвергали анализу. перемешивают 20 мин; аналогично 0,1 М раствор AgNO ₃ / EG и 0,01 M хлорид натрия (NaCl) / EG также были приготовлены. Во-вторых, растворы AgNO ₃ / EG и NaCl / EG добавляли в PVP / EG и перемешивали до получения однородного раствора, который затем переносили на тефлоновую подкладку и помещали в реакционный сосуд; чайник нагревали до 140 ° C в течение 2 часов, а затем до 160 ° C в течение 30 минут для роста AgNW; после естественного охлаждения котла до комнатной температуры AgNW в виде белого порошка были получены промывкой и трехкратной фильтрацией продуктов на центрифуге последовательно ацетоном и деионизированной водой. Наконец, полученные AgNW диспергировали с помощью ультразвука в 100 мл этанола для приготовления пленки AgNW.

Для пленок AgNW использовались методы подготовки, включая распыление аэрографом, центрифугирование и покрытие пропиткой, и экспериментальные результаты показывают, что распыление аэрографом имеет преимущество высокой эффективности, хорошей однородности и адгезии; Детали приготовления пленки AgNW были следующими:в качестве подложки использовали чистую бумагу для печати размером 20 мм × 20 мм, которую помещали на электрическую плиту при 100 ° C; диаметр выходного отверстия аэрографа - 0,5 мм, расстояние между аэрографом и подложкой - 150 мм; заданное давление аэрографа 0,1 МПа; AgNW с разной толщиной и электрическим сопротивлением можно получить, регулируя время напыления; после осаждения подложку выдерживали на плитке в течение 1 ч для полного удаления ПВП вокруг AgNW. ПДМС получали из прекурсоров Sylgard 184 (Dow Corning). Сначала смешивали основной и отвердитель прекурсоров в массовом соотношении 10:1; после перемешивания в течение 20 минут смесь вакуумировали в течение 10 минут для удаления пузырьков при перемешивании; затем его наносили центрифугированием на тщательно очищенную стеклянную подложку. Затем подложку отжигали при 65 ° C в течение 2 часов для образования отвержденного ПДМС, и, наконец, можно получить отдельно стоящую пленку ПДМС, сняв ее со стеклянной подложки.

Емкостный FPS типа «сэндвич» (рис. 1) был изготовлен с использованием двух бумажных подложек из AgNW в качестве электродов и PDMS в качестве диэлектриков; электрические сигналы выводились двумя медными проводами, наклеенными на электроды токопроводящей серебряной краской; наконец, датчик был упакован прозрачной лентой.

а Структура AgNW-бумажного емкостного FPS и упрощенного механизма. б Платформа для тестирования емкостных FPS

Характеристика и тестирование

Морфология поверхности AgNW и бумаги была охарактеризована с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM) (тип Inspect F50, FEI, США); Для анализа состава AgNW были выполнены тесты спектроскопии в ультрафиолетовой и видимой области (UV-Vis) (SHIMAZU 1700, Япония); для сенсорного тестирования была построена платформа для стимулирования давления на основе датчика силы (HP-5, Yueqing Handpi Instruments Co., Ltd, Китай); разработан самодельный колебательный контур на основе модели таймера LM555 для преобразования изменения емкости в частотное; Сбор данных осуществлялся на персональном компьютере с помощью мультиметра Keithley2700 (Кейтли, США).

Результаты и обсуждения

Как показано на рис. 2а, фотография СЭМ показывает, что полученные AgNW имеют однородную длинную и тонкую форму с диаметром около 100 нм, и никаких примесей в пленке не обнаружено; Рис. 2b подразумевает, что пленка имеет относительно высокую плотность, что поможет получить высокопроводящие электроды емкостного FPS. Для дальнейшего исследования чистоты AgNW был протестирован спектр UV-Vis, как показано на рис. 3. Он ясно демонстрирует, что на кривых поглощения появляются два пика при 355 нм и 380 нм, которые связаны с поперечными и продольными плазмонными резонансами AgNW.; другие характерные пики или шумы также появятся, если примеси, такие как AgCl, AgNO ₃ , или в пленке существуют наночастицы серебра; Таким образом, спектр УФ-видимой области еще раз доказывает, что высококачественные AgNW были успешно синтезированы.

а - г СЭМ фотографии пленки и бумаги AgNW

УФ-видимый спектр AgNW

На рисунке 4 представлены результаты теста отклика образца; как показано на рис. 4а, кривая отклика может быть приблизительно разделена на две линейные части во всем диапазоне давления, то есть высокочувствительную часть при низком давлении и низкочувствительную часть при высоком давлении с точкой поворота, расположенной при 2 кПа. Это явление характерно для емкостных FPS, особенно на основе PDMS [21, 22], которое можно интерпретировать следующим образом:PDMS имеет предел упругости; поскольку приложенное давление низкое, PDMS показывает хорошую эластичность, может возникать большая деформация и большие колебания емкости (Δ C ) поэтому можно ожидать; в то время как прикладываемое давление становится достаточно большим, PDMS становится настолько плотным, что перестает быть достаточно эластичным, никакое очевидное напряжение больше не может создаваться приложенным давлением, и, таким образом, может быть достигнута только низкая чувствительность датчика, и, как следствие, Для измерения используется только диапазон высокой чувствительности. Из данных на рис. 4a можно рассчитать, что емкостный образец FPS имеет чувствительность до 1,05 кПа ⁻¹ . , это значение лучше, чем указано в большинстве литературных источников [12, 26, 37, 38, 39], и сравнимо с результатами емкостных FPS на основе AgNW / микроструктурированных PDMS в нашей предыдущей работе [22], в то время как процедура изготовления значительно усложняется. проще. Механизм, лежащий в основе этих хороших характеристик, можно объяснить морфологической природой бумаги; как показано на рис. 2c и d, фотографии бумаги, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа, показывают, что на бумаге существует большое количество микроканавок и пустот, поскольку в микроканавках и пустотах трудно сжимать воздух; затем воздух будет двигаться вниз и создавать многочисленные вмятины в AgNW при приложении внешнего давления; эти отступы будут в конечном итоге перенесены на пленку PDMS благодаря высокой гибкости как AgNW, так и PDMS; и в результате эквивалентные площади электродов увеличиваются, а расстояние между ними уменьшается, и то и другое полезно для достижения большего изменения емкости. Более конкретная характеристика характеристик датчика в диапазоне чрезвычайно низкого давления была проведена, как показано на рис. 4b. Хорошо видно, что образец способен реагировать на давление всего 1 Па, что свидетельствует о его высокой чувствительности; Кроме того, он может полностью восстановиться до исходного значения после разгрузки от каждого давления, что отражает его хорошую стабильность и высокую скорость реакции. На рисунке 4c показан результат теста на кратковременную повторяемость, когда датчик подвергался нажатию (81 Па) и отпусканию непрерывно в течение 500 периодов. Увеличенные кривые отклика в начале и в конце показывают очень похожие тенденции, что дополнительно указывает на хорошую стабильность и воспроизводимость образца. Кроме того, через 1 месяц был проведен тест на долгосрочную повторяемость; как показано на рис. 4а, реакция образца в диапазоне низкого давления не меняется через 1 месяц; с другой стороны, хотя реакция на высокое давление претерпела очевидное уменьшение, как упоминалось выше, это не повлияет на характеристики датчика. На рис. 4d сравниваются характеристики образца до и после 1 месяца при некоторых конкретных значениях давления; кроме того, это показывает, что при низком давлении не наблюдается разрушения устройства; с другой стороны, хотя отклик при высоком давлении уменьшается, он не меняется при постоянном давлении, что указывает на все еще хорошую стабильность образца.

Тест отклика емкостного FPS на основе бумаги AgNW: a соотношение давление-емкость в большом диапазоне давлений, b реакция при низком давлении, c кратковременный повторный тест и d эффективность старения через месяц

Чтобы изучить возможность применения емкостного FPS на основе бумаги AgNW, было проведено несколько реальных тестов. На рис. 5а показан результат испытания на изгиб; угол изгиба тета, как показано на вставке, определяется как включенный угол, образованный двумя линиями, касательными к датчику изгиба на обоих концах. Это показывает, что образец очень чувствителен к изгибу, и чем больше изгибается образец, тем больше его емкость; Более того, кривая емкости-тета имеет почти линейную зависимость, которая обеспечивает образец хорошим потенциалом для измерения состояния изгиба суставов человеческого тела. На рис. 5b показано, что датчик может четко определять движение при двойном щелчке; давление во время щелчка может вызвать изменение емкости до 700 пФ, что на один раз больше, чем ее первоначальное значение; кроме того, как показано на рис. 5c, датчик может идентифицировать каждый слог, который произносит экспериментатор, и демонстрирует высокую чувствительность и отличную повторяемость. Для дальнейшего изучения потенциала емкостных FPS была изготовлена ​​матрица 8 × 8 емкостных FPS из AgNW-бумаги, как показано на рис. 5d; электродные линии формировались напылением AgNW через жесткую маску, размер пикселя составлял 2 мм × 2 мм. Рисунок 5e демонстрирует, что матрица может легко обнаружить кончик карандаша, и, поскольку кончик был достаточно маленьким, соседние пиксели не пострадали вообще, показывая незначительный эффект перекрестных помех; кроме того, как показано на рис. 5, после того, как пуля из пластилина была помещена на матрицу, она была способна распознавать форму пули; в частности, результаты сопоставления предполагают, что большая часть пули находится в двух центральных рядах, в то время как второй столбец пикселей слева имеет наименьшие сигналы из-за небольшой массы у головки пули.

Применение емкостных FPS на основе бумаги AgNW: a испытание на изгиб, b тест касанием пальца, c голосовой тест, d Массив 8 × 8 емкостных FPS на основе бумаги AgNW, e обнаружение кончика карандаша, f определение формы пули ручной работы из пластилина

Заключение

Используя обычную бумагу в качестве подложки, AgNW были получены методом гидротермального синтеза. Результаты SEM и UV-Vis показали, что AgNW имеют одинаковый размер, большое отношение длины к диаметру и высокую чистоту, что желательно для хорошей гибкости и электропроводности AgNW. Образец емкостного FPS был приготовлен с использованием подложек из AgNW-бумаги в качестве электродов и PDMS в качестве диэлектриков; Тесты производительности показали, что образец обладает не только высокой чувствительностью и большим динамическим диапазоном измерения, но также хорошей стабильностью и повторяемостью. Кроме того, образец демонстрирует его способность обнаруживать движения человека, такие как сгибание суставов, постукивание пальцами и речь; кроме того, была изготовлена ​​матрица емкостных FPS размером 8 × 8 с размером пикселя 2 мм × 2 мм, и результаты показали, что эта матрица имеет высокую чувствительность, незначительный эффект перекрестных помех и потенциал для идентификации профиля объекта. Эти тесты показывают, что наш емкостный FPS на основе AgNW-бумаги имеет хороший потенциал для таких применений, как искусственная кожа, мониторинг движений, носимые устройства и идентификация объектов.

Доступность данных и материалов

Наборы данных, использованные и / или проанализированные в ходе текущего исследования, доступны у соответствующего автора по разумному запросу.

Сокращения

FPS:

Гибкие датчики давления

AgNWs:

Серебряные нанопроволоки

M:

Моль на литр

PVP:

Поливинилпирролидон

PS:

Полистирол

Пример:

Этиленгликоль

NaCl:

Натрия хлорид

SEM:

Сканирующий электронный микроскоп

УФ-видимый:

Видимость в ультрафиолете

Δ C :

Изменение емкости

pF:

Пикофарад