Сверхчувствительные носимые датчики давления на основе тканей с серебряным покрытием из нанопроволоки

Введение

С недавним развитием носимой электроники растет спрос на гибкие датчики давления во множестве приложений, включая устройства электронной кожи, системы мониторинга здоровья и интеллектуальных роботов [1,2,3,4,5,6,7, 8]. Для эффективного использования в этих приложениях датчики давления должны демонстрировать отличную чувствительность, таким образом предоставляя исчерпывающую информацию для точной диагностики или анализа.

На сегодняшний день разработаны многочисленные методы улучшения характеристик сенсора за счет оптимизации наноматериалов, включая углеродные нанотрубки (УНТ) [1], графеновые нанолисты [9], металлические нанопроволоки [10,11,12,13,14,15,16 , 17,18,19], проводящие полимеры [20] и их композиционные материалы [21,22,23,24,25,26]. В частности, нанопроволока Ag (AgNW) широко использовалась в качестве чувствительного материала или проводящего наполнителя в датчиках давления из-за ее превосходных электрических свойств. Например, Wang et al. изготовил гибкий датчик давления на основе полиуретановой пленки с наполнителем из AgNW, обеспечивающий чувствительность 5,54 кПа ⁻¹ в диапазоне давлений ниже 30 Па [27]. Ho et al. сообщили о прозрачном датчике давления с усиленной трещиной, состоящем из двух ламинированных пленок PDMS, несущих микрожидкостные каналы, залитые AgNW [28]. Однако большинство этих датчиков были изготовлены с использованием воздухонепроницаемых эластичных подложек, которые не пропускают воздух и неудобны для ношения, что ограничивает их практическое применение.

В последнее время датчики давления на текстильной основе привлекают все большее внимание из-за их мягкости, воздухопроницаемости и биосовместимости, что делает их прочными и пригодными для ношения в течение длительного времени. AgNW широко используются в датчиках давления на текстильной основе в качестве чувствительного слоя. Для датчиков на текстильной основе типичная структура состоит из гибких цепей, покрытых проводящей тканью, и они используют изменение контактного сопротивления между цепями и тканями. При приложении давления две пленки соприкасаются, и возникает значительный ток. Например, Wei et al. продемонстрировали носимый датчик давления со структурой двух проводящих хлопковых листов, покрытых AgNW [29]. Чжоу и др. разработали датчик давления с печатным текстильным электродом и хлопчатобумажной тканью, покрытой AgNW [30]. Однако диапазон давления ограничен для конструкции этих датчиков. Таким образом, были предложены различные конструкции конструкции для улучшения характеристик датчиков давления. Чжун и др. разработали сверхчувствительный пьезорезистивный датчик с высокой гибкостью, который состоит из нановолокон POE и AgNW с помощью метода легкой фильтрации. Нановолокна воспроизводятся на нейлоновых тканях с рисунком с различным расположением волокон [12]. Несмотря на этот прогресс, о датчиках давления на текстильной основе со сверхвысокой чувствительностью и конструктивным дизайном пока редко сообщают.

Здесь мы предложили новую стратегию изготовления датчиков давления на основе текстиля. Был синтезирован раствор AgNW, а затем проводящая ткань может быть изготовлена ​​с использованием метода нанесения покрытия погружением, который осуществлялся путем погружения кусочков хлопка в дисперсию AgNW. Активный чувствительный элемент содержал двухслойный хлопок с покрытием из AgNW с прокладкой из хлопковой сетки для обеспечения первоначального контакта между ними. Измерение давления основано на изменении электрического тока из-за контакта между облицовочными слоями при внешнем давлении. Этот пьезорезистивный датчик давления на текстильной основе полностью использует синергетический эффект многоуровневых контактов волокна / пряжи / ткани, что обеспечивает сверхвысокую чувствительность 3,24 × 10 ⁵ кПа ⁻¹ при 0–10 кПа и 2,16 × 10 ⁴ кПа ⁻¹ при 10–100 кПа соответственно. Между тем, датчик давления обеспечивает быстрое время отклика / релаксации (32/24 мс) и высокую стабильность (> 1000 циклов загрузки / разгрузки). Такие устройства находят широкое применение в умной одежде, мониторинге активности и в медицинских устройствах.

Экспериментальный раздел

Материалы и методы

Раствор AgNWs был синтезирован гидротермальным методом. Сначала в ЭГ добавляли раствор ПВП; затем смесь перемешивали в течение 20 мин с получением раствора PVP / EG. Впоследствии растворы AgNO ₃ / EG и NaCl / EG были приготовлены аналогичным способом. Во-вторых, растворы AgNO ₃ / EG и NaCl / EG добавляли в PVP / EG, и смесь перемешивали и переносили в реакционный сосуд. В-третьих, котел нагревали до 140 ° C в течение 2 часов, а затем до 160 ° C в течение 30 минут. Впоследствии чайник охлаждали естественным образом до комнатной температуры. Полученные осадки промывали и несколько раз фильтровали на центрифуге с ацетоном и деионизированной водой с образованием белого порошка. Наконец, полученные AgNW диспергировали в этаноле с помощью ультразвука.

Изготовление датчика давления

Датчик давления на полностью текстильной основе был изготовлен методом «окунания и сушки» [31] (рис. 1). Сначала хлопчатобумажные ткани очищали ДИ и безводным этанолом в течение 15 мин. Во-вторых, ткани погружали в полученный раствор AgNW на 20 мин с последующей сушкой при 90 ° C в течение 10 мин (рис. 1а). Затем медные электроды прикрепляли к поверхности покрытых AgNW тканей серебряной пастой и сушили при 90 ° C в течение 1 ч. Между тем, с помощью процесса лазерного травления были изготовлены прокладки из хлопковой сетки с отверстиями разного диаметра (рис. 1b). Наконец, двухслойная чувствительная ткань со вставленной прокладкой из хлопковой сетки была собрана методом упаковки лицом к лицу (рис. 1c).

Процесс изготовления датчика давления на текстильной основе. а Процесс подготовки хлопка с покрытием AgNW. б Процесс изготовления сетки-распорки из хлопка. c Процесс сборки датчика давления

Характеристика

Изображения поверхностей ткани, покрытых AgNW, с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) получали с помощью GeminiSEM 500 (ZEISS, Нью-Йорк, Америка) при 5 кВ. Текущий отклик датчиков давления регистрировался с помощью цифрового измерителя (Keithley 4200, Америка) и измерялся с помощью цифрового датчика давления (SJS-500V, Китай).

Результаты и обсуждение

На рис. 2 показаны СЭМ-изображения морфологии ткани, покрытой AgNW, при разном увеличении. Как показано на рис. 2а, пряжа хлопка естественным образом наслоена с пористой структурой. Наружная поверхность ткани покрыта AgNW (рис. 2b), на которых нанопроволоки равномерно намотаны на волокна. В частности, между соседними нитями есть пустые промежутки, которые перекрываются присоединенными проводящими сетками AgNW (рис. 2c). Следует отметить, что между соседними нитями наблюдались длинные и однородные проволоки, а средний диаметр AgNW составляет около 55 нм. На рис. 2d, AgNW однородно сформированы на основной площади поверхности пряжи, но в какой-то момент отсоединены из-за плохой адгезии. Кроме того, расстояние между нанопроводами, приклеенными к отдельной пряже, относительно больше, чем расстояние между нанопроволоками между соседними пряжами.

Морфология тканей, покрытых AgNWs. а - г СЭМ-изображения морфологии поверхности ткани, покрытой AgNW, с различным расположением AgNW и разным увеличением, на которых c это СЭМ-изображение AgNW между нитями и d AgNW, покрытые одиночным волокном

Кроме того, плотность AgNW на поверхности тканей регулировалась временем циклов нанесения покрытия погружением. Ткань, покрытая AgNWs с 1 циклом погружения и 5 циклами погружения, показана на рис. S1 и рис. 2d, соответственно. По сравнению с сеткой с высокой плотностью, расстояние между ячейками нанопроволоки за 1 цикл погружения было увеличено с 1 до 2–4 мкм.

Состав ткани, покрытой AgNWs, также был исследован с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS), как показано на вставке на рис. S2. Помимо содержания C и O, которое в основном связано с хлопком, также наблюдался элемент Ag, что указывает на распределение AgNW на хлопке.

Принцип действия датчика давления показан на рис. 3a, а изображения поперечного сечения датчика при различных давлениях показаны на рис. 3b – e. В разгрузочном состоянии начальное сопротивление велико, что вызвано бесконтактными AgNW на тканях (рис. 3b). После приложения давления увеличивающиеся в масштабе волокна контакты нанопроволок на соседних тканях способствовали уменьшению сопротивления (рис. 3c). Более того, когда нанопроволоки на тканях полностью контактировали, продолжающееся давление, оказываемое на волокна, увеличивало контакты на уровне пряжи. Как показано на рис. 3d, длина пряжи в Y направление уменьшается примерно с 200 до 160 мкм, подтверждая сжатие между нитями. Согласно изображениям поперечного сечения SEM, AgNW формировались как на поверхности пряжи, так и внутри соседних нитей (рис. S3). Когда было приложено давление и пряжи были сжаты, AgNW внутри пряжи могли контактировать и еще больше уменьшали сопротивление датчика. С увеличением давления нагрузки соседние ткани сжимались (рис. 3д); тканевые контакты дополнительно уменьшили сопротивление датчика из-за увеличения площади контакта между облицовочными тканями. На этом этапе общая толщина двухслойных тканей была уменьшена с 600 до 350 мкм. Следовательно, определение давления датчиками определялось синергетическим эффектом многомасштабного контакта волокна / пряжи / ткани. Эти изображения поперечного сечения, полученные с помощью SEM, дополнительно подтвердили механизм измерения давления.

Принцип действия датчика давления. а Схематическое изображение измерения давления. б - е СЭМ-изображения поперечного сечения ткани, покрытой AgNWs, при разном давлении

Влияние изгиба на морфологию поверхности тканей, покрытых AgNW, было исследовано с помощью изображений поперечного сечения SEM, показанных на рис. S4. При небольшой деформации изгиба нет явных проблем с трещинами и отслаиванием сетки AgNW на тканях (рис. S4b) по сравнению с исходным состоянием (рис. S4a). Для дальнейшего исследования влияния деформации изгиба были сделаны СЭМ-изображения тканей, покрытых AgNW, с 500-кратными циклами изгиба, которые показаны на рис. S5. На рис. S5 показано множество отслоившихся пятен, которые потенциально могут привести к разрушению устройства. Этот результат указывает на то, что стабильность ткани, покрытой AgNW, должна быть улучшена в будущем.

На рис. 4а показаны вольт-амперные характеристики датчика давления при различных давлениях. При увеличении приложенного давления от 0 до 100 кПа сопротивление датчика уменьшалось. Кроме того, реакция датчика была стабильной и соответствовала закону Ома [32]. Ток датчика давления показан на рис. 4b, который относительно постоянен при различном приложенном давлении, показывая, что реакция датчика стабильна для разных давлений. Таким образом, результаты обеспечивают отличную электрическую стабильность для потенциального применения датчика давления.

Характеристики датчиков давления. а ВАХ датчика давления при различных приложенных давлениях. б Текущий отклик датчика при разных давлениях. c , d Сравнение производительности датчиков давления с различными циклами нанесения покрытия погружением и диаметром отверстий сетки

Чтобы исследовать характеристики датчиков давления, относительные изменения тока (Δ I / Я ₀ ) от давления с различными циклами нанесения покрытия погружением AgNW и диаметрами отверстий сетки показаны на рис. 4c, d. Здесь чувствительность датчика давления была определена как S =(Δ I / Я ₀ ) / P , где P обозначает приложенное давление. При диаметре отверстия сетки 0,25 мм чувствительность датчика давления сильно зависела от циклов нанесения покрытия погружением на AgNW. Повышена чувствительность сенсоров с 2,12 × 10 ³ . кПа ⁻¹ до 1,98 × 10 ⁵ кПа ⁻¹ в диапазоне 0–10 кПа при увеличении количества циклов нанесения покрытия погружением с 1 до 5. Кроме того, чувствительность улучшилась с 764 до 1,12 × 10 ³ кПа ^–1 при 10–100 кПа. Повышение чувствительности при использовании большого количества циклов нанесения покрытия погружением в основном объясняется увеличением плотности AgNW.

Кроме того, впоследствии была охарактеризована зависимость диаметра отверстия. Датчики давления с 5 циклами нанесения покрытия погружением показали возрастающую чувствительность с увеличением диаметра, которая была увеличена с 1,12 × 10 ³ , 9,88 × 10 ³ , до 2,16 × 10 ⁴ кПа ^–1 в диапазоне давлений 10–100 кПа соответственно. Повышение чувствительности в основном объясняется увеличением площади контакта через отверстия большего размера. Однако после того, как диаметр превысил 1 мм за 4 цикла, начальная граница раздела облицовочных тканей привела к большему контакту в разгрузочном состоянии, что значительно снизило контактное сопротивление между тканями (рис. S6). Кроме того, при изменении толщины проставочного хлопка характеристики датчиков ухудшаются (рис. S7). Датчик с меньшей толщиной показывает уменьшение ∆ I / Я ₀ за счет контакта облицовочных тканей в исходном состоянии (рис. S7a). Кроме того, более высокая толщина снижает контакт тканей. Когда толщина прокладки из хлопка увеличилась до 1 мм, AgNW на тканях не соприкасались, пока давление не превысило 10 кПа (рис. S7c).

Примечательно, что датчик давления четко показывает два линейных сегмента тока; чувствительность резко возрастает в диапазоне низкого давления и постепенно увеличивается в диапазоне высокого давления. В соответствии с принципом измерения, как мы упоминали выше, в диапазоне низкого давления соседний контакт AgNW играет важную роль в увеличении тока. Кроме того, при увеличении давления до 10–15 кПа AgNW на границе раздела полностью контактировали. Текущие изменения в основном определялись контактным сопротивлением между пряжей и тканью, которое было относительно стабильным. Контакт между пряжей и тканевой чешуей играл более важную роль в механизме обнаружения при 5-кратных циклах нанесения покрытия погружением и диаметре 0,75 мм за счет повышения чувствительности и линейного диапазона. Следовательно, диаметр 0,75 мм (рис. 4d) показал более высокую чувствительность и больший линейный диапазон из-за увеличенного контакта [33, 34].

Динамический отклик устройства был изучен при циклах давления нагружения / разгрузки. Датчик немедленно реагировал на циклическое давление. Отклик с временным разрешением анализировали для количественной оценки времени отклика и релаксации (рис. 5а). Измеренные времена отклика и релаксации составили 32 и 24 мс соответственно. Рабочие характеристики датчика при перепаде давления также исследуются и показаны на рис. S8. Датчик четко распознал небольшое давление в 50 Па, что указывает на отличные характеристики датчика. Δ I / Я ₀ с приложенным давлением 10 кПа с 1000 циклов нагружения был использован для проверки воспроизводимости устройства (рис. 5b). Результаты показывают отличную стабильность датчиков давления. Кроме того, была исследована воздухопроницаемость как обычного хлопка, так и хлопка с покрытием AgNW. Несмотря на то, что воздухопроницаемость была снижена с 787,3 до 252,6 мм / с, это значение все еще намного выше, чем недавно опубликованные [35, 36]. Этот результат продемонстрировал, что носимые датчики давления на основе тканей, покрытых серебряной нанопроволокой, остаются хорошей воздухопроницаемостью из-за своей высокой пористости.

а Время отклика / отпускания устройства. б Циклическое испытание устройства под давлением 10 кПа. c Сигнал пульса на запястье человека-пользователя. г Текущий сигнал соответствует дыханию при нормальном дыхании

Из-за естественной гибкости тканей и высокой чувствительности датчиков датчик давления можно было носить и улавливать механические сигналы, такие как физиологический пульс и частота дыхания. Сначала устройство прикрепляли к запястью с помощью липкой повязки для контроля пульсового давления. На рис. 5c представлены записанные в реальном времени данные, в которых измеренная частота пульса составила ≈ 72 ударов в минуту ^–1 . . Кроме того, датчик также был прикреплен к маске для определения состояния дыхания. Рис. 5d показывает, что нормальная частота дыхания составляет 10 вдохов в минуту для взрослого и прямоугольная волна для нормального дыхания. Кроме того, ширина диапазона волн указывает на поддерживаемое время дыхания. Эти результаты говорят о том, что датчик давления с высокой чувствительностью и превосходным качеством имеет большой потенциал в области применения носимых медицинских устройств.

Заключение

В данной работе AgNW были изготовлены гидротермальным методом, а их морфология охарактеризована и проанализирована. Датчик давления на полностью текстильной основе был изготовлен путем вставки прокладки из хлопковой сетки между двухслойным хлопком с покрытием AgNW. Благодаря коллективному эффекту многомасштабных контактов волокна / пряжи / ткани датчик имеет чрезвычайно высокую чувствительность (3,24 × 10 ⁵ кПа ⁻¹ при 0–10 кПа и 2,16 × 10 ⁴ кПа ⁻¹ при 10–100 кПа соответственно), быстрое время отклика / восстановления (32/24 мс), высокая стабильность (1000 циклов) и широкий диапазон давления (0–100 кПа). Мониторинг физиологических сигналов, таких как пульсовое давление, был успешно продемонстрирован. Благодаря простому и эффективному методу изготовления такой сверхчувствительный датчик давления будет способствовать широкому применению в разработке следующего поколения умной одежды, устройств для мониторинга активности и медицинских устройств.

Доступность данных и материалов

Авторы заявляют, что материалы и данные доступны читателям, и все выводы, сделанные в этой рукописи, основаны на данных, которые все представлены и показаны в этой статье.

Сокращения

CNT:

Углеродные нанотрубки

AgNW:

Нанопроволока Ag

PVP:

поливинилпирролидон

Пример:

Этиленгликоль

NaCl:

Натрия хлорид

DI:

Деионизированная вода

SEM:

Сканирующий электронный микроскоп

EDS:

Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия