Передовый гибкий магнитный полевой сенсор с Ag нанопроводами и магнитными наночастицами в PDMS

Аннотация

В статье представлен новый гибкий магнитный полевой сенсор на основе Ag нанопроводов и магнитных наночастиц, легированных в полидиметилсилоксан (AgNWs & MNs-PDMS) с сэндвич-структурой. MNs выступают чувствительным блоком для магнитного поля. Кроме того, проводимые сети формируются AgNWs при деформации. Магнитострикция приводит к изменению сопротивления сенсоров AgNWs & MNs-PDMS. Более того, MNs увеличивают проводимые пути для электронов, приводя к более низкому начальному сопротивлению и более высокой чувствительности получаемого сенсора при деформации. Важно подчеркнуть, что взаимодействие AgNWs и MNs играет незаменимую роль в магнитном сенсировании, поэтому исследовалось изменение сопротивления при растяжении и сжатии. Гибкий магнитный сенсор на основе массового соотношения MNs и AgNWs 1:5 показал высшую чувствительность 24,14 Ом/Тл в эксперименте по магнитному сенсированию. Наконец, магнитостриктивная и пьезорезистивная сенсорные модели были установлены для исследования механизма сенсора.

Введение

Гибкие электронные устройства в последнее время привлекли огромное внимание благодаря своим способностям к легкому взаимодействию и длительному мониторингу [1–5]. Они становятся одним из самых перспективных электрических сенсоров благодаря преимуществам: малый вес, переносимость, отличные электрические свойства и высокая интеграция [6–11]. Несомненно, наноматериалы играют незаменимую роль в гибких сенсорах благодаря их выдающимся свойствам, например малым размерам, поверхностному эффекту и квантовому туннельному эффекту [12–14]. Основываясь на резонансном туннельном эффекте наноматериалов, многие исследования фокусируются на пьезорезистивных тензодатчиках, чьи сопротивления меняются при деформации [15–17]. Одним из ключевых приложений мягких тензодатчиков является гибкая электронная кожа, поэтому мультифункциональность является трендом развития сенсоров. Некоторые отчеты заявляли о добавлении температурных [18, 19] и влажностных [20, 21] сенсорных модулей в тензодатчики массивы.

Помимо деформации, температуры и влажности, массивы сенсоров электронной кожи острее нуждаются в новых функциях. Иными словами, больше функций делает электронную кожу более интеллектуальной. Среди новых функций магнитное сенсирование — новое приложение. Следует упомянуть, что только мягкий магнитный сенсор может использоваться как модуль для электронной кожи в будущем. Благодаря тому, что мягкие магнитные сенсоры могут применяться в более сложных областях благодаря своей гибкости и эластичности, некоторые исследователи работают в этой области [22–26]. Chlaihawi et al. подготовили ME гибкий тонкопленочный сенсор для H_ac сенсирования [27]. Jogschies et al. исследовали тонкие NiFe 81/19 полиимидные слои для магнитного сенсирования [28]. Tekgül et al. применили CoFe/Cu магнитные многослои на GMR сенсорах [29]. Melzer et al. сообщали о гибких магнитных сенсорах, основанных на эффекте Холла [30]. Число гибких оптических магнитных сенсоров также изучалось [31–34]. По сравнению с традиционными магнитными детекторами, гибкие магнитные сенсоры удобнее в применении, они меньше и более подходят для детектирования в сложных средах. Однако исследования о мягких магнитных сенсорах для мультифункциональной электронной кожи редко сообщались, насколько нам известно.

Благодаря отличным электронным и магнитным свойствам Ag NW [35–37] и MNs (Ni-Fe) [38, 39] соответственно, в данной работе предлагается дизайн и измерение гибких AgNWs & MNs-PDMS магнитных сенсоров с сэндвич-структурой на основе магнитостриктивного и пьезорезистивного эффектов. MNs были введены как магнитно-чувствительные единицы в AgNWs-основанный пьезорезистивный тензодатчик. Различная магнитостриктивная деформация AgNWs & MNs-PDMS сенсора вызывает различные вариации сопротивления. После характеристики наноматериалов три разных массовых соотношения MNs и AgNWs (AgNWs & MNs; 1:1, 1:2, 1:5) использовались для подготовки гибких магнитных сенсоров. До исследования магнитных сенсорных свойств сенсоров изучались отношения между изменением сопротивления и растяжением или сжатием для заключения о взаимодействии MNs и AgNWs. Основываясь на результатах характеристики, полученный в этой работе магнитный сенсор может быть применен в мультифункциональной электронике в будущем.

Методы

Подготовка гибких сенсоров

MNs синтезировались методом латексного компаундинга [24, 25]. Диаметр и длина AgNWs (приобретенных у Changsha Weixi New Material Technology Corporation, Китай, в длину) составляют 50 нм и 20 мкм соответственно. Разные соотношения MNs и AgNWs выбирались для исследования правильного количества наноматериалов. Таким образом, MNs и AgNWs в массовом соотношении 0:1, 1:5, 1:2 и 1:1 ультразвуково диспергировались в абсолютном этаноле. Рисунок 1 показывает схему процесса фабрикации сенсора. PDMS эластомер и перекрестный сшиватель в массовом соотношении 10:1 наносились на подложку с прямоугольной лентой, наклеенной на нее. После нагрева при 70 °C в течение 2 ч PDMS с желобом снимался и резался на требуемую форму, размер желоба 30 мм × 5 мм. Четыре образца AgNWs & MNs в разных соотношениях заполняли пазы PDMS пленок соответственно. Два мягких медных электрода устанавливались по обе стороны, затем PDMS наносился сверху для фиксации электродов и наноматериалов. После нагрева при 70 °C в течение 2 ч сенсоры получались.

Схема структурного дизайна и блок-схема процесса фабрикации сенсора

Характеризация

AgNWs & MNs с разными соотношениями смешивания характеризовались сканирующей электронной микроскопией (SEM, S4700 SEM Hitachi Corporation, Tokyo, Japan). Компоненты AgNWs & MNs в разных массовых соотношениях характеризовались XRD измерениями (Buker D8 Advance) с Cu K излучением длины волны 1,5406 Å.

Вольт-амперные характеристики измерялись прибором Keithley 2400 Source Meter при комнатной температуре (комнатная температура 25 °C). Растягивающие эксперименты проводились на растяжной платформе (Zolix TSM25-1A и Zolix TSMV60-1 s, Zolix Corporation, Beijing, China), а сопротивление сенсоров измерялось Keithley 2400 Source Meter. Эксперименты по магнитному сенсированию проводились, когда гибкий сенсор был зафиксирован в разных магнитных полях. Интенсивность магнитного поля начиналась от 0 Тл и увеличивалась на 0,1 Тл.

Результаты и обсуждение

XRD спектр MNs показан на рис. 2. Характерные пики указывают, что MNs состоят из FeCo, FeNi и Co(OH)₂. Результат демонстрирует, что все эти композиции являются магнитными материалами.

XRD спектр MNs

SEM изображения AgNWs & MNs показаны на рис. 3. Чистые Ag NW с длиной 20 мкм и диаметром 50 нм формируют линейную сеть, наблюдаемую на рис. 3a. Морфологии AgNWs & MNs в массовом соотношении 5:1, 2:1 и 1:1 показаны на рис. 3b–d. Небольшие количества MNs среди Ag NW можно наблюдать на рис. 3b. Сети на рис. 3c более разреженные по сравнению с рис. 3a, b очевидно. Более того, изгиб AgNWs и большее количество MNs видны на рис. 3d. Проводимые сети, построенные AgNWs, и количество MNs очевидно возрастают на рис. 3a–d. Равномерное смешивание Ag NW и MNs, показанное на рис. 3a–d, играет соединительную роль для повышения чувствительности сенсоров при растяжении или сжатии. Роли AgNWs и MNs можно объяснить результатами на рис. 3.

a AgNWs & MNs в массовом соотношении 1:0, b 5:1, c 2:1 и d 1:1

Вольт-амперные характеристики сенсоров на основе AgNWs & MNs в массовом соотношении 1:0, 5:1, 2:1 и 1:1 показаны на рис. 4. Все четыре кривые являются гладкими прямыми линиями, что означает, что четыре сенсора показывают значительные омические характеристики. Это объявляет, что эти сенсоры проводят и стабильны без деформации.

Вольт-амперные характеристики сенсоров на основе AgNWs & MNs в массовом соотношении a 1:0, b 5:1, c 2:1 и d 1:1

Можно рассчитать из рис. 4a, что сопротивление сенсора составляет 41,58 Ом, когда чувствительный элемент — чистые AgNWs. Сопротивления сенсоров на основе AgNWs & MNs в массовом соотношении 1:0, 5:1, 2:1 и 1:1 составляют 30,2 Ом, 5,04 Ом и 2,87 Ом как показано на рис. 4b–d. Показана тенденция к снижению сопротивления при внедрении MNs в чувствительные ячейки. Сравнивая сопротивления четырех сенсоров, можно заключить, что сопротивления гибких магнитных сенсоров уменьшаются с увеличением доли MNs, и минимальное сопротивление возникает у сенсора с AgNWs & MNs в массовом соотношении 1:1. Это также доказывает, что смешивание AgNWs & MNs в определенной пропорции помогает снизить сопротивление, потому что проводящие компоненты MNs приводят к большему количеству проводимых путей в сетях.

Отношения между изменением сопротивления и растяжением или сжатием изучались для заключения о взаимодействии MNs и AgNWs при деформации. Относительные изменения сопротивления AgNWs & MNs-основанных сенсоров с удлинением при комнатной температуре показаны на рис. 5a–d. Изменение сопротивления в процессе растяжения представлено черными кривыми, а изменение сопротивления в процессе восстановления — красными кривыми. ΔR и R₀ представляют относительное изменение сопротивления под деформацией и начальное сопротивление сенсора, а L₀ и ΔL представляют начальную длину и относительное удлинение осевого образца сенсора. Коэффициент чувствительности сенсоров мог быть рассчитан через уравнение коэффициента чувствительности (GF) = ΔR/R₀ : ΔL/L₀. Рисунок 5a показывает, что AgNWs-основанный сенсор проводящ в процессе растяжения и восстановления, когда растянутая длина в пределах 7,12% от исходной длины, и его GF составляет 129,6. Сопротивление увеличивается при растяжении. Это можно приписать увеличению интервала между AgNWs в сенсоре при деформации, туннельные каналы и проводимые пути уменьшаются таким образом. Обратный процесс вызывал снижение сопротивления при сжатии. Когда MNs были внедрены в чувствительный элемент, деформационные сенсорные характеристики гибкого прибора также менялись. Сопротивление сенсора на основе AgNWs & MNs в массовом соотношении 5:1 меняется почти линейно, когда диапазон растяжения в пределах 4,4% от исходной длины на рис. 5b. Когда растянутая длина больше 3,9% от исходной длины, происходили более высокие увеличения сопротивления. GF сенсора увеличивается до 257, что означает увеличение чувствительности сенсора по сравнению с сенсором на чистых AgNWs. Однако диапазон деформации не улучшается участием MNs в массовом соотношении 5:1, что можно наблюдать на рис. 5a, b. Рисунок 5c демонстрирует, что сопротивление сенсора на основе AgNWs & MNs в массовом соотношении 2:1 меняется линейно, когда диапазон растяжения в пределах 8,7% от исходной длины, и GF сенсора составляет 264,4, что выше, чем у сенсоров на основе AgNWs & MNs в массовом соотношении 1:0 и 5:1. На рис. 5d сопротивление сенсора на основе AgNWs & MNs в массовом соотношении 1:1 меняется линейно, когда диапазон растяжения в пределах 9% от исходной длины. Когда растянутая длина больше 9% от исходной длины, сопротивление меняется существенно, и GF составляет 222,2. Подводя итог, гибкий магнитный сенсор на основе AgNWs & MNs в массовом соотношении 2:1 показывает наибольший GF 264,4 и имеет относительно большой диапазон растяжимости. Более того, этот сенсор реагирует более чувствительно по мере увеличения напряжения, изменение сопротивления имеет лучшую линейную связь. Основываясь на основном компоненте MNs — FeCo, который является проводящим сплавом. Сравнивая эти четыре вида сенсоров, большее участие MNs создает больше проводимых путей в чувствительных единицах при растяжении. Однако более высокое соотношение MNs в Ag NWs & MNs при том же качестве означает меньшее количество Ag NW, что вредно для стабильности проводящей сети при деформации. Это причина относительного пружинистого падения сопротивления при 9% смещении. Следовательно, AgNWs & MNs в массовом соотношении 1:1 — это наибольшее количество MNs, которое мы спроектировали в этой работе, и сенсор на основе AgNWs & MNs в массовом соотношении менее 1:1 становится непроводящим сразу при растяжении. Результаты рис. 5 демонстрируют, что синергетические эффекты AgNWs и MNs в определенных соотношениях повышают чувствительность и диапазон деформации.

Относительные изменения сопротивления сенсоров на основе AgNWs & MNs в массовом соотношении a 1:0, b 5:1, c 2:1 и d 1:1 при деформации

MNs могут сближаться под магнитным полем, поэтому магнитострикция может приводить к сжатию сенсоров. Для характеристики взаимодействия AgNWs и MNs в сенсорах при сжатии мы измерили изменение сопротивления при сжатии, экспериментальные результаты показаны на рис. 6. Рисунок 6a показывает, что AgNWs-основанный сенсор проводящ в процессе сжатия и восстановления, когда длина сокращения в пределах 1,6% от исходной длины, и его максимальный GF 13,75; AgNWs, встроенные в PDMS, контактируют вместе в процессе сжатия, что приводит к увеличению проводимых путей. Поэтому сопротивление уменьшается по мере увеличения сжимающей силы. Уменьшение интервала между AgNWs в сенсоре, все больше нанопроводов перекрываются, результатом чего является снижение сопротивления сенсора. Когда мы внедрили MNs в AgNWs, рис. 6b иллюстрирует характеристики сжатия гибкого прибора на основе AgNWs & MNs в массовом соотношении 5:1. Сопротивление сенсора меняется с диапазоном сжатия 2,5% от исходной длины, и его максимальный GF 24. Существенно, то же изменение сопротивления также применяется к сенсорам на основе AgNWs & MNs в массовом соотношении 2:1 и 1:1, что показано на рис. 6c, d. Увеличение массового соотношения MNs в чувствительном элементе, сопротивление сенсора на основе AgNWs & MNs в массовом соотношении 2:1 меняется, когда диапазон сжатия в пределах 1,6% от исходной длины, и его GF 21,875. В то же время сопротивление сенсоров на основе AgNWs & MNs в массовом соотношении 1:1 также уменьшалось, когда диапазон сжатия в пределах 2,8% от исходной длины, и его GF 20,35. Можно заключить, что изменение сопротивления сенсора на основе AgNWs & MNs в массовом соотношении 5:1 при сжатии больше, чем у других трех сенсоров, и чувствительность наивысшая. Вопреки процессу растяжения, сопротивление всех сенсоров уменьшается по мере увеличения длины сокращения. Когда AgNWs & MNs в массовом соотношении 5:1, сенсор имеет наивысший коэффициент чувствительности в процессе сокращения, чей максимальный GF 24. Сравнивая рис. 6a–d, меньшее количество MNs соединяет проводимые пути легче, потому что есть больше пространства для движения материалов при сжатии, что противоречит результатам рис. 5. Соответственно, GF сенсора на основе AgNWs & MNs в массовом соотношении 5:1 наивысший при сжатии. Результаты рис. 6 демонстрируют, что синергетические эффекты происходят, когда AgNWs и MNs в большем соотношении.

Относительные изменения сопротивления сенсоров на основе AgNWs & MNs в массовом соотношении a 1:0, b 5:1, c 2:1 и d 1:1 при сжатии

В разных магнитных полях разные изменения сопротивления гибких магнитных сенсоров показаны на рис. 7. Сопротивление AgNWs основного сенсора составляет 41,58 Ом. Как показано на рис. 7a, мы поместили сенсор на чистых AgNWs в постепенно увеличивающееся магнитное поле, и сопротивление сенсора меняется, так как он вибрирует соответственно. Из-за магнитостриктивного эффекта металлических материалов сопротивление сенсора слегка меняется. Максимальная скорость изменения сопротивления составляет 0,037, когда интенсивность магнитного поля 0,4 Тл. Сопротивление сенсора на основе AgNWs & MNs в массовом соотношении 5:1 также уменьшается с увеличением интенсивности магнитного поля, как показано на рис. 7b. По сравнению с сенсором без MNs, изменение сопротивления сенсора на основе AgNWs & MNs в массовом соотношении 5:1 при изменении магнитного поля более очевидно. Когда интенсивность магнитного поля 0,4 Тл, максимальная скорость изменения сопротивления составляет 0,28. На рис. 7c, d то же применение к сенсорам на основе AgNWs & MNs в массовом соотношении 2:1 и 1:1, и изменения сопротивления составляют 0,14 и 0,19 по мере увеличения магнитного поля соответственно. Чувствительность сенсора на основе AgNWs & MNs в массовом соотношении 5:1 наивысшая, и непрерывное изменение сопротивления с магнитным полем показано на рис. 8. Сравнение параметров тензодатчиков на основе разных соотношений MNs и AgNWs представлено в Таблице 1.

Изменения сопротивления в разных магнитных полях

Зависимость сопротивления от разных магнитных полей

Можно рассчитать, что чувствительность магнитного сенсора составляет 24,14 Ом/Тл. В заключение, когда массовое соотношение MNs и AgNWs 1:5, ответ сенсора на изменяющееся магнитное поле наиболее чувствителен с чувствительностью 24,14 Ом/Тл. Гибкий магнитный сенсор, полученный в этой работе, может быть далее применен для детектирования интенсивности магнитного поля. Результаты тестирования этого приложения соответствуют процессу сжатия сенсора при сравнении результатов на рис. 7 и 8. Это означает, что наноматериалы в сенсорах сближаются, когда они помещаются в магнитное поле. Механизм анализа детально объявляется следующим образом.

Для понимания вариаций сопротивления сенсоров при разных интенсивностях магнитного поля мы предлагаем простую модель для описания принципа работы сенсора, как показано на рис. 9. Многочисленные AgNWs и MNs в PDMS формируют проводящую сеть. Проводимые пути, образованные AgNWs и MNs без магнитного поля, показаны красными линиями на рис. 9a. MNs стремятся к равномерному упорядочиванию под магнитным полем, что показано на рис. 9b. Однако есть крошечное пространство для изменения позиции MNs, поэтому только направления MNs меняются с линиями магнитного поля. Более высокая интенсивность магнитного поля означает большую силу MNs, которая может преодолеть сетевые ограничения AgNWs. Направление движения MNs заставляет Ag NW собираться вместе, что является причиной увеличения числа проводимых путей. Больше проводимых путей означает больше передачи электронов, что приводит к более низкому сопротивлению, сопротивление уменьшается с увеличением интенсивности магнитного поля таким образом.

Схематическая сенсорная модель AgNWs & MNs-PDMS мягкого магнитного сенсора

Заключение

Прибор, спроектированный в этой статье, соответствует тренду развития гибкой электроники. Гибкий магнитный сенсор на основе AgNWs & MNs-PDMS с сэндвич-структурой изучался в этой работе. Основываясь на SEM и XRD характеристиках, компоненты и морфологии разных соотношений наноматериалов были определены. Затем измерялись вольт-амперные характеристики и изменения сопротивления сенсоров на основе AgNWs & MNs в массовом соотношении 1:0, 5:1, 2:1 и 1:1 при растяжении и сжатии соответственно. Взаимодействие между AgNWs и MNs при деформации было заключено через результаты характеристики. Затем сенсоры на основе разных массовых соотношений MNs и AgNWs исследовались для магнитных сенсорных свойств. Когда массовое соотношение AgNWs и MNs 5:1, изготовленный сенсор показывает высшую чувствительность 24,14 Ом/Тл. Экспериментальные результаты показывают, что сенсор сжимается с увеличением интенсивности магнитного поля. Более того, магнитостриктивная и пьезорезистивная сенсорные модели были установлены для исследования механизма этого сенсора.

Аббревиатуры

AgNWs:

Ag нанопроводы

GF:

Коэффициент чувствительности

MNs:

Магнитные наночастицы

PDMS:

Полидиметилсилоксан

SEM:

Сканирующий электронный микроскоп

XRD:

Рентгеновская дифракция