Ультрачувствительный бумажный емкостной гибкий датчик давления для носимых и искусственной кожи применений

Аннотация

Гибкие датчики давления (FPS) играют ключевую роль в робототехнике, носимых устройствах, электронной коже и биомедицинской диагностике. Традиционные высокопроизводительные FPS часто опираются на сложные микромеханические или микролитьевые этапы. Здесь мы представляем простой, масштабируемый емкостной FPS, использующий бумагу, покрытую серебряными нанопроволоками (AgNW), как электродный субстрат, и полидиметилсилоксан (PDMS) как диэлектрик. Полученный датчик обеспечивает чувствительность 1,05 кПа⁻¹ и динамический диапазон от 1 Па до 2 кПа — показатели, сравнимые или превосходящие современные устройства. Реальные тесты демонстрируют надежное детектирование изгибов, нажатий пальцем и голосовых вибраций, подчеркивая его перспективность для искусственной кожи и носимых технологий.

Введение

Гибкость и бесшовная интеграция с изогнутыми поверхностями поставили FPS на передний план носимой электроники, роботизированных кож и биомедицинского мониторинга. Хотя существуют механизмы на основе полевых транзисторов, пьезоэлектрических и пьезорезистивных эффектов, емкостные FPS выделились как наиболее привлекательные благодаря их прямой архитектуре, широкому динамическому диапазону и отличной долгосрочной стабильности. PDMS, известный своей гибкостью, биосовместимостью и диэлектрической прочностью, часто служит одновременно диэлектриком и структурным слоем в емкостных FPS. Серебряные нанопроволоки (AgNW) сочетают выдающуюся электрическую проводимость, оптическую прозрачность и механическую робастность, делая их идеальными для гибких электродов в различных устройствах, таких как солнечные батареи и нагреватели. Предыдущие работы интегрировали AgNW с PDMS, достигая повышенной чувствительности за счет внедрения AgNW в полимерную матрицу. Однако многие высокопроизводительные FPS все еще требуют сложного микропаттернирования или литья диэлектрических слоев. Наш подход обходит эти сложности, используя обычную печатную бумагу, покрытую AgNW, как электроды и ламинируя PDMS с обеих сторон, что приводит к датчику с высокой чувствительностью, большим динамическим диапазоном и надежной механической устойчивостью.

Методы

Подготовка AgNW, AgNW пленок, PDMS пленок и емкостных FPS

AgNW синтезировали гидротермальным путем. 0,3 М PVP/этиленгликоль (EG) раствор (0,2 г PVP в 6 мл EG, перемешивание 20 мин) смешивали с 0,1 М AgNO₃/EG и 0,01 М NaCl/EG. Объединенный раствор переносили в тефлоновую автоклавную камеру, нагревали до 140 °C на 2 ч, затем до 160 °C на 30 мин, получая белый порошок AgNW после повторных промывок и центрифугирования с ацетоном и деионизированной водой. Финальный продукт диспергировали в 100 мл этанола для изготовления пленок.

AgNW пленки производили воздушно-распылительным методом на очищенный 20 мм × 20 мм бумажный субстрат, нагретный до 100 °C. Использовали сопло 0,5 мм на расстоянии 150 мм и давлении 0,1 МПа; варьируя время распыления, регулировали толщину пленки и сопротивление. После осадки субстрат оставляли на горячей пластине 1 ч для удаления остаточного PVP. PDMS (Sylgard 184) смешивали с катализатором в соотношении 10:1, мешали 20 мин, дегазировали 10 мин, спин-коутингом наносили на очищенное стекло и отверждали при 65 °C 2 ч. Полученную самонесущуюся PDMS пленку снимали.

Сэндвич-тип емкостной FPS (Рис. 1) собирали, помещая два AgNW-бумажных электрода по обе стороны диэлектрика PDMS. Медные выводы приклеивали проводящей серебряной краской, и датчик герметизировали прозрачной лентой.

Характеризация и тестирование

Поверхностные морфологии изучали на FEI Inspect F50 SEM. UV-Vis спектры (Shimadzu 1700) оценивали чистоту AgNW. Датчик оценивали на кастомной давлении платформе с силовым датчиком (HP-5) и самодельным LM555-базированным осциллятором, преобразующим изменения емкости в частоту. Сбор данных осуществляли мультиметром Keithley 2700.

Результаты и обсуждение

SEM изображения (Рис. 2a) раскрывают однородные, длинные, тонкие AgNW (~100 нм диаметр) с минимальными примесями, подтверждая высокое качество нанопроволок. UV-Vis спектры (Рис. 3) показывают характерные плазмонные пики на 355 нм и 380 нм, дополнительно валидируя чистоту.

Давление-емкость измерения (Рис. 4a) демонстрируют два линейных режима: высокочувствительную низкодавленную зону и менее чувствительную высокодавленную зону, с переходом около 2 кПа. Пиковая чувствительность датчика 1,05 кПа⁻¹ превосходит большинство сообщенных устройств при сохранении простого процесса фабрикации. Базовый механизм исходит от микроволнистой структуры бумаги; приложенное давление загоняет воздух в борозды, вызывая вмятины в AgNW сети, которые усиливают эффективную площадь электродов и уменьшают межэлектродное расстояние — оба фактора усиливают изменение емкости.

Низкодавленные тесты (Рис. 4b) подтверждают детектирование до 1 Па с полным восстановлением, указывая на отличную стабильность и быстрый отклик. Кратковременная повторяемость за 500 циклов при 81 Па (Рис. 4c) показывает незначительный дрейф, и долгосрочное старение после одного месяца (Рис. 4d) демонстрирует неизменный низкодавленный отклик, с лишь умеренным снижением при высоком давлении, не влияющим на общую производительность.

Практические демонстрации подчеркивают универсальность датчика: (i) тесты изгиба (Рис. 5a) показывают близкую к линейной емкость-угловую кривую, позволяя точный мониторинг углов суставов; (ii) детектирование нажатий пальцем (Рис. 5b) регистрирует ~700 пФ пиков на клик; (iii) сенсирование голосовых вибраций (Рис. 5c) отличает отдельные слоги с высокой повторяемостью. 8 × 8 пиксельный массив (Рис. 5d), изготовленный с размером пикселя 2 мм × 2 мм, успешно картографирует кончик карандаша и пластилиновую пулю, показывая незначительный кросс-ток и четкое распознавание формы.

Заключение

Используя гидротермально выращенные AgNW на обычной бумаге и PDMS диэлектрические слои, мы произвели емкостной FPS, объединяющий высокую чувствительность (1,05 кПа⁻¹), широкий динамический диапазон (1 Па–2 кПа) и замечательную стабильность. Датчик надежно детектирует человеческие движения — изгибы, нажатия и речь — и 8 × 8 массив демонстрирует низкий кросс-ток и распознавание формы объектов. Эти атрибуты подчеркивают пригодность платформы для искусственной кожи, мониторинга движений, носимых устройств и тактильной идентификации объектов.

Доступность данных и материалов

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

Аббревиатуры

FPS

Гибкие датчики давления

AgNWs

Серебряные нанопроволоки

M

Моль на литр

PVP

Поливинилпирролидон

PS

Полистирол

EG

Этиленгликоль

NaCl

Хлорид натрия

SEM

Растровое электронное микроскопирование

UV-Vis

Ультрафиолет-видимый

ΔC

Изменение емкости

pF

Пикофарад