Ультрачувствительные носимые датчики давления на основе тканей, покрытых серебряными нанопроводами

Аннотация

Гибкие датчики давления привлекают внимание благодаря потенциалу в носимых системах мониторинга здоровья и ухода. Предложен простой подход к изготовлению полностью текстильного пьезорезистивного датчика давления с интегрированными тканями, покрытыми серебряными нанопроводами (AgNW). Полностью используется синергетический эффект многоуровневых контактов волокно/пряжа/ткань, обеспечивающий ультравысокую чувствительность 3,24×10⁵ кПа⁻¹ при 0–10 кПа и 2,16×10⁴ кПа⁻¹ при 10–100 кПа. Устройство обладает быстрым временем отклика/релаксации (32/24 мс) и высокой стабильностью (>1000 циклов нагрузки/разгрузки). Такой высокопроизводительный полностью текстильный датчик давления применим в умной одежде, мониторинге активности и медицинских устройствах.

Введение

С развитием носимой электроники растет спрос на гибкие датчики давления для электронной кожи, систем мониторинга здоровья, умных роботов [1–8]. Для жизнеспособного применения датчики должны демонстрировать отличную чувствительность, обеспечивая исчерпывающую информацию для точной диагностики или анализа.

Разработано множество методов улучшения характеристик датчиков оптимизацией наноматериалов: углеродные нанотрубки (УНТ) [1], графеновые нанолисты [9], металлические нанопровода [10–19], проводимые полимеры [20], их композиты [21–26]. Особенно серебряные нанопровода (AgNW) широко исследуются как чувствительные материалы или проводящие наполнители благодаря отличным электрическим свойствам. Ван и соавт. [27] изготовили гибкий датчик на основе PU пленки с AgNW, чувствительность 5,54 кПа⁻¹ ниже 30 Па. Хо и соавт. [28] предложили прозрачный датчик с усиленными трещинами из двух ламинированных PDMS пленок с микроканалами, заполненными AgNW. Однако большинство таких датчиков используют герметичные эластичные подложки, непроницаемые для воздуха и неудобные для ношения, ограничивая практические применения.

Недавно текстильные датчики давления привлекают внимание благодаря мягкости, вдыхаемости, биосовместимости — долговечны и комфортны для длительного ношения. AgNW широко используют в текстильных датчиках как чувствительный слой. Типичная структура: гибкие цепи, покрытые проводимой тканью, эксплуатируют изменение контактного сопротивления между цепями и тканью. При давлении две пленки контактируют, генерируя значительный ток. Вэй и соавт. [29] продемонстрировали носимый датчик из двух проводимых хлопковых листов, покрытых AgNW. Чжоу и соавт. [30] спроектировали датчик с печатным текстильным электродом и хлопковой тканью, покрытой AgNW. Однако диапазон давления ограничен для таких структур. Различные структурные дизайны предлагались для улучшения характеристик. Чжун и соавт. [12] разработали ультрачувствительный пьезорезистивный датчик с высокой гибкостью из POE нановолокон и AgNW простым фильтрационным методом. Нановолокна реплицировали на узорных нейлоновых текстилях с разным интервалом волокон. Несмотря на прогресс, полностью текстильные датчики с ультравысокой чувствительностью и структурным дизайном редко сообщались.

Здесь предложена новая стратегия изготовления полностью текстильных датчиков давления. Раствор AgNW синтезировали, затем проводимую ткань изготовили методом окунания: погружали хлопковые куски в дисперсию AgNW. Активный сенсорный элемент содержал двухслойные AgNW-покрытые хлопки с хлопковой сетчатой прокладкой для обеспечения начального контакта между ними. Давление измеряется по изменению электрического тока из-за контакта встречных слоев под внешним давлением. Этот полностью текстильный пьезорезистивный датчик полностью использует синергетический эффект многоуровневых контактов волокно/пряжа/ткань, достигая ультравысокой чувствительности 3,24×10⁵ кПа⁻¹ (0–10 кПа) и 2,16×10⁴ кПа⁻¹ (10–100 кПа). Одновременно датчик обеспечивает быстрое отклик/релаксацию (32/24 мс) и высокую стабильность (>1000 циклов). Такие устройства широко применимы в умной одежде, мониторинге активности и медицинских приборах.

Экспериментальная часть

Материалы и методы

Раствор AgNW синтезирован гидротермальным методом. Сначала раствор PVP добавили в этиленгликоль (ЭГ), перемешивали 20 мин — получен раствор PVP/ЭГ. Аналогично приготовили растворы AgNO₃/ЭГ и NaCl/ЭГ. Второе, растворы AgNO₃/ЭГ и NaCl/ЭГ добавили в PVP/ЭГ, перемешали и перелили в реакционный автоклав. Третий, автоклав нагрели до 140 °C на 2 ч, затем до 160 °C на 30 мин. Затем естественное остывание до комнатной температуры. Осадок промыли и центрифугировали с ацетоном и деионизированной водой несколько раз до белого порошка. Наконец, полученные AgNW ультразвуково диспергировали в этаноле.

Фабрикация датчика давления

Полностью текстильный датчик изготавливали процессом «окунание и сушка» [31] (рис. 1). Сначала хлопковые ткани очистили деионизированной водой и безводным этанолом по 15 мин. Второе, ткани окунали в раствор AgNW на 20 мин, сушили при 90 °C 10 мин (рис. 1a). Затем медные электроды приклеили к поверхности AgNW-покрытых тканей серебряной пастой, сушили 90 °C 1 ч. Параллельно хлопковые сетчатые прокладки с разными диаметрами отверстий изготовили лазерной гравировкой (рис. 1b). Наконец, двухслойная сенсорная ткань с вставленной сетчатой прокладкой собрали лицевой к лицевой упаковкой (рис. 1c).

Характеризация

РЭМ изображения поверхностей AgNW-покрытых тканей — GeminiSEM 500 (ZEISS, Нью-Йорк, США) при 5 кВ. Токовый отклик датчиков регистрировали цифровым источником-измерителем (Keithley 4200, США), измеряли цифровым динамометром (SJS-500V, Китай).

Результаты и обсуждение

Рис. 2 — РЭМ морфологии AgNW-покрытой ткани с разным увеличением. Рис. 2a: пряжа хлопка естественно слоистая с пористой структурой. Внешняя поверхность ткани покрыта AgNW (рис. 2b), нанопровода единообразно обмотаны на волокна. Особенно между соседними пряжами есть пустые промежутки, перемощенные прикрепленными проводящими сетями AgNW (рис. 2c). Длинные и равномерные провода наблюдаются между смежными пряжами, средний диаметр AgNW ~55 нм. На рис. 2d AgNW гомогенно покрывают основную площадь поверхности пряжи, но прерываются в некоторых точках из-за слабого адгезиона. Расстояние между нанопроводами на отдельной пряже относительно больше, чем между нанопроводами между соседними пряжами.

Плотность AgNW на поверхности тканей регулировалась числом циклов окунания. AgNW-покрытая ткань с 1 и 5 циклами на рис. S1 и 2d соответственно. По сравнению с высокой плотностью, ячеистые промежутки нанопроводов при 1 цикле увеличились с <1 до 2–4 мкм.

Состав AgNW-покрытой ткани исследован энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией (ЭДРС), вставка на рис. S2. Помимо C и O (преимущественно от хлопка), наблюдался элемент Ag, подтверждающий распределение AgNW на хлопке.

Принцип чувствительного элемента на рис. 3a, поперечные РЭМ изображения датчика под разным давлением — рис. 3b–e. В состоянии разгрузки начальное сопротивление велико из-за неконтакта AgNW на тканях (рис. 3b). При приложении давления растущие волоконно-масштабные контакты нанопроводов на смежных тканях уменьшают сопротивление (рис. 3c). Когда нанопровода на тканях контактируют полностью, дальнейшее давление сжимает волокна, увеличивая пряжевые контакты. На рис. 3d длина пряжи по Y сокращается с ~200 до 160 мкм, подтверждая сжатие пряж. По поперечным РЭМ AgNW сформированы и на поверхности пряжи, и внутри смежных пряж (рис. S3). При сжатии пряж внутренние AgNW контактируют, дополнительно снижая сопротивление. С ростом давления смежные ткани сжимаются (рис. 3e); тканево-масштабные контакты дополнительно снижают сопротивление за счет увеличения контактной площади встречных тканей. В этой точке общая толщина двухслойных тканей уменьшается с 600 до 350 мкм. Следовательно, давление сенсирования определяется синергетическим эффектом волоконно/пряжево/тканево-масштабных контактов. Поперечные РЭМ дополнительно подтвердили механизм.

Влияние изгиба на поверхностную морфологию AgNW-покрытых тканей исследовано поперечными РЭМ (рис. S4). При малом изгибе явных трещин и отслаивания сети AgNW нет (рис. S4b) vs исходное (S4a). Для дальнейшего изучения влияния изгиба РЭМ после 500 циклов изгиба (рис. S5). Рис. S5 показывает много точек деламинации, потенциально приводящих к деградации. Стабильность AgNW-покрытой ткани требует дальнейшего улучшения.

Рис. 4a — вольт-амперные характеристики датчика под разным давлением. При повышении давления 0–100 кПа сопротивление датчика снижалось. Отклик стабилен и подчиняется закону Ома [32]. Ток датчика на рис. 4b — относительно постоянный под разным давлением, отклик стабилен. Отличная электрическая стабильность для потенциальных применений.

Для исследования характеристик датчиков относительные изменения тока (ΔI/I₀) vs давление при разных циклах окунания AgNW и диаметрах отверстий сетки на рис. 4c, d. Чувствительность определена как S = (ΔI/I₀)/P, где P — приложенное давление. При диаметре отверстий 0,25 мм чувствительность сильно зависела от циклов окунания. Чувствительность выросла с 2,12×10³ кПа⁻¹ до 1,98×10⁵ кПа⁻¹ в диапазоне 0–10 кПа при увеличении циклов с 1 до 5. В диапазоне 10–100 кПа — с 764 до 1,12×10³ кПа⁻¹. Улучшение чувствительности при большем числе циклов обусловлено ростом плотности AgNW.

Далее изучена зависимость от диаметра отверстий. Датчики с 5 циклами окунания показывают повышающуюся чувствительность с ростом диаметров: 1,12×10³, 9,88×10³, 2,16×10⁴ кПа⁻¹ в диапазоне 10–100 кПа. Повышение чувствительности — за счет увеличения контактной площади через большие отверстия. Однако при диаметре >1 мм с 4 циклами начальное соприкосновение встречных тканей в разгруженном состоянии существенно снижает контактное сопротивление (рис. S6). При изменении толщины прокладки характеристики ухудшаются (рис. S7). Меньшая толщина снижает ΔI/I₀ из-за контакта тканей в начальном состоянии (S7a). Большая толщина уменьшает контакт тканей. При толщине 1 мм AgNW на тканях не контактируют до давления >10 кПа (S7c).

В частности, датчик четко показывает два линейных тока участка: чувствительность резко возрастает в низкодавленном диапазоне и постепенно — в высоком. Согласно принципу сенсирования, в низком диапазоне важную роль играет контакт смежных AgNW. При давлении 10–15 кПа AgNW на интерфейсе контактируют полностью. Изменения тока определяются главным образом контактным сопротивлением между пряжами и тканями, что относительно стабильно. Контакты пряжевого и тканевого масштабов играют более значимую роль в механизме сенсирования при 5 циклах окунания и диаметре 0,75 мм, повышая чувствительность и линейный диапазон. Поэтому диаметр 0,75 мм (рис. 4d) демонстрирует более высокую чувствительность и больший линейный диапазон за счет увеличенного контакта [33, 34].

Динамический отклик изучали под циклическими нагрузками/разгрузками. Датчик мгновенно реагировал на циклическое давление. Временной отклик проанализирован для определения времени отклика и релаксации (рис. 5a). Измеренные времена отклика и релаксации — 32 и 24 мс. Работа датчика под разным давлением на рис. S8. Датчик четко различал тонкое давление 50 Па — отличная производительность. ΔI/I₀ при 10 кПа за 1000 циклов нагрузки использовали для проверки повторяемости (рис. 5b). Результаты показывают отличную стабильность. Исследована воздухопроницаемость обычного хлопка и AgNW-покрытого хлопка. Несмотря на снижение с 787,3 до 252,6 мм/с, это значение все еще значительно выше недавних отчетов [35, 36]. Носимые датчики на основе AgNW-покрытых тканей сохраняют хорошую воздухопроницаемость благодаря высокой пористости.

Благодаря естественной гибкости тканей и высокой чувствительности датчик носимый и способен детектировать механические сигналы: физиологический пульс и дыхательную частоту. Сначала устройство закрепили на запястье клеевым бинтом для мониторинга пульсового давления. Рис. 5c — реальные данные, пульс ~72 уд/мин. Также датчик закрепили на маске для детектирования дыхания. Рис. 5d — нормальная дыхательная частота 10 вдохов/мин взрослого и квадратичная волна нормального дыхания. Ширина волны показывает время удержания дыхания. Результаты указывают на большой потенциал датчика с высокой чувствительностью и преимуществами в носимых медицинских устройствах.

Заключение

В работе AgNW синтезировали гидротермальным методом, морфологию характеризовали и проанализировали. Полностью текстильный датчик давления изготовлен вставкой хлопковой сетчатой прокладки между двухслойными AgNW-покрытыми хлопками. Благодаря коллективному эффекту волоконно/пряжево/тканево-масштабных контактов датчик обладает экстремально высокой чувствительностью (3,24×10⁵ кПа⁻¹ при 0–10 кПа и 2,16×10⁴ кПа⁻¹ при 10–100 кПа), быстрым откликом/восстановлением (32/24 мс), высокой стабильностью (1000 циклов) и широким диапазоном давления (0–100 кПа). Успешно продемонстрирован мониторинг физиологических сигналов (пульсовое давление). Простым и эффективным методом изготовления такой ультрачувствительный датчик способствует широкому применению в следующем поколении умной одежды, мониторинга активности и медицинских устройств.

Доступность данных и материалов

Авторы заявляют, что материалы и данные доступны читателям, все выводы основаны на данных, полностью представленных в работе.

Аббревиатуры

CNTs:

Углеродные нанотрубки

AgNW:

Серебряные нанопровода

PVP:

Поливинилпирролидон

EG:

Этиленгликоль

NaCl:

Хлорид натрия

DI:

Деионизированная вода

SEM:

Растровая электронная микроскопия

EDS:

Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия