Hochleistungsfähiger kapazitiver flexibler Drucksensor auf Papierbasis und seine Anwendung in der menschbezogenen Messung

Einführung

Dank ihrer Flexibilität und einfachen Integration in gekrümmte Oberflächen wie den menschlichen Körper haben flexible Drucksensoren (FPS) enorme Aufmerksamkeit erhalten und zeigen großes Potenzial für Anwendungen in tragbaren Geräten [1, 2], elektronischen Skins [3, 4], biomedizinischen Systemen [5] und menschliche Bewegungserkennung [6,7,8,9]; Viele Strukturen und Mechanismen wie Feldeffekttransistor [10, 11], Kondensator [2, 12], piezoelektrischer Effekt [13,14,15,16] und Piezowiderstandseffekt [17,18,19] wurden vorgeschlagen, um zu realisieren FPS; unter ihnen wird das kapazitive FPS aufgrund seiner einfachen Struktur [20], des großen Dynamikbereichs [21] und der guten Stabilität [22] immer attraktiver. In Bezug auf die in FPS verwendeten Materialien ist Polydimethylsiloxan (PDMS) aufgrund seiner guten Flexibilität, biomedizinischen Kompatibilität mit menschlichem Gewebe und dielektrischen Eigenschaften ein hervorragendes Material und wird dementsprechend häufig als Strukturmaterial in FPS sowie anderen flexiblen Sensoren verwendet [23,24,25]; bei kapazitiven FPS wurde PDMS häufig als dielektrische Schicht [20, 26] und Elektrodensubstrat [2, 21] verwendet. Wenn es um die elektrisch leitende Schicht in FPS geht, sind Silbernanodrähte (AgNWs) mit großem Potenzial und weit verbreitet in flexibler Elektronik wie Solarzellen [27,28,29,30,31,32] und Filmheizungen [33 , 34] wurden aufgrund ihrer hervorragenden elektrischen, optischen und mechanischen Eigenschaften oft zusammen mit PDMS verwendet; Chen et al. [35] stellten Silbernanodraht(AgNWs)/(PDMS)-Verbundfilme her, indem sie AgNWs teilweise in die PDMS-Schicht einbetteten, um eine raue Oberfläche zu erzeugen, und die hergestellte Sensorvorrichtung konnte eine dreimal so hohe Empfindlichkeit wie bei herkömmlichen Metallfilmelektroden erreichen. Yaoet al. [2] erzielten zunächst parallele AgNW-Linien auf Silizium durch eine vorstrukturierte PDMS-Lochmaske; dann gossen sie ein flüssiges PDMS auf das AgNW-Silizium-Substrat; durch Abziehen des PDMS nach 12 h Aushärtung wurde eine AgNW-eingebettete PDMS-Elektrode erhalten; Schließlich wurde ein kapazitives FPS hergestellt, das erfolgreich Daumenbewegungen, Kniegelenksbelastungen und andere menschliche Bewegungen erkannte.

Um eine hohe Empfindlichkeit von kapazitiven FPS zu erreichen, ist es in der Regel notwendig, Mikromuster in der dielektrischen Schicht und/oder Elektroden zu erzeugen, und komplizierte Verfahren wie Mikrobearbeitung [2, 35, 36] sowie Mikroformen [7, 21, 26] sind oft beteiligt; beispielsweise Bao et al. [26] erzeugten umgekehrte Pyramidenmuster in Silizium und übertrugen die Muster dann durch Gießen auf die Siliziumform auf PDMS; die Pyramidenmuster wurden daher auf PDMS erzeugt. Liet al. [21] nutzten auch die Formtechnik, um eine inverse Struktur der Lotusoberfläche auf PDMS zu erzeugen, die durch Abscheidung einer dünnen Goldschicht als Elektrode folgte, und ein kapazitives FPS wurde unter Verwendung von Polystyrol-Mikrokügelchen (PS) als dielektrische Schicht hergestellt, die zwischen zwei PDMS-Elektroden eingebettet war . In dieser Arbeit wurde ein sehr einfaches Verfahren vorgeschlagen, bei dem ein gewöhnliches Druckpapier verwendet wurde, auf dem AgNWs als Elektrodensubstrat abgeschieden wurden, und ein leistungsstarkes kapazitives FPS wurde konstruiert, indem PDMS als dielektrische Schicht verwendet wurde, die auf beiden Seiten mit AgNW-Papiersubstrat laminiert war; die Testergebnisse zeigten, dass die Empfindlichkeit und der dynamische Bereich des Geräts 1,05 kPa ⁻¹ . betrugen und 1 Pa bis 2 kPa; Darüber hinaus war es in der Lage, Objektform, Fingertippen und sprachinduzierte Vibrationen zu erkennen, was sein gutes Potenzial für künstliche Haut und tragbare Geräte unter Beweis stellte.

Methoden

Vorbereitung von AgNWs, AgNWs-Filmen, PDMS-Filmen und kapazitiven FPS

AgNWs wurden durch hydrothermale Verfahren synthetisiert:Zuerst wurden 0,3 Mol pro Liter (M) Lösung von Polyvinylpyrrolidon (PVP) (Molekulargewicht 30000)/Ethylenglykol (EG) durch Zugabe von 0,2 µg PVP in 6 µl EG hergestellt, und die Mischung wurde 20 Minuten gerührt; ähnlich 0,1 M Lösung von AgNO₃ /EG und 0,01 µM Natriumchlorid (NaCl)/EG wurden ebenfalls hergestellt. Zweitens, Lösungen von AgNO₃ /EG und NaCl/EG wurden zu PVP/EG gegeben und gerührt, bis eine einheitliche Lösung erhalten wurde, die dann auf eine Teflonauskleidung übertragen und in den Reaktionskessel gegeben wurde; der Kessel wurde 2 Stunden lang auf 140 °C und dann 30 Minuten lang auf 160 °C erhitzt, um die AgNWs zu züchten; Nachdem der Kessel natürlich auf Raumtemperatur abgekühlt war, wurden AgNWs in Form von weißem Pulver durch dreimaliges Waschen und Zentrifugalfiltrieren der Produkte nacheinander mit Aceton und entionisiertem Wasser erhalten. Schließlich wurden die erhaltenen AgNWs zur Herstellung des AgNW-Films in 100 ml Ethanol mit Ultraschall dispergiert.

Für AgNWs-Filme wurden Präparationstechniken einschließlich Airbrush-Sprühen, Spin-Coating und Tränkbeschichtung verwendet, und experimentelle Ergebnisse zeigen, dass das Airbrush-Sprühen den Vorteil hoher Effizienz, guter Gleichmäßigkeit und Haftung hat; die Einzelheiten der Herstellung des AgNW-Films waren wie folgt:Als Substrat wurde ein sauberes Druckpapier mit einer Größe von 20 mm × 20 mm verwendet, das auf eine Heizplatte bei 100 °C gelegt wurde; der Durchmesser der Austrittsöffnung der Spritzpistole betrug 0,5 mm, der Abstand zwischen der Spritzpistole und dem Substrat betrug 150 mm; der voreingestellte Druck der Airbrush war 0,1 MPa; AgNWs mit unterschiedlicher Dicke und elektrischem Widerstand können durch Anpassen der Sprühzeit erhalten werden; nach der Abscheidung wurde das Substrat 1 h auf der Heizplatte belassen, um das PVP um AgNWs vollständig zu entfernen. PDMS wurden aus Sylgard 184-Vorläufern (Dow Corning) hergestellt. Zunächst wurden die Haupt- und Härter der Vorstufen mit einem Massenverhältnis von 10:1 gemischt; nach 20 min Rühren wurde die Mischung 10 min vakuumiert, um Blasen während des Rührens zu entfernen; dann wurde es auf ein sorgfältig gereinigtes Glassubstrat schleuderbeschichtet. Das Substrat wurde dann 2 h bei 65 °C getempert, um gehärtetes PDMS zu bilden, und schließlich kann ein freistehender PDMS-Film durch Abziehen vom Glassubstrat erhalten werden.

Das kapazitive FPS vom Sandwich-Typ (Abb. 1) wurde unter Verwendung von zwei AgNW-Papiersubstraten als Elektroden und PDMS als Dielektrika hergestellt; elektrische Signale wurden durch zwei Kupferdrähte herausgezogen, die mit leitfähiger Silberfarbe auf die Elektroden geklebt wurden; Schließlich wurde der Sensor mit transparentem Klebeband verpackt.

a Struktur des kapazitiven FPS auf AgNW-Papierbasis und vereinfachter Mechanismus. b Testplattform für kapazitives FPS

Charakterisierung und Test

Oberflächenmorphologien von AgNWs und Papieren wurden durch ein Rasterelektronenmikroskop (REM) (Typ Inspect F50, FEI, US) charakterisiert; Ultraviolett-sichtbare (UV-Vis)-Spektroskopietests (SHIMAZU 1700, Japan) wurden durchgeführt, um die Zusammensetzung der AgNWs zu analysieren; für den Sensortest wurde eine druckstimulierende Plattform basierend auf einem Kraftmesser (HP-5, Yueqing Handpi Instruments Co., Ltd, China) gebaut; ein selbstgebauter Schwingkreis basierend auf dem LM555-Timermodell wurde entwickelt, um die Kapazitätsvariation in die Frequenz eins umzuwandeln; Die Datenerfassung erfolgte auf einem Personalcomputer über das Multimeter Keithley2700 (Keithley, USA).

Ergebnisse und Diskussionen

Wie in Fig. 2a gezeigt, zeigt das SEM-Foto, dass die präparierten AgNWs gleichmäßig lange und dünne Formen mit Durchmessern von etwa 100 nm aufweisen und keine Verunreinigungen im Film gefunden werden; Fig. 2b impliziert, dass der Film eine relativ hohe Dichte hat, was dazu beiträgt, hochleitfähige Elektroden des kapazitiven FPS zu erhalten. Um die Reinheit von AgNWs weiter zu untersuchen, wurde das UV-Vis-Spektrum wie in Abb. 3 gezeigt getestet. Es zeigt deutlich, dass zwei Peaks bei 355 nm und 380 nm in den Absorptionskurven erscheinen, die auf transversale und longitudinale Plasmonenresonanzen von AgNWs . zurückzuführen sind; andere Zeichenpeaks oder Rauschen würden auch auftreten, wenn Verunreinigungen wie AgCl, AgNO₃ , oder Silbernanopartikel sind im Film vorhanden; daher beweist das UV-Vis-Spektrum weiter, dass qualitativ hochwertige AgNWs erfolgreich synthetisiert wurden.

a –d REM-Fotos von AgNW-Film und -Papier

UV-Vis-Spektrum der AgNWs

Abbildung 4 zeigt die Antworttestergebnisse der Probe; Wie in Abb. 4a gezeigt, kann die Ansprechkurve im gesamten Druckbereich ungefähr in zwei lineare Teile geteilt werden, d. Dieses Phänomen tritt häufig bei kapazitiven FPS auf, insbesondere basierend auf PDMS [21, 22] und kann wie folgt interpretiert werden:das PDMS hat seine Elastizitätsgrenze; Da der aufgebrachte Druck gering ist, zeigt das PDMS eine gute Elastizität, es können große Dehnungen erzeugt werden und eine große Kapazitätsschwankung (ΔC ) ist daher zu erwarten; während PDMS bei ausreichendem Druck so dicht wird, dass es nicht mehr elastisch genug ist, durch den aufgebrachten Druck keine sichtbare Dehnung mehr erzeugt werden kann und somit nur eine geringe Empfindlichkeit des Sensors erreicht werden kann, und als Konsequenz, nur der hohe Empfindlichkeitsbereich wird für die Messung verwendet. Aus den Daten in Fig. 4a kann berechnet werden, dass die kapazitive FPS-Probe eine Empfindlichkeit von bis zu 1,05 KPa ⁻¹ . hat , ist dieser Wert besser als die in den meisten Literaturen berichteten [12, 26, 37, 38, 39] und vergleichbar mit den Ergebnissen von AgNWs/mikrostrukturierten PDMS-basierten kapazitiven FPS in unserer früheren Arbeit [22], während das Herstellungsverfahren viel einfacher. Der Mechanismus hinter dieser guten Leistung kann der morphologischen Natur des Papiers zugeschrieben werden; wie in 2c und d gezeigt, zeigen REM-Fotos des Papiers, dass eine große Anzahl von Mikrorillen und Hohlräumen auf dem Papier vorhanden ist, da es schwierig ist, die Luft in den Mikrorillen und Hohlräumen zu komprimieren; die Luft bewegt sich dann nach unten und erzeugt zahlreiche Vertiefungen in den AgNWs, wenn Druck von außen ausgeübt wird; diese Eindrücke werden schließlich aufgrund der hohen Flexibilität sowohl der AgNWs als auch des PDMS auf den PDMS-Film übertragen; und als Ergebnis nehmen die äquivalenten Flächen der Elektroden zu sowie der Abstand zwischen ihnen ab, was beides nützlich ist, um eine größere Kapazitätsvariation zu erreichen. Eine genauere Charakterisierung der Sensorleistung im extrem niedrigen Druckbereich wurde wie in Abb. 4b dargestellt durchgeführt. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Probe auf einen Druck von nur 1 Pa reagieren kann, was ihre hohe Empfindlichkeit demonstriert; Außerdem kann er sich nach dem Entladen von jedem Druck vollständig auf seinen Anfangswert erholen, was seine gute Stabilität und schnelle Reaktionsgeschwindigkeit widerspiegelt. Abbildung 4c zeigt das Ergebnis eines Kurzzeit-Reproduzierbarkeitstests, bei dem der Sensor 500 Perioden lang kontinuierlich gedrückt (81 Pa) und wieder freigegeben wurde. Die vergrößerten Reaktionskurven am Anfang und am Ende zeigen sehr ähnliche Trends, was weiter auf die gute Stabilität und Wiederholbarkeit der Probe hindeutet. Darüber hinaus wurde nach 1 Monat ein Langzeit-Reproduzierbarkeitstest durchgeführt; wie in Fig. 4a gezeigt, ändert sich die Reaktion der Probe im Niederdruckbereich nach 1 Monat nicht; auf der anderen Seite, obwohl die Hochdruckantwort, wie oben erwähnt, deutlich abnahm, würde dies die Leistung des Sensors nicht beeinflussen. Abbildung 4d vergleicht die Leistung der Probe vor und nach 1 Monat bei bestimmten Druckwerten; es zeigt ferner, dass bei niedrigem Druck keine Verschlechterung der Vorrichtung festgestellt werden kann; auf der anderen Seite, obwohl die Reaktion bei hohem Druck abnimmt, zeigt sie keine Variation unter konstantem Druck, was auf die immer noch gute Stabilität der Probe hinweist.

Reaktionstest von AgNW-Papier-basierten kapazitiven FPS:a Druck-Kapazitäts-Beziehungen in einem großen Druckbereich, b Reaktion bei niedrigem Druck, c Wiederholungstest von kurzer Dauer und d Alterungsleistung nach einem Monat

Um die Praktikabilität des AgNW-papierbasierten kapazitiven FPS zu untersuchen, wurden mehrere praxisbezogene Tests durchgeführt. Abbildung 5a zeigt das Ergebnis des Biegetests; Der Biegewinkel Theta, wie im Einschub gezeigt, ist definiert als der eingeschlossene Winkel, der von den beiden Tangenten zum Biegesensor an beiden Enden gebildet wird. Es zeigt, dass die Probe sehr empfindlich auf Biegung reagiert und je stärker die Probe gebogen wird, desto größer ist ihre Kapazität; außerdem weist die Kapazitäts-Theta-Kurve interessanterweise eine nahezu lineare Beziehung auf, was der Probe ein gutes Potenzial für die Messung des Biegezustands der Gelenke des menschlichen Körpers bietet. Abbildung 5b zeigt, dass der Sensor eine Doppelklickbewegung deutlich erkennen kann; der Druck während des Klickens kann eine Kapazitätsänderung von bis zu 700  pF erzeugen, einmal größer als der Anfangswert; Darüber hinaus kann der Sensor, wie in Fig. 5c gezeigt, jede Silbe erkennen, die der Experimentator sagt, und zeigt eine hohe Empfindlichkeit und ausgezeichnete Wiederholbarkeit. Um das Potenzial des kapazitiven FPS weiter zu untersuchen, wurde ein 8 × 8-Array von kapazitiven FPS aus AgNW-Papier hergestellt, wie in Fig. 5d dargestellt; die Elektrodenlinien wurden durch Aufsprühen der AgNWs durch eine Hartmaske gebildet und die Pixelgröße betrug 2 mm × 2 mm. Fig. 5e zeigt, dass das Array leicht eine Bleistiftspitze erkennen kann, und da die Spitze klein genug war, wurden die benachbarten Pixel überhaupt nicht beeinflusst, was ihren vernachlässigbaren Übersprecheffekt zeigt; außerdem war, wie in Abb. 5 gezeigt, eine aus Plastilin hergestellte Kugel, nachdem sie auf die Anordnung gelegt wurde, in der Lage, die Form der Kugel zu erkennen; Insbesondere implizieren die Mapping-Ergebnisse, dass sich die meiste Masse des Geschosses in den mittleren zwei Reihen befindet, während die zweite Pixelspalte auf der linken Seite aufgrund der geringen Masse am Geschosskopf die kleinsten Signale aufweist.

Anwendungen von AgNW-papierbasierten kapazitiven FPS:a Biegeversuch, b Fingertipptest, c Sprachtest, d 8 × 8-Array von kapazitiven FPS auf AgNW-Papierbasis, e Erkennung einer Bleistiftspitze, f Erkennung einer aus Plastilin handgefertigten Kugelform

Schlussfolgerung

Unter Verwendung eines gewöhnlichen Papiers als Substrat wurden AgNWs mittels hydrothermaler Synthesetechnik hergestellt. Die Ergebnisse der REM- und UV-Vis-Charakterisierung zeigten, dass die AgNWs eine einheitliche Größe, ein großes Längen-zu-Durchmesser-Verhältnis und eine hohe Reinheit aufweisen, die für eine gute Flexibilität und elektrische Leitfähigkeit der AgNWs wünschenswert sind. Eine kapazitive FPS-Probe wurde unter Verwendung der AgNW-Papiersubstrate als Elektroden und PDMS als Dielektrika hergestellt; Leistungstests zeigten, dass die Probe nicht nur eine hohe Empfindlichkeit und einen großen dynamischen Messbereich, sondern auch eine gute Stabilität und Wiederholbarkeit aufwies. Darüber hinaus zeigt die Probe ihre Fähigkeit, menschliche Bewegungen wie Gelenkbeugen, Fingerklopfen und Sprache zu erkennen; Darüber hinaus wurde ein 8 × 8-Array von kapazitiven FPS mit einer Pixelgröße von 2 mm × 2 mm hergestellt, und die Ergebnisse zeigten, dass das Array eine hohe Empfindlichkeit, einen vernachlässigbaren Übersprecheffekt und ein Potenzial zur Objektprofilidentifikation aufweist. Diese Tests zeigen, dass unser kapazitives FPS aus AgNW-Papier ein gutes Potenzial für Anwendungen wie künstliche Haut, Bewegungsüberwachung, tragbare Geräte und Objektidentifikation hat.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die in der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Abkürzungen

FPS:

Flexible Drucksensoren

AgNWs:

Silbernanodrähte

M:

Mol pro Liter

PVP:

Polyvinylpyrrolidon

PS:

Polystyrol

ZB:

Ethylenglykol

NaCl:

Natriumchlorid

SEM:

Rasterelektronenmikroskop

UV-Vis:

Ultraviolett-sichtbar

ΔC :

Kapazitätsvariation

pF:

Picofarad