Ultraempfindliche tragbare Drucksensoren mit Silbernanodraht-beschichteten Textilien

Zusammenfassung

Flexible Drucksensoren ziehen aufgrund ihres Potenzials in tragbaren Gesundheitsüberwachungs- und Pflegesystemen zunehmende Aufmerksamkeit auf sich. Hier wird ein einfacher Ansatz zur Herstellung ganz-textilbasierter piezoresistiver Drucksensoren mit integrierten Ag-Nanodraht-beschichteten Textilien vorgestellt. Der Sensor nutzt den synergistischen Effekt von Faser/Garn/Gewebe-Multikontakten, was zu ultrahoher Empfindlichkeit von 3,24 × 10⁵ kPa⁻¹ bei 0–10 kPa und 2,16 × 10⁴ kPa⁻¹ bei 10–100 kPa führt. Zudem erreicht das Gerät schnelle Ansprech-/Entspannungszeiten (32/24 ms) und hohe Stabilität (> 1000 Be-/Entlastungszyklen). Solche ganz-textilbasierten Drucksensoren mit hoher Leistung eignen sich für Smart Clothing, Aktivitätsüberwachung und Gesundheitsgeräte.

Einleitung

Mit der Entwicklung tragbarer Elektronik steigt die Nachfrage nach flexiblen Drucksensoren für Anwendungen wie E-Skin, Gesundheitsmonitoring, smarte Roboter. Für diese Anwendungen müssen Sensoren hervorragende Empfindlichkeit zeigen, um umfassende Informationen für genaue Diagnose/Analyse zu liefern.

Zahlreiche Methoden wurden entwickelt, um Sensorleistung durch Optimierung von Nanomaterialien zu verbessern: Kohlenstoffnanoröhren (CNTs), Graphen-Nanosheets, Metalldrähte, leitfähige Polymere, Kompositmaterialien. Besonders Silbernanodrähte (AgNWs) werden aufgrund exzellenter elektrischer Eigenschaften häufig als Sensormaterialien oder leitfähige Füllstoffe eingesetzt. Beispiel: Wang et al. fertigten flexiblen Drucksensor auf AgNW-gefülltem PU-Film (Empfindlichkeit 5,54 kPa⁻¹ < 30 Pa). Ho et al. berichteten transparenten Riss-verstärkten Sensor mit zwei laminierten PDMS-Filmen mit AgNW-eingebetteten Mikrofluidikkanälen. Die meisten dieser Sensoren nutzen jedoch luftdichte elastische Substrate, die unatmungsaktiv und unangenehm zu tragen sind, was praktische Anwendungen limitiert.

Kürzlich gewinnen textilbasierte Drucksensoren an Aufmerksamkeit wegen Weichheit, Atmungsaktivität, Biokompatibilität – langlebig und langfristig tragbar. AgNWs werden in textilbasierten Sensoren als Sensorschicht weit genutzt. Typische Struktur: flexible Schaltungen mit leitfähigem Gewebe, Ausnutzung von Kontaktwiderstandsänderungen. Bei Druck kontaktieren sich die beiden Filme, signifikanter Strom fließt. Beispiel: Wei et al. demonstrierten tragbaren Sensor mit zwei leitfähigen AgNW-beschichteten Baumwollblättern. Zhou et al. entwarfen Sensor mit gedruckter Textilelektrode und AgNW-beschichteter Baumwolle. Druckbereich bei diesen Strukturen begrenzt. Verschiedene Strukturdesigns zur Leistungsverbesserung vorgeschlagen. Zhong et al. entwickelten ultrasensitiven piezoresistiven Sensor mit POE-Nanofasern und AgNWs per Filtrationsmethode, Nanofasern auf gemusterten Nylontextilien mit unterschiedlichem Faserabstand. Trotz Fortschritten sind ganz-textilbasierte Drucksensoren mit ultrahoher Empfindlichkeit und Strukturdesign selten.

Hier wird neuartige Strategie für ganz-textilbasierte Drucksensoren vorgestellt. AgNW-Lösung hydrothermal synthetisiert, leitfähiges Gewebe per Tauchbeschichtung (Eintauchen von Baumwollstücken in AgNW-Dispersion) hergestellt. Aktives Sensorelement: doppelschichtige AgNW-beschichtete Baumwolle mit Baumwollnetz-Spacer für initialen Kontakt. Drucksensorik basiert auf Stromänderungen durch Kontakt der gegenüberliegenden Lagen unter externem Druck. Der Sensor nutzt synergistischen Effekt von Faser/Garn/Gewebe-Multiskalen-Kontakten, was zu ultrahoher Empfindlichkeit (3,24 × 10⁵ kPa⁻¹ bei 0–10 kPa, 2,16 × 10⁴ kPa⁻¹ bei 10–100 kPa), schneller Ansprech-/Entspannungszeit (32/24 ms), hoher Stabilität (> 1000 Zyklen) führt. Anwendungen in Smart Clothes, Aktivitätsmonitoring, Gesundheitsgeräte.

Experimenteller Teil

Materialien und Methoden

AgNW-Lösung hydrothermal synthetisiert: PVP-Lösung in EG, 20 min Rühren → PVP/EG. AgNO₃/EG und NaCl/EG ähnlich hergestellt. AgNO₃/EG und NaCl/EG zu PVP/EG, Rühren, in Reaktionskessel. Erhitzen auf 140 °C für 2 h, dann 160 °C für 30 min. Natürliche Abkühlung. Niederschlag mit Aceton und deionisiertem Wasser mehrmals gewaschen/zentrifugiert → weißes Pulver. AgNWs ultraschallverteilt in Ethanol.

Drucksensor-Fabrikation

Ganz-textilbasierter Sensor per „Tauchen und Trocknen“ (Abb. 1). Baumwollgewebe mit DI und anhydrem Ethanol je 15 min gereinigt. In AgNW-Lösung 20 min getaucht, 90 °C 10 min getrocknet (Abb. 1a). Kupferelektroden mit Silberpaste auf AgNW-beschichteten Geweben befestigt, 90 °C 1 h getrocknet. Baumwollnetz-Spacer mit verschiedenen Lochdurchmessern per Lasergravur (Abb. 1b). Doppelschichtiges Sensorgewebe mit eingesetztem Spacer per Face-to-Face-Verpackung montiert (Abb. 1c).

Charakterisierung

REM-Bilder (GeminiSEM 500, ZEISS, 5 kV) von AgNW-beschichteten Gewebeoberflächen. Stromantwort per Digital Source Meter (Keithley 4200) und Digitalkraftmessgerät (SJS-500V).

Ergebnisse und Diskussion

Abb. 2 zeigt REM-Bilder der AgNW-beschichteten Gewebemorphologie bei verschiedenen Vergrößerungen. Abb. 2a: Baumwollgarne natürlich geschichtet, poröse Struktur. Abb. 2b: Außeroberfläche mit AgNWs bedeckt, Nanodrähte gleichmäßig um Fasern gewickelt. Abb. 2c: Zwischen benachbarten Garnen leere Abstände, durch anhaftende AgNW-leitfähige Netzwerke überbrückt. Lange, gleichmäßige Drähte zwischen benachbarten Garnen, durchschnittlicher AgNW-Durchmesser ~55 nm. Abb. 2d: AgNWs homogen auf Hauptbereich der Garnoberfläche, an manchen Stellen durch schlechte Haftung getrennt. Abstand zwischen Nanodrähten auf einzelner Faser größer als zwischen benachbarten Garnen.

AgNW-Dichte auf Gewebeoberfläche durch Tauchzyklen einstellbar. 1 Zyklus (Abb. S1) vs. 5 Zyklen (Abb. 2d): Maschenweiten 1 Zyklus 2–4 μm vs. <1 μm bei 5 Zyklen.

Zusammensetzung per energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS, Inset Abb. S2): Neben C, O (Baumwolle) auch Ag-Element – bestätigt AgNW-Verteilung.

Sensorprinzip (Abb. 3a), Querschnitts-REM bei verschiedenen Drücken (Abb. 3b-e). Entlastet: hoher Anfangswiderstand durch nicht-kontaktierende AgNWs (Abb. 3b). Druck appliziert: zunehmende Faser-skalen-Kontakte verringern Widerstand (Abb. 3c). Vollständiger Nanodraht-Kontakt: weiterer Druck erhöht Garn-skalen-Kontakte. Abb. 3d: Garnlänge in Y-Richtung von ~200 auf ~160 μm reduziert – Garnkompression bestätigt. AgNWs auf Garnoberfläche und in benachbarten Garnen (Abb. S3). Kompression → Kontakt der internen AgNWs → weiterer Widerstandsabfall. Steigender Druck: benachbarte Gewebe komprimiert (Abb. 3e); Gewebe-skalen-Kontakte verringern Widerstand durch vergrößerte Kontaktfläche. Gesamtdicke Doppellage von 600 auf 350 μm reduziert. Drucksensorik bestimmt durch synergistischen Effekt von Faser/Garn/Gewebe-Multiskalen-Kontakt. Querschnitts-REM bestätigt Mechanismus.

Einfluss von Biegung auf Oberflächenmorphologie per Querschnitts-REM (Abb. S4). Leichte Biegung: keine offensichtlichen Risse/Abschälungen (Abb. S4b vs. S4a). 500 Biegezyklen (Abb. S5): viele delaminierte Stellen – potenzielle Degradation. Stabilität der AgNW-beschichteten Gewebe muss zukünftig verbessert werden.

Abb. 4a: Strom-Spannungs-Kurven bei verschiedenen Drücken. 0–100 kPa: Widerstand abnehmend. Antwort stabil, folgt Ohmschem Gesetz. Abb. 4b: Stromantwort relativ konstant bei verschiedenen Drücken – hervorragende elektrische Stabilität.

Leistungsuntersuchung: Relative Stromänderung (ΔI/I₀) vs. Druck bei verschiedenen Tauchzyklen und Maschenlochdurchmessern (Abb. 4c,d). Empfindlichkeit S = (ΔI/I₀)/P. Bei 0,25 mm Maschenloch: Empfindlichkeit stark abhängig von Tauchzyklen. 0–10 kPa: 2,12 × 10³ → 1,98 × 10⁵ kPa⁻¹ (1→5 Zyklen). 10–100 kPa: 764 → 1,12 × 10³ kPa⁻¹. Verbesserung durch erhöhte AgNW-Dichte.

Lochdurchmesser-Abhängigkeit (5 Zyklen): Empfindlichkeit steigt mit Durchmesser: 1,12 × 10³, 9,88 × 10³, 2,16 × 10⁴ kPa⁻¹ (10–100 kPa). Ursache: vergrößerte Kontaktfläche durch größere Löcher. Über 1 mm bei 4 Zyklen: initialer Kontakt im Entlastungszustand → signifikant niedrigerer Kontaktwiderstand (Abb. S6). Spacer-Dicke geändert: Leistung verschlechtert (Abb. S7). Geringere Dicke: ΔI/I₀ Abnahme durch initialen Kontakt (Abb. S7a). Höhere Dicke: reduzierter Gewebekontakt. 1 mm Dicke: Kontakt erst bei >10 kPa (Abb. S7c).

Zwei lineare Stromsegmente: Empfindlichkeit steigt steil im Niederdruckbereich, allmählich im Hochdruckbereich. Niedrigdruck: benachbarte AgNW-Kontakte dominieren Stromanstieg. 10–15 kPa: AgNWs an Grenzfläche vollständig kontaktiert. Stromänderungen durch Garn-/Gewebe-Kontaktwiderstand bestimmt (stabiler). Garn-/Gewebeskala dominiert bei 5 Zyklen, 0,75 mm Durchmesser – erhöhte Empfindlichkeit und linearer Bereich. 0,75 mm (Abb. 4d) zeigt höhere Empfindlichkeit und größeren linearen Bereich durch erhöhten Kontakt.

Dynamische Antwort unter Be-/Entlastungszyklen (Abb. 5a): Sofortige Reaktion. Ansprechzeit 32 ms, Entspannungszeit 24 ms. Abb. S8: Sensor unterscheidet subtilen Druck 50 Pa – exzellente Leistung. ΔI/I₀ bei 10 kPa, 1000 Zyklen (Abb. 5b): hervorragende Stabilität. Luftdurchlässigkeit: normale Baumwolle 787,3 → AgNW-Baumwolle 252,6 mm/s, noch viel höher als kürzlich berichtete Werte – gute Atmungsaktivität durch hohe Porosität erhalten.

Anwendungsdemonstration: Physiologische Signale. Gerät am Handgelenk mit Pflaster: Pulsdruck-Monitoring (Abb. 5c). Echtzeitdaten, Pulsrate ~72 Schläge/min. Sensor an Maske für Atmung (Abb. 5d): normale Atemfrequenz 10 Atemzüge/min, rechteckförmige Welle bei normaler Atmung. Wellenbreite = eingehaltene Atemzeit. Hohe Empfindlichkeit und Überlegenheit zeigen großes Potenzial für tragbare Gesundheitsgeräte.

Schlussfolgerung

AgNWs hydrothermal hergestellt, Morphologie charakterisiert. Ganz-textilbasierter Drucksensor durch Einfügen eines Baumwollnetz-Spacers zwischen doppelschichtige AgNW-beschichtete Baumwolle gefertigt. Durch kollektiven Effekt von Faser/Garn/Gewebe-Multiskalen-Kontakten: extrem hohe Empfindlichkeit (3,24 × 10⁵ kPa⁻¹ bei 0–10 kPa, 2,16 × 10⁴ kPa⁻¹ bei 10–100 kPa), schnelle Ansprech-/Erholungszeit (32/24 ms), hohe Stabilität (1000 Zyklen), breiter Druckbereich (0–100 kPa). Physiologische Signalüberwachung (Pulsdruck) erfolgreich demonstriert. Mit einfacher, effizienter Fertigungsmethode wird solcher ultrasensitiver Drucksensor breite Anwendung in nächste-Generation Smart Clothes, Aktivitätsmonitoring, Gesundheitsgeräte fördern.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die Autoren erklären, dass Materialien und Daten Lesern verfügbar sind, alle Schlussfolgerungen basieren auf im Papier präsentierten Daten.

Abkürzungen

CNTs:

Kohlenstoffnanoröhren

AgNW:

Silbernanodraht

PVP:

Polyvinylpyrrolidon

EG:

Ethylenglykol

NaCl:

Natriumchlorid

DI:

Deionisiertes Wasser

REM:

Rasterelektronenmikroskop

EDS:

Energiedispersive Röntgenspektroskopie