Um sensor de campo magnético flexível baseado em AgNWs &MNs-PDMS

Resumo

Este trabalho apresenta um novo sensor de campo magnético flexível baseado em nanofios de Ag e nanopartículas magnéticas dopadas em polidimetilsiloxano (AgNWs &MNs-PDMS) com estrutura em sanduíche. Os MNs atuam como a unidade sensível para detecção de campo magnético neste trabalho. Além disso, as redes condutoras são feitas por AgNWs durante a deformação. A magnetostrição leva à alteração da resistência dos sensores AgNWs &MNs-PDMS. Além disso, os MNs aumentam os caminhos condutores para os elétrons, levando a uma menor resistência inicial e maior sensibilidade do sensor resultante durante a deformação. Um ponto que vale a pena enfatizar é que a interação dos AgNWs e MNs desempenha papel insubstituível na detecção do campo magnético, então a mudança de resistência durante o alongamento e encolhimento foi investigada. O sensor de campo magnético flexível baseado na razão de massa de MNs e AgNWs é 1:5 apresentou a maior sensibilidade de 24,14 Ω / T no experimento de detecção de campo magnético. Finalmente, os modelos de detecção magnetostritiva e piezoresistiva foram estabelecidos para explorar o mecanismo do sensor.

Histórico

Dispositivos eletrônicos flexíveis recentemente atraíram grande atenção devido às suas capacidades de monitoramento de longo prazo de interação fácil [1,2,3,4,5]. Eles se tornam um dos sensores elétricos mais prospectivos devido às vantagens como leveza, portátil, excelentes propriedades elétricas e alta integração [6,7,8,9,10,11]. Indubitavelmente, os nanomateriais desempenham um papel insubstituível em sensores flexíveis devido às suas excelentes propriedades, por exemplo, tamanhos pequenos, efeito de superfície e efeito de tunelamento quântico [12,13,14]. Com base no efeito de tunelamento ressonante de nanomateriais, muitas pesquisas se concentram em sensores de deformação piezoresistivos cujas resistências mudam com a deformação [15,16,17]. Uma das principais aplicações dos sensores de tensão suave é a pele eletrônica flexível, portanto, as multiconstruções são a tendência de desenvolvimento dos sensores. Alguns relatórios declararam adicionar módulos de detecção de temperatura [18, 19] e umidade [20, 21] nas matrizes de detecção de deformação.

Além das habilidades de detecção de tensão, temperatura e umidade, as matrizes de detecção eletrônica de pele precisam urgentemente de algumas novas funções. Em outras palavras, mais funções tornam a pele eletrônica mais inteligente. Entre as novas funções, a detecção de campo magnético é uma aplicação inovadora. É preciso mencionar que apenas o sensor de campo magnético suave pode ser usado como um módulo para pele eletrônica no futuro. Devido a sensores de campo magnético macio poderem ser usados em áreas mais complexas com base em sua flexibilidade e elasticidade, alguns pesquisadores estão trabalhando neste campo [22,23,24,25,26]. Chlaihawi et al. preparou sensor de filme fino flexível ME para H _ac aplicações de detecção [27]. Jogschies et al. investigou camadas finas de poliimida NiFe 81/19 para detecção de campo magnético [28]. Tekgül et al. aplicou as multicamadas magnéticas CoFe / Cu em sensores GMR [29]. Melzer et al. relataram sensores de campo magnético flexível baseados no efeito Hall [30]. Uma série de sensores de campo magnético óptico flexível também foram estudados [31,32,33,34]. Em comparação com os detectores de campo magnético tradicionais, os sensores de campo magnético flexíveis são mais convenientes de aplicar e são menores e mais adequados para detecção em ambientes complexos. No entanto, os estudos sobre o sensor de campo magnético suave voltado para a pele eletrônica multifuncional foram raramente relatados, até onde sabemos.

Devido às excelentes propriedades eletrônicas e magnéticas dos Ag NWs [35,36,37] e MNs (Ni-Fe) [38, 39], respectivamente, este artigo propõe o projeto e a medição de sensores de campo magnético AgNWs &MNs-PDMS flexíveis com estrutura em sanduíche baseada em efeitos magnetostritivos e piezoresistivos. Os MNs foram introduzidos como unidades sensíveis ao campo magnético no sensor de deformação piezoresistiva baseado em AgNWs. As diferentes deformações magnetostritivas do sensor baseado em AgNWs &MNs-PDMS causam as diferentes variações de resistência. Após a caracterização dos nanomateriais, três diferentes proporções de massa de MNs e AgNWs (AgNWs e MNs; 1:1, 1:2, 1:5) foram usados para preparar sensores de campo magnético flexíveis. Antes que as propriedades de detecção do campo magnético dos sensores fossem investigadas, as relações entre as mudanças de resistência e alongamento ou retração foram estudadas para concluir a interação de MNs e AgNWs. Com base nos resultados da caracterização, o sensor de campo magnético obtido neste trabalho poderá ser futuramente aplicado em eletrônica multifuncional.

Métodos

Preparação de sensores flexíveis

Os MNs foram sintetizados pelo método de composição do látex [24, 25]. O diâmetro e o comprimento dos AgNWs (que foram adquiridos da Changsha Weixi New Material Technology Corporation, China, em comprimento) são 50 nm e 20 μm, respectivamente. Diferentes proporções de MNs e AgNWs foram escolhidas para investigar a quantidade adequada de nanomateriais. Assim, MNs e AgNWs na proporção de massa de 0:1, 1:5, 1:2 e 1:1 foram dispersos por ultrassom em etanol absoluto. A Figura 1 mostra o esquema do processo de fabricação do sensor. O elastômero PDMS e o reticulador na proporção de massa de 10:1 foram colocados no substrato com uma fita retangular colada. Depois de aquecido a 70 ° C por 2 h, o PDMS com ranhura foi retirado e cortado na forma exigida, e o tamanho da ranhura é 30 mm × 5 mm. Quatro amostras de AgNWs e MNs em diferentes proporções foram preenchidas nos entalhes dos filmes PDMS, respectivamente. Dois eletrodos de cobre macio foram instalados em ambos os lados e, em seguida, o PDMS foi colocado no topo para fixar os eletrodos e nanomateriais. Após aquecimento a 70 ° C por 2 h, os sensores foram obtidos.

Esquema do projeto estrutural e fluxograma do processo de fabricação do sensor

Caracterização

AgNWs e MNs com diferentes proporções de mistura foram caracterizados por meio de microscópio eletrônico de varredura (SEM, S4700 SEM Hitachi Corporation, Tóquio, Japão). Os componentes de AgNWs e MNs em diferentes proporções de massa foram caracterizados por medidas de XRD (Buker D8 Advance) usando radiação Cu K de comprimento de onda de 1,5406 Å.

As curvas de corrente-tensão foram medidas pelo medidor Keithley 2400 Source à temperatura ambiente (a temperatura ambiente era de 25 ° C). Os experimentos de alongamento foram realizados na plataforma de alongamento (Zolix TSM25-1A e Zolix TSMV60-1 s, Zolix Corporation, Beijing, China), e a resistência dos sensores foi medida por Keithley 2400 Source Meterat. Experimentos de detecção de campo magnético foram realizados quando o sensor flexível foi fixado em um campo magnético diferente. A intensidade do campo magnético começou em 0 T e aumenta em 0,1 T.

Resultados e discussão

O espectro de XRD de MNs foi mostrado na Fig. 2. Os picos característicos sugerem que os MNs são compostos por FeCo, FeNi e Co (OH) ₂ . O resultado demonstra que todas essas composições são materiais magnéticos.

O espectro de XRD de MNs

As imagens SEM de AgNWs e MNs são exibidas na Fig. 3. Os Ag NWs puros com 20 μm de comprimento e 50 nm de diâmetro formam uma rede linear que pode ser observada na Fig. 3a. As morfologias de AgNWs &MNs na razão de massa de 5:1, 2:1 e 1:1 são exibidas na Fig. 3b-d. Pequenas quantidades de MNs entre Ag NWs podem ser observadas na Fig. 3b. As redes na Fig. 3c são mais esparsas comparadas com as da Fig. 3a, b obviamente. Além disso, a curvatura dos AgNWs e mais MNs pode ser vista na Fig. 3d. As redes condutivas que são construídas por AgNWs e a quantidade de MNs aumentam aparentemente na Fig. 3a-d. A mistura uniforme Ag NWs e MNs, que são mostrados na Fig. 3a-d, desempenham um papel de conexão para aumentar a sensibilidade dos sensores ao esticar ou encolher. Os papéis que AgNWs e MNs desempenharam podem ser explicados pelos resultados na Fig. 3.

a AgNWs e MNs na proporção de massa de 1:0, b 5:1, c 2:1 e d 1:1

As curvas IV dos sensores com base em AgNWs e MNs na razão de massa de 1:0, 5:1, 2:1 e 1:1 são mostradas na Fig. 4. As quatro curvas são todas linhas retas suaves, que representam o quatro sensores mostram características ôhmicas significativas. Ele declara que esses sensores são condutores e estáveis sem deformação.

Curvas I-V dos sensores com base em AgNWs e MNs na razão de massa de a 1:0, b 5:1, c 2:1 e d 1:1

Pode-se calcular a partir da Fig. 4a que a resistência do sensor é 41,58 Ω quando a unidade sensitiva é AgNWs puro. As resistências dos sensores com base em AgNWs e MNs na razão de massa de 1:0, 5:1, 2:1 e 1:1 são 30,2 Ω, 5,04 Ω e 2,87 Ω, conforme mostrado na Fig. 4b – d. Ele mostra uma tendência de resistência decrescente quando MNs foram introduzidos em células sensíveis. Comparando as resistências dos quatro sensores, pode-se concluir que as resistências dos sensores de campo magnético flexível diminuem com o aumento da proporção de MNs, e a resistência mínima ocorre no sensor com AgNWs e MNs na razão de massa de 1:1. Pode-se comprovar também que a mistura de AgNWs e MNs em uma determinada proporção ajuda a reduzir a resistência, pois os componentes condutores dos MNs conduzem a caminhos mais condutores nas redes.

As relações entre mudanças de resistência e alongamento ou retração foram estudadas para concluir a interação entre MNs e AgNWs durante a deformação. As mudanças de resistência relativa dos sensores baseados em AgNWs e MNs com extensão abaixo da temperatura ambiente são mostradas na Fig. 5a-d. A mudança de resistência durante o processo de alongamento é representada por curvas pretas, e a mudança de resistência durante o processo de liberação é representada por curvas vermelhas. Δ R e R ₀ representam a mudança de resistência relativa sob a deformação e a resistência inicial do sensor, e L ₀ e Δ L representam o comprimento inicial e o alongamento relativo da amostra axial do sensor. O fator de calibre dos sensores pode ser calculado através da equação do fator de calibre (GF) =Δ R / R ₀ :Δ L / L ₀ . A Figura 5a mostra que o sensor baseado em AgNWs é condutor no processo de alongamento e recuperação quando o comprimento de tração está dentro de 7,12% do comprimento original e seu GF é 129,6. A resistência aumenta durante o alongamento. Isso pode ser atribuído ao aumento no espaçamento entre AgNWs no sensor durante a deformação, canais de tunelamento e caminho condutor são reduzidos dessa forma. O processo reverso causou diminuição da resistência durante a retração. Quando os MNs foram introduzidos na unidade sensível, as características de detecção de deformação do dispositivo flexível também mudaram. A resistência do sensor com base em AgNWs &MNs na razão de massa de 5:1 muda quase linearmente quando a faixa de alongamento está dentro de 4,4% do comprimento original na Fig. 5b. Quando o comprimento de tração é superior a 3,9% do comprimento original, os maiores aumentos de resistência ocorreram. O GF do sensor aumenta para 257, o que significa que a sensibilidade do sensor aumentou em comparação com o sensor baseado em AgNWs puros. No entanto, a faixa de deformação não é melhorada pela participação dos MNs na razão de massa de 5:1, o que pode ser observado nas Fig. 5a, b. A Figura 5c demonstra que a resistência do sensor com base em AgNWs &MNs na razão de massa de 2:1 muda linearmente quando a faixa de alongamento está dentro de 8,7% do comprimento original, e a GF do sensor é 264,4, que é maior do que a de os sensores baseados em AgNWs e MNs na razão de massa de 1:0 e 5:1. Na Fig. 5d, a resistência do sensor com base em AgNWs e MNs na razão de massa de 1:1 muda linearmente quando a faixa de alongamento está dentro de 9% do comprimento original. Quando o comprimento de tração é superior a 9% do comprimento original, a resistência muda substancialmente e o GF é 222,2. Em resumo, o sensor de campo magnético flexível baseado em AgNWs e MNs na razão de massa de 2:1 mostra o maior GF de 264,4, e tem um alcance extensível relativamente grande. Além disso, este sensor responde com mais sensibilidade à medida que a tensão aumenta, a mudança de resistência também tem uma relação linear melhor. Com base no ingrediente principal dos MNs é o FeCo, que é uma liga condutora. Comparando esses quatro tipos de sensores, a participação de mais MNs torna mais caminhos condutores nas unidades sensíveis durante o alongamento. No entanto, maior proporção de MNs em Ag NWs e MNs na mesma qualidade significa menos existência de Ag NWs, o que é prejudicial para a estabilidade da rede condutiva durante a deformação. Essa é a razão do mergulho da resistência relativa no deslocamento de 9%. Consequentemente, o AgNWs e MNs na razão de massa de 1:1 é a maior quantidade de MNs que projetamos neste trabalho, e o sensor baseado nos AgNWs e MNs na razão de massa menor que 1:1 é não condutor assim que o alongamento. Os resultados da Fig. 5 demonstram que os efeitos sinérgicos dos AgNWs e MNs em certas proporções aumentam a sensibilidade e a faixa de deformação.

As mudanças de resistência relativa dos sensores com base em AgNWs e MNs na razão de massa de a 1:0, b 5:1, c 2:1 e d 1:1 com deformação

Os MNs podem se aproximar sob o campo magnético, de modo que a magnetostrição pode levar ao encolhimento dos sensores. A fim de caracterizar a interação de AgNWs e MNs nos sensores durante o encolhimento, medimos a mudança de resistência durante o encolhimento, e os resultados experimentais são mostrados na Fig. 6. A Figura 6a mostra que o sensor baseado em AgNWs é condutor no processo de encolhimento e recuperação quando o comprimento da contração está dentro de 1,6% do comprimento original, e seu maior GF é 13,75; AgNWs embutidos no PDMS entram em contato durante o processo de retração, o que leva ao aumento dos caminhos de condução. Portanto, a resistência diminui à medida que a força contrátil aumenta. A diminuição no espaçamento entre AgNWs no sensor, mais e mais nanofios se sobrepõem, resultando na diminuição da resistência do sensor. Quando introduzimos os MNs em AgNWs, a Fig. 6b ilustra que as características de encolhimento do dispositivo flexível com base nos AgNWs e MNs na razão de massa de 5:1. A resistência do sensor muda com a faixa de encolhimento é de 2,5% do comprimento original, e o GF mais alto é 24. Substancialmente, a mesma mudança na resistência também se aplica a sensores baseados em AgNWs e MNs na razão de massa de 2:1 e 1:1, que é mostrado na Fig. 6c, d. Aumentando a proporção de massa de MNs na unidade sensível, a resistência do sensor com base nos AgNWs e MNs na proporção de massa de 2:1 muda quando a faixa de encolhimento está dentro de 1,6% do comprimento original e seu GF é 21,875. Ao mesmo tempo, a resistência dos sensores com base nos AgNWs e MNs na proporção de massa de 1:1 também diminuiu quando a faixa de encolhimento está dentro de 2,8% do comprimento original e seu GF é 20,35. Pode-se concluir que a variação da resistência do sensor com base nos AgNWs &MNs na relação de massa de 5:1 com encolhimento é maior que a dos outros três sensores, e a sensibilidade é maior. Ao contrário do processo de alongamento, a resistência de todos os sensores diminui à medida que o comprimento da contração aumenta. Quando AgNWs e MNs na razão de massa é 5:1, o sensor tem o maior coeficiente de sensibilidade durante o processo de contração, cujo GF mais alto é 24. Comparando a Fig. 6a-d, menos quantidade de MNs conecta os caminhos condutores mais facilmente porque há mais espaço para os materiais que se movem como retração, o que é contrário aos resultados da Fig. 5. Consequentemente, o GF do sensor baseado nos AgNWs e MNs na razão de massa de 5:1 é mais alto quando encolhendo. Os resultados da Fig. 6 demonstram que os efeitos sinérgicos ocorrem quando AgNWs e MNs em proporções maiores.

As mudanças de resistência relativa dos sensores com base em AgNWs e MNs na razão de massa de a 1:0, b 5:1, c 2:1 e d 1:1 com encolhimento

Em diferentes campos magnéticos, diferentes alterações de resistência do sensor magnético flexível são mostradas na Fig. 7. A resistência do sensor baseado em AgNWs é de 41,58 Ω. Conforme mostrado na Fig. 7a, colocamos o sensor baseado em AgNWs puros em um campo magnético que aumenta gradualmente, e a resistência do sensor muda conforme ele vibra de acordo. Devido ao efeito magnetostritivo dos materiais metálicos, a resistência do sensor é ligeiramente alterada. A taxa de mudança de resistência máxima é 0,037 quando a força do campo magnético é 0,4 T. A resistência do sensor com base nos AgNWs e MNs na razão de massa de 5:1 também diminui com o aumento da força do campo magnético, conforme mostrado na Fig. 7b. Comparado com o sensor sem MNs, a mudança de resistência do sensor com base nos AgNWs e MNs na razão de massa de 5:1 com mudança de campo magnético é mais óbvia. Quando a força do campo magnético é 0,4 T, a taxa máxima de mudança de resistência é 0,28. Na Fig. 7c, d, a mesma aplicação para os sensores com base nos AgNWs e MNs na razão de massa de 2:1 e 1:1, e as mudanças de resistência são 0,14 e 0,19 conforme o campo magnético aumenta, respectivamente. A sensibilidade do sensor com base nos AgNWs &MNs na razão de massa de 5:1 é a mais alta, e a variação contínua da resistência com o campo magnético foi mostrada na Fig. 8. A comparação dos parâmetros dos sensores de deformação com base em diferentes razões de MNs e AgNWs é apresentado na Tabela 1.

A resistência muda em diferentes campos magnéticos

A relação entre resistência e diferentes campos magnéticos

Pode-se calcular que a sensibilidade do sensor de campo magnético é 24,14 Ω / T. Em conclusão, quando a razão de massa de MNs e AgNWs é 1:5, a resposta do sensor do campo magnético variável é mais sensível com uma sensibilidade de 24,14 Ω / T. O sensor de campo magnético flexível obtido neste trabalho pode ser posteriormente aplicado na detecção da intensidade do campo magnético. Os resultados do teste desta aplicação correspondem ao processo de encolhimento do sensor ao comparar os resultados nas Figs. 7 e 8. Isso significa que os nanomateriais nos sensores se movem juntos quando são colocados no campo magnético. A análise do mecanismo declara em detalhes como segue.

Para entender as variações de resistência dos sensores durante diferentes intensidades de campo magnético, propomos um modelo simples para descrever o princípio de funcionamento do sensor como mostrado na Fig. 9. Numerosos AgNWs e MNs em PDMS formam uma rede condutiva. Os caminhos condutores formados por AgNWs e MNs sem campo magnético são mostrados como linhas vermelhas na Fig. 9a. Os MNs tendem a ser dispostos uniformemente sob o campo magnético, que é mostrado na Fig. 9b. No entanto, há um espaço minúsculo para a mudança de posição dos MNs, então apenas as direções dos MNs mudam com as linhas do campo magnético. A maior intensidade do campo magnético representa maior força dos MNs que podem superar as restrições de rede dos AgNWs. A direção do movimento dos MNs faz com que os Ag NWs se reúnam, o que é a razão para o aumento no número de caminhos condutores. Mais caminhos condutores significam mais transferência de elétrons, o que leva a uma menor resistência, a resistência diminui com o aumento da intensidade do campo magnético dessa forma.

Modelo de detecção esquemática de sensor de campo magnético macio baseado em AgNWs &MNs-PDMS

Conclusões

O dispositivo projetado neste artigo está de acordo com a tendência de desenvolvimento de eletrônicos flexíveis. Um sensor de campo magnético flexível baseado em AgNWs &MNs-PDMS com estrutura em sanduíche foi estudado neste trabalho. Com base nas caracterizações de SEM e XRD, os componentes e morfologias das diferentes proporções de nanomateriais foram determinados. Em seguida, as curvas de corrente-tensão e mudanças de resistência dos sensores com base em AgNWs e MNs na razão de massa de 1:0, 5:1, 2:1 e 1:1 com alongamento e encolhimento foram medidos, respectivamente. A interação entre os AgNWs e MNs durante a deformação foi concluída através dos resultados da caracterização. Em seguida, sensores baseados em diferentes proporções de massa de MNs e AgNWs foram investigados para propriedades de detecção de campo magnético. Quando a razão de massa de AgNWs e MNs é 5:1, o sensor conforme preparado mostra a sensibilidade mais alta de 24,14 Ω / T. Os resultados experimentais mostram que o sensor encolhe com o aumento da intensidade do campo magnético. Além disso, os modelos de detecção magnetostritiva e piezoresistiva foram estabelecidos para explorar o mecanismo deste sensor.

Abreviações

AgNWs:: Ag Nanowires
GF:: Fator de medição
MNs:: Nanopartículas magnéticas
PDMS:: Polidimetilsiloxano
SEM:: Microscópio eletrônico de varredura
XRD:: Difração de raios X

Influência do óxido de grafeno na permeabilidade do etanol e na condutividade iônica da membrana baseada em QPVA em células de combustível de etanol direto alcalino passivo Exposição a nanopartículas de dióxido de titânio durante a gravidez Alterou a microbiota intestinal materna e aumentou a glicose no sangue de rato

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