Sensor de pressão flexível capacitivo baseado em papel de alto desempenho e sua aplicação em medições relacionadas a humanos

Resumo

Sensores de pressão flexíveis (FPS) têm mostrado amplas aplicações em robótica artificial, dispositivos vestíveis, skins eletrônicos e sistemas biomédicos; no entanto, procedimentos complicados como microusinagem e micromoldagem são frequentemente envolvidos para atingir o alto desempenho do sensor. Neste trabalho, um novo FPS capacitivo foi preparado usando substratos de nanofio de prata (AgNW) -apapel como eletrodos e polidimetilsiloxano (PDMS) como dielétricos, e os resultados revelaram que a sensibilidade e a faixa dinâmica do sensor como preparado foram 1,05 kPa ^-1 e 1 Pa a 2 kPa, respectivamente, comparáveis aos mais modernos; medições de aplicação prática indicaram ainda que o FPS capacitivo era capaz de detectar dobras, batidas de dedo e fala humana, bem como identificar o perfil do objeto; portanto, mostra um bom potencial para aplicação em peles artificiais e dispositivos vestíveis.

Introdução

Graças à sua flexibilidade e facilidade de integração em superfícies curvas como o corpo humano, os sensores de pressão flexíveis (FPS) têm recebido grande atenção e apresentam grande potencial para aplicações em dispositivos vestíveis [1, 2], skins eletrônicos [3, 4], sistemas biomédicos [5] e detecção de movimento humano [6,7,8,9]; muitas estruturas e mecanismos, como transistor de efeito de campo [10, 11], capacitor [2, 12], efeito piezoelétrico [13,14,15,16] e efeito de piezoresistência [17,18,19] foram propostos para realizar FPS; entre eles, o FPS capacitivo torna-se cada vez mais atraente devido à sua estrutura simples [20], grande faixa dinâmica [21] e boa estabilidade [22]. Em termos de materiais usados em FPS, o polidimetilsiloxano (PDMS) é um excelente material devido à sua boa flexibilidade, conformidade biomédica com o tecido humano e propriedade dielétrica e, portanto, é frequentemente usado como um material estrutural em FPS, bem como outros sensores flexíveis [23,24,25]; no FPS capacitivo, o PDMS era frequentemente usado como a camada dielétrica [20, 26] e substrato do eletrodo [2, 21]. No que diz respeito à camada condutora de eletricidade em FPS, nanofios de prata (AgNWs), que têm grande potencial e são amplamente utilizados em eletrônica flexível, como células solares [27,28,29,30,31,32] e aquecedores de filme [33 , 34] devido às suas excelentes propriedades elétricas, ópticas e mecânicas, eram frequentemente usados em conjunto com o PDMS; por exemplo, Chen et al. [35] prepararam filmes compostos de nanofio de prata (AgNWs) / (PDMS) incorporando parcialmente AgNWs na camada de PDMS para criar uma superfície rugosa, e o dispositivo sensor fabricado foi capaz de atingir uma sensibilidade três vezes maior do que usando eletrodos de filme de metal comum. Yao et al. [2] primeiro alcançou linhas paralelas AgNW em silício através de uma máscara de sombra PDMS pré-padronizada; então, eles lançaram um PDMS líquido sobre o substrato de silício AgNW; por descolamento do PDMS depois de curado por 12 h, um eletrodo de PDMS embutido em AgNW foi obtido; finalmente, um FPS capacitivo foi fabricado que detectou com sucesso o movimento do polegar, tensão na articulação do joelho e outros movimentos humanos.

Para atingir alta sensibilidade do FPS capacitivo, geralmente é necessário produzir micropadrões na camada dielétrica e / ou eletrodos, e procedimentos complicados, como micromaquinagem [2, 35, 36] bem como micromoldagem [7, 21, 26], são frequentemente envolvido; por exemplo, Bao et al. [26] criaram padrões de pirâmide inversa em silício e, em seguida, transferiram os padrões para PDMS fundindo-o no molde de silício; os padrões da pirâmide foram, portanto, produzidos no PDMS. Li et al. [21] também usaram a técnica de moldagem para criar uma estrutura inversa da superfície de lótus no PDMS, resultante do depósito de uma fina camada de ouro como o eletrodo, e um FPS capacitivo foi fabricado usando microesferas de poliestireno (PS) como a camada dielétrica ensanduichada por dois eletrodos PDMS . Neste trabalho, um procedimento muito simples foi proposto usando um papel de impressão comum depositado com AgNWs como substrato do eletrodo, e FPS capacitivo de alto desempenho foi construído usando PDMS como a camada dielétrica laminada com substrato de papel AgNW em ambos os lados; os resultados do teste demonstraram que a sensibilidade e a faixa dinâmica do dispositivo eram 1,05 kPa ⁻¹ e 1 Pa a 2 kPa; além disso, era capaz de identificar a forma do objeto, toque do dedo e vibração induzida por voz, mostrando seu bom potencial para pele artificial e dispositivos vestíveis.

Métodos

Preparação de AgNWs, AgNWs Filmes, Filmes PDMS e FPS Capacitivo

AgNWs foram sintetizados por método hidrotérmico:primeiro, 0,3 mol por litro (M) solução de polivinilpirrolidona (PVP) (peso molecular 30000) / etilenoglicol (EG) foi preparado pela adição de 0,2 g de PVP em 6 ml de EG, e a mistura foi agitado por 20 min; da mesma forma, solução 0,1 M de AgNO ₃ / EG e cloreto de sódio (NaCl) / EG 0,01 M também foram preparados. Em segundo lugar, soluções de AgNO ₃ / EG e NaCl / EG foram adicionados a PVP / EG e agitados até a solução uniforme ser obtida, a qual foi então transferida para um forro de Teflon e colocada na caldeira de reação; a caldeira foi aquecida a 140 ° C durante 2 h e depois a 160 ° C durante 30 min para o crescimento de AgNWs; após a caldeira ter sido resfriada naturalmente até a temperatura ambiente, AgNWs na forma de pó branco foram obtidos por lavagem e filtração centrífuga dos produtos sequencialmente com acetona e água desionizada por três vezes. Por último, os AgNWs obtidos foram dispersos por ultrassom em 100 ml de etanol para a preparação do filme AgNW.

Técnicas de preparação, incluindo pulverização de aerógrafo, revestimento por rotação e revestimento por imersão foram usadas para filmes AgNWs, e os resultados experimentais revelam que a pulverização por aerógrafo tem a vantagem de alta eficiência, boa uniformidade e aderência; os detalhes da preparação do filme AgNW foram os seguintes:um papel de impressão limpo com o tamanho de 20 mm × 20 mm foi usado como substrato que foi colocado em uma placa de aquecimento a 100 ° C; o diâmetro da porta de saída do aerógrafo foi de 0,5 mm, a distância entre o aerógrafo e o substrato foi de 150 mm; a pressão predefinida do aerógrafo era de 0,1 MPa; AgNWs com diferentes espessuras e resistências elétricas podem ser obtidos ajustando o tempo de pulverização; após a deposição, o substrato foi mantido na placa de aquecimento por 1 h para remover completamente o PVP em torno dos AgNWs. PDMS foram preparados a partir de precursores Sylgard 184 (Dow Corning). Em primeiro lugar, os agentes principais e de cura dos precursores foram misturados com uma proporção de massa de 10:1; após agitação durante 20 min, a mistura foi submetida a vácuo durante 10 min para remover as bolhas durante a agitação; em seguida, foi revestido por centrifugação em um substrato de vidro cuidadosamente limpo. O substrato foi então recozido a 65 ° C por 2 h para formar PDMS curado, e um filme PDMS autônomo pode ser finalmente obtido por destacamento do substrato de vidro.

O FPS capacitivo tipo sanduíche (Fig. 1) foi fabricado usando dois substratos de papel AgNW como eletrodos e PDMS como dielétricos; os sinais elétricos eram extraídos por dois fios de cobre, que eram colados nos eletrodos por tinta condutora de prata; finalmente, o sensor foi embalado por fita transparente.

a Estrutura do FPS capacitivo baseado em papel AgNW e mecanismo simplificado. b Plataforma de teste para FPS capacitivo

Caracterização e teste

Morfologias de superfície de AgNWs e papéis foram caracterizadas por microscópio eletrônico de varredura (MEV) (tipo Inspect F50, FEI, US); Testes de espectroscopia ultravioleta-visível (UV-Vis) (SHIMAZU 1700, Japão) foram realizados para analisar a composição dos AgNWs; para teste de sensor, uma plataforma de estimulação de pressão foi construída com base em um medidor de força (HP-5, Yueqing Handpi Instruments Co., Ltd, China); um circuito oscilante caseiro baseado no modelo de temporizador LM555 foi projetado para converter a variação de capacitância em frequência um; A aquisição de dados foi realizada em um computador pessoal via multímetro Keithley2700 (Keithley, EUA).

Resultados e discussões

Como mostrado na Fig. 2a, a foto SEM indica que os AgNWs preparados têm formas uniformemente longas e finas com diâmetros de cerca de 100 nm, e nenhuma impureza é encontrada no filme; A Fig. 2b implica que o filme tem uma densidade relativamente alta, o que ajudará a obter eletrodos altamente condutores do FPS capacitivo. Para investigar melhor a pureza de AgNWs, o espectro de UV-Vis foi testado conforme mostrado na Fig. 3. Isso demonstra claramente que dois picos em 355 nm e 380 nm aparecem nas curvas de absorção, que são devidos a ressonâncias plasmônicas transversais e longitudinais de AgNWs; outros picos ou ruídos de caracteres também apareceriam se impurezas como AgCl, AgNO ₃ , ou existem nanopartículas de prata no filme; portanto, o espectro UV-Vis prova ainda que AgNWs de alta qualidade foram sintetizados com sucesso.

a - d Fotos SEM de filme e papel AgNW

Espectro UV-Vis dos AgNWs

A Figura 4 apresenta os resultados do teste de resposta da amostra; como mostrado na Fig. 4a, a curva de resposta pode ser aproximadamente dividida em duas partes lineares em toda a faixa de pressão, isto é, uma parte altamente sensível a baixa pressão e uma parte pouco sensível a alta pressão com o ponto de viragem localizado a 2 KPa. Este fenômeno é comum para FPS capacitivos especialmente baseados em PDMS [21, 22] que pode ser interpretado da seguinte forma:o PDMS tem seu limite elástico; como a pressão aplicada é baixa, o PDMS mostra boa elasticidade, grande deformação pode ser produzida e grande variação de capacitância (Δ C ) pode, portanto, ser esperado; enquanto a pressão aplicada fica grande o suficiente, o PDMS se torna tão denso que não é mais elástico o suficiente, nenhuma tensão óbvia pode ser produzida mais pela pressão aplicada e, portanto, apenas a baixa sensibilidade do sensor pode ser alcançada e, como consequência, apenas a faixa de alta sensibilidade é usada para medição. A partir dos dados da Fig. 4a, pode-se calcular que a amostra FPS capacitiva tem uma sensibilidade tão alta quanto 1,05 KPa ⁻¹ , este valor é melhor do que aqueles relatados na maioria das literaturas [12, 26, 37,38,39] e comparável aos resultados de AgNWs / FPS capacitivo baseado em PDMS microestruturado em nosso trabalho anterior [22], enquanto o procedimento de fabricação é muito mais simples. O mecanismo por trás desse bom desempenho pode ser atribuído à natureza morfológica do papel; conforme mostrado na Fig. 2c e d, fotos SEM do papel revelam que um grande número de micro-ranhuras e vazios existe no papel, uma vez que é difícil comprimir o ar nas micro-ranhuras e vazios; o ar então se moverá para baixo e criará numerosos recuos nos AgNWs quando a pressão externa for aplicada; esses recuos serão finalmente transferidos para o filme PDMS devido à alta flexibilidade de ambos AgNWs e PDMS; e como resultado, as áreas equivalentes dos eletrodos aumentam, bem como a distância entre eles diminui, sendo que ambos são úteis para obter uma variação maior de capacitância. A caracterização mais específica do desempenho do sensor na faixa de pressão extremamente baixa foi conduzida conforme apresentado na Fig. 4b. Percebe-se claramente que a amostra é capaz de responder a uma pressão tão baixa quanto 1 Pa, demonstrando sua alta sensibilidade; além disso, ele pode se recuperar totalmente ao seu valor inicial após o descarregamento de cada pressão, refletindo sua boa estabilidade e velocidade de resposta rápida. A Figura 4c fornece o resultado do teste de repetibilidade de curto prazo em que o sensor foi pressionado (81 Pa) e liberado continuamente por 500 períodos. As curvas de resposta ampliadas no início e no final mostram tendências muito semelhantes, implicando ainda mais na boa estabilidade e repetibilidade da amostra. Além disso, o teste de repetibilidade de longo prazo foi realizado após 1 mês; como mostrado na Fig. 4a, a resposta da amostra na faixa de baixa pressão não muda após 1 mês; por outro lado, embora a resposta de alta pressão tenha sofrido uma diminuição óbvia, como mencionado acima, isso não influenciaria o desempenho do sensor. A Figura 4d compara o desempenho da amostra antes e depois de 1 mês em alguns valores de pressão específicos; revela ainda que nenhuma degradação do dispositivo pode ser encontrada em baixa pressão; por outro lado, embora a resposta em alta pressão diminua, ela não mostra variação sob pressão constante, indicando a estabilidade da amostra ainda boa.

Teste de resposta de FPS capacitivo baseado em papel AgNW: a relações pressão-capacitância dentro de uma ampla faixa de pressão, b resposta a baixa pressão, c teste repetitivo de curta duração e d desempenho de envelhecimento após um mês

Para investigar a praticabilidade do FPS capacitivo baseado em papel AgNW, vários testes relacionados à vida real foram realizados. A Figura 5a dá o resultado do teste de flexão; o ângulo de curvatura teta, como mostrado na inserção, é definido como o ângulo incluído formado pelas duas linhas tangentes ao sensor de curvatura em ambas as extremidades. Isso revela que a amostra é muito sensível à flexão e quanto mais flexão a amostra, maior sua capacitância; além disso, a curva capacitância-teta curiosamente tem uma relação quase linear, o que fornece à amostra um bom potencial para a medição do estado de flexão das articulações do corpo humano. A Figura 5b mostra que o sensor pode detectar claramente o movimento de clique duplo; a pressão durante o clique pode produzir uma variação de capacitância de até 700 pF, uma vez maior que seu valor inicial; além disso, como mostrado na Fig. 5c, o sensor pode identificar cada sílaba que o experimentador diz e demonstra alta sensibilidade e excelente repetibilidade. Para explorar ainda mais o potencial do FPS capacitivo, um arranjo 8 × 8 de FPS capacitivo de papel AgNW foi fabricado como representado na Fig. 5d; as linhas de eletrodos foram formadas pulverizando os AgNWs através de uma máscara rígida e o tamanho do pixel era de 2 mm x 2 mm. A Figura 5e demonstra que a matriz pode detectar facilmente a ponta de um lápis e, como a ponta era pequena o suficiente, os pixels vizinhos não foram afetados de forma alguma, mostrando seu efeito de diafonia insignificante; além disso, como mostrado na Fig. 5, depois que uma bala feita de plasticina foi colocada na matriz, ela foi capaz de reconhecer a forma da bala; especificamente, os resultados do mapeamento implicam que a maior parte da massa da bala está localizada nas duas linhas centrais, enquanto a segunda coluna de pixels à esquerda tem os menores sinais devido à pequena massa na cabeça da bala.

Aplicações de FPS capacitivo baseado em papel AgNW: a teste de flexão, b teste de toque de dedo, c teste de voz, d Array 8 × 8 de FPS capacitivo baseado em papel AgNW, e detecção de ponta de lápis, f detecção de uma forma de bala feita à mão de plasticina

Conclusão

Usando um papel comum como substrato, AgNWs foram preparados através da técnica de síntese hidrotérmica. Os resultados da caracterização de SEM e UV-Vis indicaram que os AgNWs têm tamanho uniforme, grande relação comprimento-diâmetro e alta pureza, que são desejáveis para uma boa flexibilidade e condutividade elétrica dos AgNWs. A amostra de FPS capacitiva foi preparada usando substratos de papel AgNW como eletrodos e PDMS como dielétricos; testes de desempenho demonstraram que a amostra tinha não apenas alta sensibilidade e ampla faixa de medição dinâmica, mas também boa estabilidade e repetibilidade. Além disso, o exemplo mostra sua capacidade de detectar movimentos humanos, como flexão de articulações, batidas de dedo e fala; além disso, um array 8 × 8 de FPS capacitivo com tamanho de pixel de 2 mm × 2 mm foi fabricado e os resultados mostraram que o array tem alta sensibilidade, efeito de crosstalk insignificante e potencial para identificação do perfil do objeto. Esses testes indicam que nosso FPS capacitivo de papel AgNW tem um bom potencial para aplicações como pele artificial, monitoramento de movimento, dispositivo vestível e identificação de objeto.

Disponibilidade de dados e materiais

Os conjuntos de dados usados e / ou analisados durante o estudo atual estão disponíveis junto ao autor correspondente, mediante solicitação razoável.

Abreviações

FPS:: Sensores de pressão flexíveis
AgNWs:: Nanofios de prata
M:: Toupeira por litro
PVP:: Polivinilpirrolidona
PS:: Poliestireno
EG:: Etilenoglicol
NaCl:: Cloreto de Sódio
SEM:: Microscópio eletrônico de varredura
UV-Vis:: Visível por ultravioleta
Δ C :: Variação de capacitância
pF:: Picofarad

Influência de luxações no índice de refração de AlN por campo de tensão em nanoescala LEDs empacotados em escala de mini-chip planar de alta uniformidade com conversor de ponto quântico para fonte de luz branca

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