Sensores de pressão vestíveis ultrassensíveis baseados em tecidos revestidos com nanofio de prata

Resumo

Sensores de pressão flexíveis têm atraído cada vez mais atenção devido às suas aplicações potenciais em sistemas de monitoramento e cuidado de saúde humana vestíveis. Aqui, apresentamos uma abordagem fácil para a fabricação de sensores de pressão piezoresistivos totalmente baseados em têxteis com tecidos revestidos com nanofios Ag integrados. Ele aproveita totalmente o efeito sinérgico dos contatos de vários níveis de fibra / fio / tecido, levando a uma sensibilidade ultra-alta de 3,24 × 10 ⁵ kPa ⁻¹ a 0–10 kPa e 2,16 × 10 ⁴ kPa ⁻¹ em 10–100 kPa, respectivamente. Além disso, o dispositivo alcançou um tempo de resposta / relaxamento rápido (32/24 ms) e uma alta estabilidade (> 1000 ciclos de carga / descarga). Assim, espera-se que esse sensor de pressão totalmente têxtil com alto desempenho seja aplicável nas áreas de roupas inteligentes, monitoramento de atividades e dispositivos de saúde.

Introdução

Com o recente desenvolvimento de eletrônicos vestíveis, há uma demanda crescente por sensores de pressão flexíveis em uma infinidade de aplicações, incluindo dispositivos e-skin, sistemas de monitoramento de saúde e robôs inteligentes [1,2,3,4,5,6,7, 8]. Para serem empregados de forma viável nessas aplicações, os sensores de pressão devem apresentar excelente desempenho de sensibilidade, fornecendo informações exaustivas para diagnósticos ou análises precisas.

Até o momento, vários métodos foram desenvolvidos para melhorar o desempenho do sensor otimizando os nanomateriais, incluindo nanotubos de carbono (CNTs) [1], nanofolhas de grafeno [9], nanofios de metal [10,11,12,13,14,15,16 , 17,18,19], polímeros condutores [20] e seus materiais compostos [21,22,23,24,25,26]. Particularmente, o nanofio de Ag (AgNW) tem sido amplamente explorado como materiais de detecção ou preenchimentos condutores em sensores de pressão devido às suas excelentes propriedades elétricas. Por exemplo, Wang et al. fabricou um sensor de pressão flexível baseado no filme de PU preenchido com AgNW, renderizando uma sensibilidade de 5,54 kPa ⁻¹ na faixa de pressão abaixo de 30 Pa [27]. Ho et al. relataram um sensor de pressão aprimorado por trinca transparente que consiste em dois filmes PDMS laminados com canais microfluídicos incorporados em AgNW [28]. No entanto, a maioria desses sensores foi fabricada com substratos elásticos à prova de ar, que são irrespiráveis e desconfortáveis de usar, o que limita suas aplicações práticas.

Mais recentemente, os sensores de pressão baseados em têxteis têm atraído cada vez mais atenção por causa de sua maciez, respirabilidade e biocompatibilidade, o que os torna duráveis e fáceis de usar por longo prazo. AgNWs têm sido amplamente utilizados em sensores de pressão à base de têxteis como camada sensível. Para sensores baseados em têxteis, uma estrutura típica consiste em circuitos flexíveis cobertos por um tecido condutor e eles exploram uma mudança na resistência de contato entre os circuitos e os tecidos. Quando uma pressão é aplicada, os dois filmes entram em contato e uma corrente significativa é gerada. Por exemplo, Wei et al. demonstraram um sensor de pressão vestível com a estrutura de duas folhas de algodão revestidas com AgNWs condutivas [29]. Zhou et al. projetou um sensor de pressão com um eletrodo têxtil impresso e tecido de algodão revestido com AgNW [30]. No entanto, a faixa de pressão é limitada para a estrutura desses sensores. Assim, vários projetos de estrutura foram propostos para melhorar o desempenho dos sensores de pressão. Zhong et al. desenvolveu um sensor piezoresistivo ultrassensível com alta flexibilidade, que é composto por nanofibras POE e AgNWs por um método de filtração fácil. As nanofibras são replicadas em tecidos de náilon padronizados com diferentes espaçamentos de fibras [12]. Apesar desse progresso, um sensor de pressão totalmente baseado em têxteis com ultra-alta sensibilidade e design de estrutura raramente é relatado.

Aqui, propomos uma nova estratégia para a fabricação de sensores de pressão totalmente baseados em têxteis. A solução AgNWs foi sintetizada e, em seguida, o tecido condutor pode ser fabricado usando um método de revestimento por imersão, que foi feito mergulhando pedaços de algodão na dispersão AgNW. O elemento de detecção ativo continha algodões de camada dupla revestidos com AgNW com um espaçador de malha de algodão para garantir o contato inicial entre eles. A detecção de pressão é baseada em mudanças na corrente elétrica devido ao contato entre as camadas de revestimento sob pressão externa. Este sensor de pressão piezoresistivo totalmente baseado em têxteis aproveita totalmente o efeito sinérgico dos contatos de vários níveis de fibra / fio / tecido, levando a uma sensibilidade ultra-alta de 3,24 × 10 ⁵ kPa ⁻¹ a 0–10 kPa e 2,16 × 10 ⁴ kPa ⁻¹ em 10–100 kPa, respectivamente. Enquanto isso, o sensor de pressão atingiu um tempo de resposta / relaxamento rápido (32/24 ms) e alta estabilidade (> 1000 ciclos de carga / descarga). Esses dispositivos têm amplas aplicações em roupas inteligentes, monitoramento de atividades e dispositivos de saúde.

Seção Experimental

Materiais e métodos

A solução AgNWs foi sintetizada por método hidrotérmico. Primeiro, a solução de PVP foi adicionada ao EG; em seguida, a mistura foi agitada por 20 min para fabricar a solução de PVP / EG. Posteriormente, as soluções de AgNO ₃ / EG e NaCl / EG foram preparados com um método semelhante. Em segundo lugar, as soluções de AgNO ₃ / EG e NaCl / EG foram adicionados a PVP / EG, e a mistura foi agitada e transferida para uma caldeira de reação. Terceiro, a caldeira foi aquecida a 140 ° C durante 2 h e depois a 160 ° C durante 30 min. Posteriormente, a chaleira foi naturalmente resfriada até a temperatura ambiente. Os precipitados obtidos foram lavados e filtrados por centrifugação com acetona e água desionizada várias vezes para formar um pó branco. Por último, os AgNWs obtidos foram dispersos ultrassonicamente em etanol.

Fabricação de sensor de pressão

O sensor de pressão totalmente têxtil foi fabricado usando o processo de “imersão e secagem” [31] (Fig. 1). Primeiro, os tecidos de algodão foram limpos com DI e etanol anidro cada por 15 min. Em segundo lugar, os tecidos foram mergulhados na solução obtida de AgNWs por 20 min e seguidos por secagem a 90 ° C por 10 min (Fig. 1a). Em seguida, os eletrodos de cobre foram fixados na superfície dos tecidos revestidos com AgNW com pasta de prata e secos a 90 ° C por 1 h. Enquanto isso, os espaçadores de malha de algodão com diferentes diâmetros de orifícios foram fabricados por um processo de gravação a laser (Fig. 1b). Finalmente, o tecido de detecção de camada dupla com um espaçador de malha de algodão inserido foi montado por um processo de embalagem face a face (Fig. 1c).

Processo de fabricação do sensor de pressão totalmente têxtil. a O processo de preparação do algodão revestido com AgNW. b O processo de fabricação do espaçador de malha de algodão. c O processo de montagem do sensor de pressão

Caracterização

As imagens de microscopia eletrônica de varredura (SEM) das superfícies de tecido revestidas com AgNW foram obtidas por meio de um GeminiSEM 500 (ZEISS, New York, America) a 5 kV. A resposta de corrente dos sensores de pressão foi registrada usando um medidor digital (Keithley 4200, América) e medida usando um medidor de força digital (SJS-500V, China).

Resultados e discussão

A Figura 2 mostra imagens SEM da morfologia do tecido revestido com AgNWs com ampliação diferente. Conforme mostrado na Fig. 2a, os fios de algodão foram estratificados naturalmente com estrutura porosa. A superfície externa do tecido é coberta por AgNWs (Fig. 2b), nos quais os nanofios são uniformemente enrolados nas fibras. Particularmente, entre os fios vizinhos, existem espaçamentos vazios que são interligados pelas redes condutivas AgNW anexadas (Fig. 2c). Para ser notado, fios longos e uniformes foram observados entre os fios adjacentes, e o diâmetro médio do AgNW é em torno de 55 nm. Na Fig. 2d, os AgNWs são formados homogeneamente na área principal da superfície do fio, enquanto desconectados em algum ponto devido à má adesão. Além disso, a distância entre os nanofios aderidos ao fio individual é relativamente maior do que a dos nanofios entre os fios vizinhos.

A morfologia dos tecidos revestidos com AgNWs. a - d As imagens SEM da morfologia da superfície de tecido revestido com AgNWs com diferentes posições de AgNWs e diferentes ampliações, em que c é a imagem SEM do AgNWs entre os fios e d os AgNWs revestidos na fibra única

Além disso, a densidade dos AgNWs na superfície dos tecidos foi ajustada pelos tempos dos ciclos de revestimento por imersão. O tecido revestido com AgNWs com 1 ciclo de imersão e 5 ciclos de imersão foi mostrado na Fig. S1 e Fig. 2d, respectivamente. Comparado com o de alta densidade, os espaçamentos da malha de nanofios de 1 ciclo de mergulho foram aumentados de menos de 1 para 2–4 μm.

A composição do tecido revestido com AgNWs também foi investigada pela espectroscopia de energia dispersiva de raios-X (EDS), conforme ilustrado na inserção da Fig. S2. Além dos teores de C e O atribuídos principalmente ao algodão, também foi observado o elemento Ag, indicando a distribuição de AgNWs no algodão.

O princípio de detecção do sensor de pressão é mostrado na Fig. 3a, e as imagens SEM de seção transversal do sensor com diferentes pressões são mostradas na Fig. 3b-e. No estado de descarregamento, a resistência inicial é grande, o que é causado pelos AgNWs sem contato nos tecidos (Fig. 3b). Uma vez que a pressão foi aplicada, os contatos crescentes em escala de fibra de nanofios nos tecidos adjacentes contribuíram para uma diminuição na resistência (Fig. 3c). Além disso, quando os nanofios nos tecidos foram contatados completamente, a pressão contínua carregada nas fibras aumentou os contatos na escala do fio. Conforme mostrado na Fig. 3d, o comprimento dos fios em Y direção são reduzidas de cerca de 200 para 160 μm, confirmando a compressão entre os fios. De acordo com as imagens SEM de seção transversal, os AgNWs foram formados tanto na superfície do fio quanto no interior dos fios adjacentes (Fig. S3). Quando a pressão era aplicada e os fios comprimidos, os AgNWs dentro dos fios podiam entrar em contato e reduzir ainda mais a resistência do sensor. Com o aumento da pressão de carga, os tecidos vizinhos foram comprimidos (Fig. 3e); os contatos em escala de tecido reduziram ainda mais a resistência do sensor devido ao aumento da área de contato entre os tecidos de revestimento. Nesse ponto, a espessura total dos tecidos de camada dupla foi reduzida de 600 para 350 μm. Portanto, a detecção de pressão dos sensores foi determinada pelo efeito sinérgico do contato multi-escala fibra / fio / tecido. Essas imagens SEM de seção transversal confirmaram ainda mais o mecanismo de detecção de pressão.

O princípio de detecção do sensor de pressão. a Ilustração esquemática da detecção de pressão. b - e As imagens SEM de seção transversal do tecido revestido com AgNWs sob pressão diferente

A influência da flexão na morfologia da superfície dos tecidos revestidos com AgNWs foi investigada por imagens SEM de seção transversal mostradas na Fig. S4. Com a pequena deformação de flexão, não há rachadura óbvia e problema de descascamento da rede AgNWs nos tecidos (Fig. S4b) em comparação com o estado inicial (Fig. S4a). A fim de investigar mais a influência da deformação de flexão, as imagens SEM de tecidos revestidos com AgNWs com ciclos de flexão de 500 vezes foram tiradas e mostradas na Fig. S5. A Fig S5 mostra muitos pontos delaminados que podem ocorrer degradação do dispositivo. Este resultado indica que a estabilidade do tecido revestido com AgNWs precisa ser melhorada no futuro.

A Fig. 4a mostra as curvas de corrente-tensão do sensor de pressão sob diferentes pressões. Quando a pressão aplicada aumentou de 0 para 100 kPa, a resistência do sensor diminuiu. Além disso, a resposta do sensor foi estável e caiu em linha com a lei de Ohm [32]. A corrente do sensor de pressão é mostrada na Fig. 4b, que é relativamente constante sob diferentes pressões aplicadas, revelando que a resposta do sensor é estável para diferentes pressões. Portanto, os resultados obtidos fornecem excelente estabilidade elétrica para o potencial de aplicação do sensor de pressão.

Desempenhos dos sensores de pressão. a Curvas I-V do sensor de pressão com diferentes pressões aplicadas. b A resposta atual do sensor sob diferentes pressões. c , d A comparação do desempenho dos sensores de pressão com diferentes ciclos de revestimento por imersão e diâmetros de orifícios de malha

Para investigar o desempenho dos sensores de pressão, a corrente relativa muda (Δ I / eu ₀ ) versus pressão com os diferentes ciclos de revestimento por imersão AgNWs e diâmetros de orifícios de malha foram mostrados na Fig. 4c, d. Aqui, a sensibilidade do sensor de pressão foi definida como S =(Δ I / eu ₀ ) / P , onde P denota a pressão aplicada. Com um diâmetro de orifício de malha de 0,25 mm, a sensibilidade do sensor de pressão era fortemente dependente dos ciclos de revestimento por imersão AgNWs. A sensibilidade dos sensores foi melhorada de 2,12 × 10 ³ kPa ⁻¹ para 1,98 × 10 ⁵ kPa ⁻¹ dentro da faixa de 0–10 kPa quando os ciclos de revestimento por imersão aumentaram de 1 para 5. Além disso, a sensibilidade melhorou de 764 para 1,12 × 10 ³ kPa ^–1 a 10–100 kPa. A melhoria da sensibilidade com altos ciclos de revestimento por imersão é atribuída principalmente ao aumento das densidades AgNWs.

Além disso, a dependência do diâmetro do orifício foi posteriormente caracterizada. Os sensores de pressão com 5 ciclos de revestimento por imersão exibiram sensibilidades de aumento com diâmetros crescentes, que foram aumentados de 1,12 × 10 ³ , 9,88 × 10 ³ , para 2,16 × 10 ⁴ kPa ^–1 dentro da faixa de pressão de 10–100 kPa, respectivamente. O aumento na sensibilidade foi atribuído principalmente ao aumento da área de contato através dos orifícios maiores. Porém, uma vez que o diâmetro ultrapassou 1 mm com 4 ciclos, a interface inicial dos tecidos de revestimento resultou em mais contato no estado de descarregamento, diminuindo significativamente a resistência de contato entre os tecidos (Fig. S6). Além disso, quando a espessura do algodão espaçador é alterada, o desempenho dos sensores piora (Fig. S7). O sensor com espessura menor mostra uma diminuição de ∆ I / eu ₀ devido ao contato dos tecidos de revestimento no estado inicial (Fig. S7a). Além disso, espessuras maiores reduzem o contato dos tecidos. Quando a espessura do algodão espaçador aumentou para 1 mm, os AgNWs nos tecidos não entraram em contato até que a pressão ultrapassasse 10 kPa (Fig. S7c).

Notavelmente, o sensor de pressão exibiu claramente dois segmentos de corrente linear; a sensibilidade aumenta acentuadamente na faixa de baixa pressão e aumenta gradualmente na faixa de alta pressão. De acordo com o princípio de detecção como mencionamos acima, na faixa de baixa pressão, o contato AgNWs adjacente desempenha um papel importante no aumento da corrente. Além disso, quando a pressão é aumentada para 10-15 kPa, os AgNWs na interface entraram em contato completo. As mudanças atuais foram determinadas principalmente pela resistência de contato entre os fios e os tecidos, que era relativamente estável. O contato entre as escamas do fio e do tecido desempenhou um papel mais significativo no mecanismo de detecção em ciclos de revestimento por imersão de 5 vezes e diâmetro de 0,75 mm, aumentando a sensibilidade e a faixa linear. Portanto, o diâmetro de 0,75 mm (Fig. 4d) exibiu uma maior sensibilidade e maior faixa linear devido ao aumento do contato [33, 34].

A resposta dinâmica do dispositivo foi estudada em ciclos de pressão de carga / descarga. O sensor exibiu uma resposta imediata às pressões cíclicas. A resposta resolvida no tempo foi analisada para quantificar os tempos de resposta e relaxamento (Fig. 5a). A resposta medida e os tempos de relaxamento foram de 32 e 24 ms, respectivamente. O desempenho do sensor sob pressão diferencial também é investigado e mostrado na Fig. S8. O sensor distinguiu claramente uma pressão sutil de 50 Pa, indicando o excelente desempenho do sensor. O Δ I / eu ₀ com uma pressão aplicada de 10 kPa com 1000 ciclos de carregamento foi usado para verificar a repetibilidade do dispositivo (Fig. 5b). Os resultados mostram a excelente estabilidade dos sensores de pressão. Além disso, a permeabilidade ao ar do algodão normal e do algodão revestido com AgNW foi investigada. Apesar da permeabilidade ao ar ter sido reduzida de 787,3 para 252,6 mm / s, este valor ainda é muito maior do que os relatados recentemente [35, 36]. Este resultado demonstrou que os sensores de pressão vestíveis baseados em tecidos revestidos com nanofio de prata permanecem com boa permeabilidade ao ar devido à sua alta porosidade.

a Tempos de resposta / liberação do dispositivo. b O teste de ciclagem do dispositivo sob uma pressão de 10 kPa. c Sinal de pulso do usuário humano. d O sinal atual responde à respiração sob respiração normal

Devido à flexibilidade natural dos tecidos e à alta sensibilidade dos sensores, o sensor de pressão era usável e capaz de detectar sinais mecânicos, como pulso fisiológico e frequência respiratória. Primeiramente, o dispositivo foi preso no pulso por meio de uma bandagem adesiva para monitorar a pressão de pulso. A Fig. 5c apresenta os dados registrados em tempo real, nos quais as taxas de pulso foram medidas em ≈ 72 batimentos min ^–1 . Além disso, o sensor também foi conectado a uma máscara para detectar estados de respiração. A Fig. 5d indica que a frequência respiratória normal de 10 respirações por minuto de um adulto e uma onda quadrada para a respiração normal. Além disso, a largura da faixa de onda indicava o tempo de respiração mantido. Esses resultados sugerem que o sensor de pressão com alta sensibilidade e superioridade tem grande potencial em aplicações de dispositivos vestíveis de saúde.

Conclusão

Neste trabalho, os AgNWs foram fabricados pelo método hidrotérmico, e a morfologia foi caracterizada e analisada. Um sensor de pressão totalmente baseado em têxteis foi fabricado inserindo um espaçador de malha de algodão entre os algodões revestidos com AgNW de camada dupla. Devido ao efeito coletivo dos contatos multi-escala de fibra / fio / tecido, o sensor tem sensibilidade extremamente alta (3,24 × 10 ⁵ kPa ⁻¹ a 0–10 kPa e 2,16 × 10 ⁴ kPa ⁻¹ a 10–100 kPa, respectivamente), tempo de resposta / recuperação rápida (32/24 ms), alta estabilidade (1000 ciclos) e ampla faixa de pressão (0–100 kPa). O monitoramento de sinais fisiológicos, como pressão de pulso, foi demonstrado com sucesso. Com um método fácil e eficiente de fabricação, esse sensor de pressão ultrassensível promoverá uma ampla aplicação no desenvolvimento da próxima geração de roupas inteligentes, monitoramento de atividades e dispositivos de saúde.

Disponibilidade de dados e materiais

Os autores declaram que os materiais e dados estão disponíveis aos leitores, e todas as conclusões tiradas neste manuscrito são baseadas nos dados que são apresentados e mostrados neste artigo.

Abreviações

CNTs:: Nanotubos de carbono
AgNW:: Ag nanofio
PVP:: polivinil pirrolidona
EG:: Etilenoglicol
NaCl:: Cloreto de Sódio
DI:: Água desionizada
SEM:: Microscópio eletrônico de varredura
EDS:: Espectroscopia de energia dispersiva de raios-X

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