Sensores de Pressão Vestíveis Ultra-Sensíveis Usando Tecidos Revestidos com Nanofios de Prata

Resumo

Sensores de pressão flexíveis têm atraído atenção crescente devido às suas potenciais aplicações em sistemas vestíveis de monitoramento e cuidado da saúde humana. Apresentamos aqui uma abordagem facilitada para fabricar sensor de pressão piezorresistivo totalmente baseado em têxtil com tecidos revestidos com nanofios de Ag integrados. Ele aproveita totalmente o efeito sinérgico dos contatos multi-níveis fibra/fio/tecido, levando à ultra-alta sensibilidade de 3,24 × 10⁵ kPa⁻¹ a 0-10 kPa e 2,16 × 10⁴ kPa⁻¹ a 10-100 kPa, respectivamente. Além disso, o dispositivo alcançou tempo rápido de resposta/relaxamento (32/24 ms) e alta estabilidade (> 1000 ciclos de carga/descarga). Assim, tal sensor de pressão totalmente têxtil com alto desempenho é esperado ser aplicável nos campos de roupas inteligentes, monitoramento de atividade e dispositivos de saúde.

Introdução

Com o recente desenvolvimento da eletrônica vestível, há uma demanda crescente por sensores de pressão flexíveis em uma multiplicidade de aplicações incluindo dispositivos e-skin, sistemas de monitoramento de saúde e robôs inteligentes. Para ser viavelmente empregado nestas aplicações, sensores de pressão devem exibir excelente desempenho de sensibilidade, fornecendo assim informações exaustivas para diagnóstico ou análise precisa.

Até o momento, numerosos métodos foram desenvolvidos para melhorar o desempenho do sensor otimizando os nanomateriais, incluindo nanotubos de carbono (CNTs), nano-folhas de grafeno, nanofios metálicos, polímeros condutores e seus materiais compósitos. Particularmente, nanofio de Ag (AgNW) tem sido amplamente explorado como material sensor ou preenchimento condutivo em sensores de pressão devido às suas excelentes propriedades elétricas. Por exemplo, Wang et al. fabricaram um sensor de pressão flexível baseado em filme PU preenchido com AgNW, rendendo sensibilidade de 5,54 kPa⁻¹ na faixa de pressão abaixo de 30 Pa. Ho et al. relataram um sensor de pressão transparente com realce de trincas consistindo de dois filmes PDMS laminados com canais microfluídicos incorporados com AgNW. No entanto, a maioria desses sensores foi fabricada usando substratos elásticos à prova de ar, que são não respiráveis e desconfortáveis de usar, limitando assim suas aplicações práticas.

Mais recentemente, sensores de pressão baseados em têxtil têm atraído atenção crescente devido à sua maciez, respirabilidade e biocompatibilidade, o que os torna duráveis e vestíveis por longo prazo. AgNWs têm sido amplamente usados em sensores de pressão baseados em têxtil como camada sensível. Para sensores baseados em têxtil, uma estrutura típica consiste em circuitos flexíveis cobertos com 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 contactam, e uma corrente significativa é gerada. Por exemplo, Wei et al. demonstraram um sensor de pressão vestível com estrutura de duas folhas de algodão condutoras revestidas com AgNWs. Zhou et al. projetaram um sensor de pressão com eletrodo têxtil impresso e tecido de algodão revestido com AgNW. 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. desenvolveram um sensor piezorresistivo ultrassensível com alta flexibilidade, composto por nanofibras POE e AgNWs por um método de filtração facilitado. As nanofibras são replicadas em têxteis de nylon padronizados com diferentes espaçamentos de fibra. Apesar deste progresso, um sensor de pressão totalmente baseado em têxtil com ultra-alta sensibilidade e design de estrutura é raramente relatado até agora.

Aqui, propusemos uma nova estratégia para fabricar sensores de pressão totalmente baseados em têxtil. A solução de AgNWs foi sintetizada, e então o tecido condutor pode ser fabricado usando um método de imersão e secagem, que foi feito mergulhando pedaços de algodão na dispersão de AgNW. O elemento sensor ativo continha algodão revestido com AgNW de dupla camada com um espaçador de malha de algodão para garantir o contato inicial entre eles. A detecção de pressão baseia-se em mudanças na corrente elétrica devido ao contato entre as camadas frontais sob pressão externa. Este sensor de pressão piezorresistivo totalmente baseado em têxtil aproveita totalmente o efeito sinérgico dos contatos multi-escala fibra/fio/tecido, levando à ultra-alta sensibilidade de 3,24 × 10⁵ kPa⁻¹ a 0-10 kPa e 2,16 × 10⁴ kPa⁻¹ a 10-100 kPa, respectivamente. Enquanto isso, o sensor de pressão alcançou tempo rápido de resposta/relaxamento (32/24 ms) e alta estabilidade (> 1000 ciclos de carga/descarga). Tais dispositivos têm amplas aplicações em roupas inteligentes, monitoramento de atividade e dispositivos de saúde.

Seção Experimental

Materiais e Métodos

A solução de AgNWs foi sintetizada pelo método hidrotérmico. Primeiro, a solução de PVP foi adicionada ao EG; então, a mistura foi agitada por 20 min para fabricar a solução de PVP/EG. Subsequentemente, as soluções de AgNO₃/EG e NaCl/EG foram preparadas com método similar. Segundo, as soluções de AgNO₃/EG e NaCl/EG foram adicionadas ao PVP/EG, e a mistura foi agitada e transferida para um reator. Terceiro, o reator foi aquecido a 140 °C por 2 h e então a 160 °C por 30 min. Subsequentemente, o reator foi resfriado naturalmente até temperatura ambiente. Os precipitados obtidos foram lavados e filtrados por centrifugação com acetona e água desionizada várias vezes para formar um pó branco. Por fim, os AgNWs obtidos foram dispersos ultrassonicamente em etanol.

Fabricação do Sensor de Pressão

O sensor de pressão totalmente baseado em têxtil foi fabricado usando o processo de "imersão e secagem" (Fig. 1). Primeiro, os tecidos de algodão foram limpos com água DI e etanol anidro cada por 15 min. Segundo, os tecidos foram imersos na solução obtida de AgNWs por 20 min e seguidos por secagem a 90 °C por 10 min (Fig. 1a). Então, 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 processo de gravação a laser (Fig. 1b). Finalmente, o tecido sensor de dupla camada com um espaçador de malha de algodão inserido foi montado por processo de empacotamento face a face (Fig. 1c).

Caracterização

As imagens de microscopia eletrônica de varredura (MEV) das superfícies dos tecidos revestidos com AgNW foram obtidas via GeminiSEM 500 (ZEISS, Nova York, América) a 5 kV. A resposta de corrente dos sensores de pressão foi registrada usando um medidor de fonte digital (Keithley 4200, América) e medida usando um medidor de força digital (SJS-500V, China).

Resultados e Discussão

A Figura 2 mostra imagens de MEV da morfologia do tecido revestido com AgNWs com diferentes ampliações. Como mostrado na Fig. 2a, os fios do algodão foram naturalmente em camadas com estrutura porosa. A superfície mais externa do tecido é coberta por AgNWs (Fig. 2b), nos quais nanofios são uniformemente enrolados nas fibras. Particularmente, entre os fios vizinhos, há espaçamentos vazios que são conectados pelas redes condutoras de AgNW anexadas (Fig. 2c). Para ser notado, fios longos e uniformes foram observados entre fios adjacentes, e o diâmetro médio de AgNW é cerca de 55 nm. Na Fig. 2d, os AgNWs são homogeneamente formados na área principal da superfície do fio, enquanto desconectados em alguns pontos devido à adesão fraca. Além disso, a distância entre nanofios aderidos no fio individual é relativamente maior que a dos nanofios entre fios vizinhos.

Também, a densidade dos AgNWs na superfície dos tecidos foi ajustada pelo número de ciclos de 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 imersão aumentaram de abaixo de 1 para 2-4 μm.

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

O princípio de detecção do sensor de pressão é mostrado na Fig. 3a, e as imagens de MEV de seção transversal do sensor com diferentes pressões são mostradas na Fig. 3b-e. No estado de descarga, a resistência inicial é grande, causada pelos AgNWs não contactados nos tecidos (Fig. 3b). Uma vez que a pressão foi aplicada, os contatos em escala de fibra crescentes dos nanofios nos tecidos adjacentes contribuíram para uma diminuição na resistência (Fig. 3c). Além disso, quando os nanofios nos tecidos foram contactados completamente, a pressão contínua carregada nas fibras então aumentou os contatos em escala de fio. Como mostrado na Fig. 3d, o comprimento dos fios na direção Y são reduzidos de cerca de 200 para 160 μm, confirmando a compressão entre os fios. De acordo com as imagens de MEV de seção transversal, os AgNWs foram formados tanto na superfície do fio quanto dentro dos fios adjacentes (Fig. S3). Quando a pressão foi aplicada e os fios foram comprimidos, os AgNWs dentro dos fios poderiam contactar e reduzir ainda mais a resistência do sensor. Com o aumento da pressão de carga, os tecidos vizinhos foram comprimidos (Fig. 3e); contatos em escala de tecido further reduziram a resistência do sensor devido à área de contato aumentada entre os tecidos frontais. Neste ponto, a espessura total dos tecidos de dupla camada 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. Estas imagens de MEV de seção transversal further confirmaram o mecanismo de detecção de pressão.

A influência da flexão na morfologia de superfície dos tecidos revestidos com AgNWs foi investigada por imagens de MEV de seção transversal mostradas na Fig. S4. Com pequena deformação de flexão, não há problema óbvio de trinca e descamação da rede de AgNWs nos tecidos (Fig. S4b) comparado com estado inicial (Fig. S4a). Para further investigar a influência da deformação de flexão, as imagens de MEV dos tecidos revestidos com AgNWs com 500 ciclos de flexão foram obtidas e mostradas na Fig. S5. A Fig. S5 mostra muitos pontos deslaminados que potencialmente ocorrem degradação do dispositivo. Este resultado indica que a estabilidade dos tecidos revestidos com AgNWs precisa ser further melhorada no futuro.

A Fig. 4a mostra as curvas corrente-tensão do sensor de pressão sob diferentes pressões. Quando a pressão aplicada aumentou de 0 a 100 kPa, a resistência do sensor diminuiu. Além disso, a resposta do sensor foi estável e enquadrou-se sob a lei de Ohm. 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 fornecem excelente estabilidade elétrica para a potencial aplicação do sensor de pressão.

Para investigar o desempenho dos sensores de pressão, as mudanças relativas de corrente (ΔI/I₀) versus pressão com diferentes ciclos de imersão de AgNWs e diâmetros de orifícios de malha foram mostradas na Fig. 4c, d. Aqui, a sensibilidade do sensor de pressão foi definida como S = (ΔI/I₀)/P, onde P denota a pressão aplicada. Em diâmetro de orifício de malha de 0,25 mm, a sensibilidade do sensor de pressão foi fortemente dependente dos ciclos de imersão de AgNWs. A sensibilidade dos sensores melhorou de 2,12 × 10³ kPa⁻¹ para 1,98 × 10⁵ kPa⁻¹ na faixa de 0-10 kPa quando os ciclos de imersão aumentaram de 1 para 5. Além disso, a sensibilidade melhorou de 764 para 1,12 × 10³ kPa⁻¹ a 10-100 kPa. A melhoria da sensibilidade com altos ciclos de imersão é principalmente atribuída ao aumento das densidades de AgNWs.

Além disso, a dependência do diâmetro do orifício foi subsequentemente caracterizada. Os sensores de pressão com 5 ciclos de imersão exibiram sensibilidades crescentes com o aumento dos diâmetros, que aumentaram de 1,12 × 10³, 9,88 × 10³, para 2,16 × 10⁴ kPa⁻¹ dentro da faixa de pressão de 10-100 kPa, respectivamente. O realce na sensibilidade foi principalmente atribuído à área de contato aumentada através dos orifícios maiores. No entanto, uma vez que o diâmetro excedeu 1 mm com 4 ciclos, a interface inicial dos tecidos frontais resultou em mais contato no estado de descarga, assim, diminuindo significativamente a resistência de contato entre os tecidos (Fig. S6). Além disso, quando a espessura do algodão espaçador é alterada, os desempenhos dos sensores pioram (Fig. S7). O sensor com menor espessura mostra diminuição de ΔI/I₀ devido ao contato dos tecidos frontais no estado inicial (Fig. S7a). Além disso, maior espessura reduz o contato dos tecidos. Quando a espessura do algodão espaçador aumentou para 1 mm, os AgNWs nos tecidos não contactaram até que a pressão exceda 10 kPa (Fig. S7c).

Notavelmente, o sensor de pressão exibiu claramente dois segmentos lineares de corrente; a sensibilidade aumenta acentuadamente na faixa de baixa pressão e aumenta gradualmente na faixa de alta pressão. De acordo com o princípio de detecção mencionado acima, na faixa de baixa pressão, o contato de AgNWs adjacentes desempenha papel importante no aumento da corrente. Além disso, quando a pressão é aumentada para 10-15 kPa, os AgNWs na interface foram contactados completamente. As mudanças de corrente foram principalmente determinadas pela resistência de contato entre os fios e tecidos, que foi relativamente estável. O contato entre as escalas de fio e tecido desempenhou papel mais significativo no mecanismo de detecção em ciclos de imersão de 5 vezes e diâmetro de 0,75 mm ao realçar a sensibilidade e faixa linear. Portanto, o diâmetro de 0,75 mm (Fig. 4d) exibiu maior sensibilidade e maior faixa linear devido ao contato aumentado.

A resposta dinâmica do dispositivo foi estudada sob ciclos de pressão de carga/descarga. O sensor exibiu resposta imediata às pressões cíclicas. A resposta resolvida no tempo foi analisada para quantificar os tempos de resposta e relaxamento (Fig. 5a). Os tempos de resposta e relaxamento medidos foram 32 e 24 ms, respectivamente. O desempenho do sensor sob diferentes pressões 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 ΔI/I₀ com pressão aplicada de 10 kPa com 1000 ciclos de carga 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 de ambos algodão normal e 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 que os relatados recentemente. Este resultado demonstrou que os sensores de pressão vestíveis baseados em tecidos revestidos com nanofios de prata mantêm boa permeabilidade ao ar devido à sua alta porosidade.

Devido à flexibilidade natural dos tecidos e alta sensibilidade dos sensores, o sensor de pressão foi vestível e capaz de detectar sinais mecânicos como pulso fisiológico e taxa respiratória. Primeiro, o dispositivo foi fixado no pulso usando bandagem adesiva para monitorar a pressão do pulso. A Fig. 5c apresenta os dados registrados em tempo real, nos quais as taxas de pulso foram medidas em ≈ 72 batidas/min. Além disso, o sensor também foi fixado em uma máscara para detectar estados de respiração. A Fig. 5d indica que a taxa respiratória normal de 10 respirações por minuto de um adulto e uma onda quadrada para respiração normal. Além disso, a largura da faixa de onda indicou o tempo mantido de respiração. Estes resultados sugerem que o sensor de pressão com alta sensibilidade e superioridade tem grande potencial em aplicações de dispositivos de saúde vestíveis.

Conclusão

Neste trabalho, os AgNWs foram fabricados pelo método hidrotérmico, e a morfologia foi caracterizada e analisada. Um sensor de pressão totalmente baseado em têxtil foi fabricado inserindo um espaçador de malha de algodão entre algodões revestidos com AgNW de dupla camada. Devido ao efeito coletivo dos contatos multi-escala fibra/fio/tecido, o sensor tem sensibilidade extremamente alta (3,24 × 10⁵ kPa⁻¹ a 0-10 kPa e 2,16 × 10⁴ kPa⁻¹ a 10-100 kPa, respectivamente), tempo rápido de resposta/recuperação (32/24 ms), alta estabilidade (1000 ciclos) e ampla faixa de pressão (0-100 kPa). O monitoramento de sinais fisiológicos como pressão do pulso foi demonstrado com sucesso. Com um método facilitado e eficiente para fabricação, tal sensor de pressão ultrassensível promoverá ampla aplicação no desenvolvimento de próxima geração de roupas inteligentes, monitoramento de atividade e dispositivos de saúde.