Sensor de presión flexible capacitivo basado en papel de alto rendimiento y su aplicación en mediciones relacionadas con humanos

Introducción

Gracias a su flexibilidad y facilidad de integración en superficies curvas como el cuerpo humano, los sensores de presión flexibles (FPS) han recibido una gran atención y muestran un gran potencial para aplicaciones en dispositivos portátiles [1, 2], máscaras electrónicas [3, 4], sistemas biomédicos [5] y detección de movimiento humano [6,7,8,9]; Se han propuesto muchas estructuras y mecanismos como el transistor de efecto de campo [10, 11], el condensador [2, 12], el efecto piezoeléctrico [13,14,15,16] y el efecto piezorresistencia [17,18,19] para realizar FPS; entre ellos, el FPS capacitivo se vuelve cada vez más atractivo debido a su estructura simple [20], gran rango dinámico [21] y buena estabilidad [22]. En términos de materiales utilizados en FPS, el polidimetilsiloxano (PDMS) es un material excelente debido a su buena flexibilidad, conformidad biomédica con el tejido humano y propiedad dieléctrica, por lo que se utiliza a menudo como material estructural en FPS, así como otros sensores flexibles. [23,24,25]; en FPS capacitivo, el PDMS se usaba a menudo como capa dieléctrica [20, 26] y sustrato de electrodo [2, 21]. En lo que respecta a la capa conductora de electricidad en FPS, los nanocables de plata (AgNW), que tienen un gran potencial y se han utilizado ampliamente en la electrónica flexible, como las células solares [27,28,29,30,31,32] y los calentadores de película [33 , 34] debido a sus excelentes propiedades eléctricas, ópticas y mecánicas, a menudo se usaban junto con PDMS; por ejemplo, Chen et al. [35] preparó películas compuestas de nanocables de plata (AgNW) / (PDMS) incrustando parcialmente AgNW en la capa de PDMS para crear una superficie rugosa, y el dispositivo sensor fabricado fue capaz de lograr una sensibilidad tres veces superior a la del uso de electrodos de película metálica comunes. Yao y col. [2] logró en primer lugar líneas de AgNW paralelas en silicio a través de una máscara de sombra de PDMS pre-modelada; luego, vertieron un PDMS líquido sobre el sustrato de silicio AgNW; despegando el PDMS después de curado durante 12 h, se obtuvo un electrodo de PDMS incrustado en AgNW; finalmente, se fabricó un FPS capacitivo que detectó con éxito el movimiento del pulgar, la tensión de la articulación de la rodilla y otros movimientos humanos.

Para lograr una alta sensibilidad de FPS capacitivo, generalmente es necesario producir micropatrones en la capa dieléctrica y / o electrodos, y se requieren procedimientos complicados, como el micromecanizado [2, 35, 36] y el micromoldeado [7, 21, 26]. a menudo involucrado; por ejemplo, Bao et al. [26] creó patrones piramidales invertidos en silicio y luego transfirió los patrones a PDMS fundiéndolo en el molde de silicona; por lo tanto, los patrones piramidales se produjeron en PDMS. Li y col. [21] también utilizó la técnica de moldeo para crear una estructura inversa de la superficie de loto en el PDMS, resultante de depositar una fina capa de oro como electrodo, y se fabricó un FPS capacitivo utilizando microesferas de poliestireno (PS) como capa dieléctrica intercalada por dos electrodos de PDMS. . En este trabajo, se propuso un procedimiento mucho más simple utilizando un papel de impresión ordinario depositado con AgNW como sustrato del electrodo, y se construyó un FPS capacitivo de alto rendimiento utilizando PDMS como capa dieléctrica laminada con sustrato de papel AgNW en ambos lados; los resultados de la prueba demostraron que la sensibilidad y el rango dinámico del dispositivo eran 1.05 kPa ⁻¹ y 1 Pa a 2 kPa; Además, fue capaz de identificar la forma del objeto, el toque de los dedos y la vibración inducida por la voz, mostrando su buen potencial para la piel artificial y los dispositivos portátiles.

Métodos

Preparación de películas AgNW, películas AgNW, películas PDMS y FPS capacitivo

Los AgNW se sintetizaron mediante un método hidrotermal:en primer lugar, se preparó una solución de 0,3 mol por litro (M) de polivinilpirrolidona (PVP) (peso molecular 30000) / etilenglicol (EG) añadiendo 0,2 g de PVP en 6 ml de EG, y la mezcla se preparó agitado durante 20 min; de forma similar, solución 0,1 M de AgNO ₃ / EG y cloruro de sodio (NaCl) 0,01 M / EG también se prepararon. En segundo lugar, soluciones de AgNO ₃ / EG y NaCl / EG se añadieron a PVP / EG y se agitaron hasta que se obtuvo una solución uniforme, que luego se transfirió a un revestimiento de teflón y se puso en la caldera de reacción; la caldera se calentó a 140 ° C durante 2 hy luego a 160 ° C durante 30 min para el crecimiento de AgNW; después de que la caldera se enfrió naturalmente a temperatura ambiente, se obtuvieron AgNW en forma de polvo blanco lavando y filtrando por centrifugación los productos secuencialmente con acetona y agua desionizada tres veces. Por último, los AgNW obtenidos se dispersaron ultrasónicamente en 100 ml de etanol para la preparación de la película de AgNW.

Para las películas de AgNW se utilizaron técnicas de preparación que incluían pulverización con aerógrafo, recubrimiento por rotación y recubrimiento por inmersión, y los resultados experimentales revelan que la pulverización con aerógrafo tiene la ventaja de una alta eficiencia, buena uniformidad y adherencia; los detalles de la preparación de la película de AgNW fueron los siguientes:se utilizó un papel de impresión limpio con un tamaño de 20 mm x 20 mm como sustrato que se colocó en una placa calefactora a 100ºC; el diámetro del puerto de salida del aerógrafo era de 0,5 mm, la distancia entre el aerógrafo y el sustrato era de 150 mm; la presión preestablecida del aerógrafo era de 0,1 MPa; Se pueden obtener AgNW con diferentes espesores y resistencias eléctricas ajustando el tiempo de pulverización; después de la deposición, el sustrato se mantuvo en la placa calefactora durante 1 h para eliminar completamente la PVP alrededor de los AgNW. Los PDMS se prepararon a partir de precursores de Sylgard 184 (Dow Corning). En primer lugar, se mezclaron los agentes principales y de curado de los precursores con una relación de masa de 10:1; después de agitar durante 20 min, la mezcla se aspiró al vacío durante 10 min para eliminar las burbujas durante la agitación; luego, se revistió por centrifugación sobre un sustrato de vidrio cuidadosamente limpiado. Luego, el sustrato se recoció a 65 ° C durante 2 h para formar PDMS curado, y finalmente se puede obtener una película de PDMS independiente despegándola del sustrato de vidrio.

El FPS capacitivo de tipo sándwich (Fig. 1) se fabricó utilizando dos sustratos de papel AgNW como electrodos y PDMS como dieléctricos; las señales eléctricas se extraían mediante dos alambres de cobre, que se pegaban a los electrodos con pintura conductora de plata; finalmente, el sensor fue empaquetado con cinta transparente.

un Estructura de FPS capacitivo basado en papel AgNW y mecanismo simplificado. b Plataforma de prueba para FPS capacitivo

Caracterización y prueba

Las morfologías de la superficie de los AgNW y los papeles se caracterizaron mediante microscopio electrónico de barrido (SEM) (tipo Inspect F50, FEI, EE. UU.); Se realizaron pruebas de espectroscopía ultravioleta-visible (UV-Vis) (SHIMAZU 1700, Japón) para analizar la composición de los AgNW; para la prueba del sensor, se construyó una plataforma de estimulación de presión basada en un medidor de fuerza (HP-5, Yueqing Handpi Instruments Co., Ltd, China); se diseñó un circuito oscilante casero basado en el modelo de temporizador LM555 para convertir la variación de capacitancia en una frecuencia; La adquisición de datos se realizó en una computadora personal a través del multímetro Keithley2700 (Keithley, EE. UU.).

Resultados y discusiones

Como se muestra en la Fig. 2a, la foto SEM indica que los AgNW preparados tienen formas uniformemente largas y delgadas con diámetros de aproximadamente 100 nm, y no se encuentran impurezas en la película; La figura 2b implica que la película tiene una densidad relativamente alta que ayudará a conseguir electrodos altamente conductores del FPS capacitivo. Para investigar más a fondo la pureza de los AgNW, se probó el espectro UV-Vis como se muestra en la Fig. 3. Demuestra claramente que aparecen dos picos a 355 nm y 380 nm en las curvas de absorción, que se deben a resonancias de plasmón transversales y longitudinales de los AgNW; otros picos de caracteres o ruidos también aparecerían si impurezas como AgCl, AgNO ₃ , o existen nanopartículas de plata en la película; por lo tanto, el espectro UV-Vis demuestra además que los AgNW de alta calidad se sintetizaron con éxito.

un - d Fotos SEM de película y papel AgNW

Espectro UV-Vis de los AgNW

La figura 4 da los resultados de la prueba de respuesta de la muestra; Como se muestra en la Fig. 4a, la curva de respuesta se puede dividir aproximadamente en dos partes lineales en todo el rango de presión, es decir, una parte altamente sensible a baja presión y una parte poco sensible a alta presión con el punto de inflexión ubicado en 2 KPa. Este fenómeno es común para los FPS capacitivos especialmente basados ​​en PDMS [21, 22] que se puede interpretar de la siguiente manera:el PDMS tiene su límite elástico; como la presión aplicada es baja, el PDMS muestra una buena elasticidad, se puede producir una gran deformación y una gran variación de capacitancia (Δ C ) por tanto, cabe esperar; mientras que a medida que la presión aplicada se vuelve lo suficientemente grande, el PDMS se vuelve tan denso que ya no es lo suficientemente elástico, la presión aplicada ya no puede producir tensión obvia y, por lo tanto, solo se puede alcanzar una baja sensibilidad del sensor y, como consecuencia, solo se utiliza el rango de alta sensibilidad para la medición. A partir de los datos de la Fig. 4a, se puede calcular que la muestra de FPS capacitiva tiene una sensibilidad tan alta como 1.05 KPa ⁻¹ , este valor es mejor que los reportados en la mayoría de la literatura [12, 26, 37,38,39] y comparable a los resultados de AgNWs / FPS capacitivo basado en PDMS microestructurado en nuestro trabajo anterior [22], mientras que el procedimiento de fabricación es mucho más simple. El mecanismo detrás de este buen desempeño puede atribuirse a la naturaleza morfológica del trabajo; como se muestra en la Fig. 2c yd, las fotos SEM del papel revelan que existe un gran número de micro-surcos y huecos en el papel, ya que es difícil comprimir el aire en los micro-surcos y huecos; el aire entonces se moverá hacia abajo y creará numerosas hendiduras en los AgNW cuando se aplique presión exterior; estas sangrías finalmente se transferirán a la película PDMS debido a la alta flexibilidad de los AgNW y PDMS; y como resultado, las áreas equivalentes de los electrodos aumentan así como la distancia entre ellos disminuye, lo cual es útil para lograr una mayor variación de capacitancia. Se realizó una caracterización más específica del rendimiento del sensor en un rango de presión extremadamente baja como se presenta en la Fig. 4b. Se puede ver claramente que la muestra es capaz de responder a una presión tan baja como 1 Pa, lo que demuestra su alta sensibilidad; Además, puede recuperarse completamente a su valor inicial después de descargar de cada presión, lo que refleja su buena estabilidad y rápida velocidad de respuesta. La figura 4c muestra el resultado de una prueba de repetibilidad a corto plazo en la que el sensor se presionó (81 Pa) y se soltó continuamente durante 500 períodos. Las curvas de respuesta ampliadas al principio y al final muestran tendencias muy similares, lo que implica además la buena estabilidad y repetibilidad de la muestra. Además, la prueba de repetibilidad a largo plazo se realizó después de 1 mes; como se muestra en la Fig. 4a, la respuesta de la muestra en el rango de baja presión no cambia después de 1 mes; por otro lado, aunque la respuesta de alta presión experimentó una disminución obvia, como se mencionó anteriormente, esto no influiría en el rendimiento del sensor. La Figura 4d compara el desempeño de la muestra antes y después de 1 mes a algunos valores de presión específicos; revela además que no se puede encontrar degradación del dispositivo a baja presión; por otro lado, aunque la respuesta a alta presión disminuye, no muestra variación bajo presión constante, lo que indica que la muestra sigue teniendo una buena estabilidad.

Prueba de respuesta de FPS capacitivo basado en papel AgNW: a relaciones presión-capacitancia dentro de un amplio rango de presión, b respuesta a baja presión, c prueba repetitiva de corta duración y d rendimiento de envejecimiento después de un mes

Para investigar la viabilidad del FPS capacitivo basado en papel AgNW, se realizaron varias pruebas relacionadas con la vida real. La figura 5a da el resultado de la prueba de flexión; el ángulo de flexión theta, como se muestra en el recuadro, se define como el ángulo incluido formado por las dos líneas tangentes al sensor de flexión en ambos extremos. Revela que la muestra es muy sensible a la flexión y cuanto más se dobla la muestra, mayor es su capacitancia; además, la curva de capacitancia-theta tiene una relación casi lineal, lo que proporciona a la muestra un buen potencial para medir el estado de flexión de las articulaciones del cuerpo humano. La figura 5b muestra que el sensor puede detectar claramente el movimiento de doble clic; la presión durante el clic puede producir una variación de capacitancia de hasta 700 pF, una vez mayor que su valor inicial; además, como se muestra en la Fig. 5c, el sensor puede identificar cada sílaba que dice el experimentador y demuestra una alta sensibilidad y una excelente repetibilidad. Para explorar más a fondo el potencial del FPS capacitivo, se fabricó una matriz de 8 × 8 de FPS capacitivo de papel AgNW como se muestra en la Fig. 5d; las líneas de los electrodos se formaron pulverizando los AgNW a través de una máscara dura y el tamaño del píxel fue de 2 mm x 2 mm. La figura 5e demuestra que la matriz puede detectar fácilmente la punta de un lápiz, y dado que la punta era lo suficientemente pequeña, los píxeles vecinos no se vieron afectados en absoluto, mostrando su efecto de diafonía insignificante; además, como se muestra en la Fig. 5, después de colocar una bala hecha de plastilina en la matriz, fue capaz de reconocer la forma de la bala; específicamente, los resultados del mapeo implican que la mayor parte de la masa de la bala se ubica en las dos filas centrales, mientras que la segunda columna de píxeles a la izquierda tiene las señales más pequeñas debido a la pequeña masa en la cabeza de la bala.

Aplicaciones de FPS capacitivo basado en papel AgNW: a prueba de flexión, b prueba de toque con el dedo, c prueba de voz, d Matriz de 8 × 8 de FPS capacitivos basados ​​en papel AgNW, e detección de la punta de un lápiz, f detección de una forma de bala hecha a mano con plastilina

Conclusión

Utilizando un papel ordinario como sustrato, los AgNW se prepararon mediante la técnica de síntesis hidrotermal. Los resultados de caracterización de SEM y UV-Vis indicaron que los AgNW tienen un tamaño uniforme, una gran relación de longitud a diámetro y una alta pureza, que son deseables para una buena flexibilidad y conductividad eléctrica de los AgNW. La muestra de FPS capacitiva se preparó utilizando sustratos de papel AgNW como electrodos y PDMS como dieléctricos; Las pruebas de rendimiento demostraron que la muestra no solo tenía una alta sensibilidad y un amplio rango de medición dinámica, sino también una buena estabilidad y repetibilidad. Además, la muestra muestra su capacidad para detectar movimientos humanos como flexión de articulaciones, golpeteo de dedos y habla; Además, se fabricó una matriz de 8 × 8 de FPS capacitivo con un tamaño de píxel de 2 mm × 2 mm, y los resultados mostraron que la matriz tiene una alta sensibilidad, un efecto de diafonía insignificante y potencial para la identificación del perfil del objeto. Estas pruebas indican que nuestro FPS capacitivo de papel AgNW tiene un buen potencial para aplicaciones como piel artificial, monitoreo de movimiento, dispositivos portátiles e identificación de objetos.

Disponibilidad de datos y materiales

Los conjuntos de datos utilizados y / o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a solicitud razonable.

Abreviaturas

FPS:

Sensores de presión flexibles

AgNWs:

Nanocables de plata

M:

Mole por litro

PVP:

Polivinilpirrolidona

PD:

Poliestireno

EG:

Etilenglicol

NaCl:

Cloruro de sodio

SEM:

Microscopio electrónico de barrido

UV-Vis:

Ultravioleta visible

Δ C :

Variación de capacitancia

pF:

Picofarad

Influencia de las dislocaciones en el índice de refracción de AlN por campo de deformación a nanoescala LED empaquetados a escala de mini chip planar de alta uniformidad con convertidor de punto cuántico para fuente de luz blanca