Sensores de presión portátiles ultrasensibles basados ​​en telas recubiertas de nanocables plateados

Resultados y discusión

La Figura 2 muestra imágenes SEM de la morfología del tejido recubierto de AgNW con diferentes aumentos. Como se muestra en la Fig. 2a, los hilos del algodón se estratificaron de forma natural con una estructura porosa. La superficie más externa de la tela está cubierta por AgNWs (Fig. 2b), en los que los nanocables se envuelven uniformemente sobre las fibras. Particularmente, entre los hilos vecinos, hay espacios vacíos que están puenteados por las redes conductoras AgNW adjuntas (Fig. 2c). Cabe señalar que se observaron alambres largos y uniformes entre hilos adyacentes, y el diámetro promedio de AgNW es de alrededor de 55 nm. En la Fig. 2d, los AgNW se forman de manera homogénea en el área principal de la superficie del hilo, mientras que se desconectan en algún punto debido a la mala adhesión. Además, la distancia entre los nanocables adheridos al hilo individual es relativamente mayor que la de los nanocables entre los hilos vecinos.

La morfología de los tejidos recubiertos de AgNW. un - d Las imágenes SEM de la morfología de la superficie de la tela recubierta de AgNW con diferentes posiciones de AgNW y diferentes aumentos, en las que c es la imagen SEM de los AgNW entre los hilos y d los AgNW recubiertos en la fibra única

Además, la densidad de los AgNW en la superficie de las telas se ajustó por los tiempos de los ciclos de recubrimiento por inmersión. La tela revestida con AgNWs con 1 ciclo de inmersión y 5 ciclos de inmersión se mostró en la Fig. S1 y la Fig. 2d, respectivamente. En comparación con el de alta densidad, los espacios de malla de nanocables de 1 ciclo de inmersión aumentaron de menos de 1 a 2 a 4 μm.

La composición de la tela revestida con AgNW también se investigó mediante espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDS), como se ilustra en el recuadro de la Fig. S2. Además de los contenidos de C y O que se atribuyen principalmente al algodón, también se observó el elemento Ag, lo que indica la distribución de AgNW en el algodón.

El principio de detección del sensor de presión se muestra en la Fig. 3a, y las imágenes SEM de la sección transversal del sensor con diferentes presiones se muestran en la Fig. 3b-e. En el estado de descarga, la resistencia inicial es grande, que es causada por los AgNW sin contacto en los tejidos (Fig. 3b). Una vez que se aplicó la presión, los contactos crecientes de escala de fibra de los nanocables en las telas adyacentes contribuyeron a una disminución de la resistencia (Fig. 3c). Además, cuando los nanocables de las telas entraron en contacto por completo, la presión continua cargada sobre las fibras aumentó los contactos a escala del hilo. Como se muestra en la Fig. 3d, la longitud de los hilos en Y dirección se reducen de aproximadamente 200 a 160 μm, lo que confirma la compresión entre los hilos. Según las imágenes SEM de la sección transversal, los AgNW se formaron tanto en la superficie del hilo como en el interior de los hilos adyacentes (Fig. S3). Cuando se aplicó presión y se comprimieron los hilos, los AgNW del interior de los hilos pudieron entrar en contacto y reducir aún más la resistencia del sensor. Con el aumento de la presión de carga, las telas vecinas se comprimieron (Fig. 3e); Los contactos a escala de tejido redujeron aún más la resistencia del sensor debido al aumento del área de contacto entre los tejidos de revestimiento. En este punto, el espesor total de los tejidos de doble capa se redujo de 600 a 350 µm. Por lo tanto, la detección de presión de los sensores se determinó mediante el efecto sinérgico del contacto de múltiples escalas fibra / hilo / tejido. Estas imágenes SEM de sección transversal confirmaron aún más el mecanismo de detección de presión.

El principio de detección del sensor de presión. un Ilustración esquemática de detección de presión. b - e Las imágenes SEM de sección transversal de la tela recubierta de AgNWs bajo diferente presión

La influencia de la flexión en la morfología de la superficie de las telas recubiertas de AgNWs se investigó mediante imágenes SEM de sección transversal que se muestran en la Fig. S4. Con la pequeña deformación por flexión, no hay grietas obvias ni problemas de desprendimiento de la red de AgNW en las telas (Fig. S4b) en comparación con el estado inicial (Fig. S4a). Para investigar más a fondo la influencia de la deformación por flexión, se tomaron las imágenes SEM de telas revestidas con AgNWs con ciclos de flexión de 500 veces y se muestran en la Fig. S5. La Fig. S5 muestra muchos puntos deslaminados que pueden producir la degradación del dispositivo. Este resultado indica que la estabilidad del tejido recubierto de AgNW debe mejorarse aún más en el futuro.

La figura 4a muestra las curvas corriente-voltaje del sensor de presión a diferentes presiones. Cuando la presión aplicada aumentó de 0 a 100 kPa, la resistencia del sensor disminuyó. Además, la respuesta del sensor fue constante y se ajustó a la ley de Ohm [32]. La corriente del sensor de presión se muestra en la Fig. 4b, que es relativamente constante bajo diferentes presiones aplicadas, revelando que la respuesta del sensor es estable para diferentes presiones. Por lo tanto, los resultados proporcionan una excelente estabilidad eléctrica para la posible aplicación del sensor de presión.

Actuaciones de los sensores de presión. un Curvas I-V del sensor de presión con diferentes presiones aplicadas. b La respuesta actual del sensor a diferentes presiones. c , d La comparación de rendimiento de los sensores de presión con diferentes ciclos de recubrimiento por inmersión y diámetros de orificios de malla

Para investigar el rendimiento de los sensores de presión, la corriente relativa cambia (Δ I / Yo ₀ ) frente a la presión con los diferentes ciclos de recubrimiento por inmersión de AgNW y los diámetros de los orificios de la malla se muestran en la Fig. 4c, d. Aquí, la sensibilidad del sensor de presión se definió como S =(Δ I / Yo ₀ ) / P , donde P denota la presión aplicada. Con un diámetro de orificio de malla de 0,25 mm, la sensibilidad del sensor de presión dependía en gran medida de los ciclos de recubrimiento por inmersión de AgNW. La sensibilidad de los sensores se mejoró de 2,12 × 10 ³ kPa ⁻¹ hasta 1,98 × 10 ⁵ kPa ⁻¹ dentro del rango de 0-10 kPa cuando los ciclos de recubrimiento por inmersión aumentaron de 1 a 5. Además, la sensibilidad mejoró de 764 a 1,12 × 10 ³ kPa ^–1 a 10-100 kPa. La mejora de la sensibilidad con ciclos altos de recubrimiento por inmersión se atribuye principalmente al aumento de las densidades de AgNWs.

Además, posteriormente se caracterizó la dependencia del diámetro del agujero. Los sensores de presión con 5 ciclos de recubrimiento por inmersión exhibieron sensibilidades mejoradas con diámetros crecientes, que se incrementaron de 1,12 × 10 ³ , 9,88 × 10 ³ , hasta 2,16 × 10 ⁴ kPa ^–1 dentro del rango de presión de 10 a 100 kPa, respectivamente. La mejora en la sensibilidad se atribuyó principalmente al aumento del área de contacto a través de los orificios más grandes. Sin embargo, una vez que el diámetro excedió 1 mm con 4 ciclos, la interfaz inicial de las telas de revestimiento resultó en más contacto en el estado de descarga, por lo tanto, disminuyó significativamente la resistencia de contacto entre las telas (Fig. S6). Además, cuando se cambia el grosor del algodón espaciador, el rendimiento de los sensores empeora (Fig. S7). El sensor con menor espesor muestra una disminución de ∆ I / Yo ₀ debido al contacto de las telas de revestimiento en el estado inicial (Fig. S7a). Además, un mayor espesor reduce el contacto de los tejidos. Cuando el grosor del algodón espaciador aumentó a 1 mm, los AgNW de las telas no entraron en contacto hasta que la presión superó los 10 kPa (Fig. S7c).

En particular, el sensor de presión exhibió claramente dos segmentos de corriente lineales; la sensibilidad aumenta bruscamente en el rango de baja presión y aumenta gradualmente en el rango de alta presión. De acuerdo con el principio de detección como mencionamos anteriormente, en el rango de baja presión, el contacto de AgNW adyacente juega un papel importante en el aumento de corriente. Además, cuando la presión aumenta a 10–15 kPa, los AgNW de la interfaz estaban en contacto completo. Los cambios actuales fueron determinados principalmente por la resistencia de contacto entre los hilos y los tejidos, que era relativamente estable. El contacto entre el hilo y las escamas de la tela jugó un papel más importante en el mecanismo de detección en ciclos de recubrimiento por inmersión de 5 veces y un diámetro de 0,75 mm al mejorar la sensibilidad y el rango lineal. Por lo tanto, el diámetro de 0,75 mm (Fig. 4d) exhibió una sensibilidad más alta y un rango lineal más grande debido a un mayor contacto [33, 34].

Se estudió la respuesta dinámica del dispositivo bajo ciclos de presión de carga / descarga. El sensor mostró una respuesta inmediata a las presiones cíclicas. La respuesta resuelta en el tiempo se analizó para cuantificar los tiempos de respuesta y relajación (Fig. 5a). Los tiempos de respuesta y relajación medidos fueron 32 y 24 ms, respectivamente. El rendimiento del sensor bajo presión diferencial también se investiga y se muestra en la Fig. S8. El sensor distinguió claramente una presión sutil de 50 Pa, lo que indica el excelente rendimiento del sensor. El Δ I / Yo ₀ con una presión aplicada de 10 kPa con 1000 ciclos de carga se utilizó para verificar la repetibilidad del dispositivo (Fig. 5b). Los resultados muestran la excelente estabilidad de los sensores de presión. Además, se investigó la permeabilidad al aire tanto del algodón normal como del algodón revestido con AgNW. A pesar de que la permeabilidad al aire se redujo de 787,3 a 252,6 mm / s, este valor sigue siendo mucho más alto que los reportados recientemente [35, 36]. Este resultado demostró que los sensores de presión portátiles basados ​​en tejidos recubiertos de nanocables de plata mantienen una buena permeabilidad al aire debido a su alta porosidad.

un Tiempos de respuesta / liberación del dispositivo. b La prueba de ciclo del dispositivo a una presión de 10 kPa. c Señal de pulso de muñeca del usuario humano. d La señal actual responde a la respiración con respiración normal

Debido a la flexibilidad natural de los tejidos y la alta sensibilidad de los sensores, el sensor de presión se podía llevar puesto y podía detectar señales mecánicas como el pulso fisiológico y la frecuencia respiratoria. Primero, el dispositivo se colocó en la muñeca con un vendaje adhesivo para controlar la presión del pulso. La Fig. 5c presenta los datos registrados en tiempo real, en los que se midieron las frecuencias de pulso en ≈ 72 latidos min ^–1 . Además, el sensor también se adjuntó a una máscara para detectar estados de respiración. La figura 5d indica que la frecuencia respiratoria normal de un adulto es de 10 respiraciones por minuto y una onda cuadrada para la respiración normal. Además, el ancho de la banda de ondas indica el tiempo de respiración mantenido. Estos resultados sugieren que el sensor de presión con alta sensibilidad y superioridad tiene un gran potencial en aplicaciones de dispositivos médicos portátiles.