Sensores de presión portátiles ultra-sensibles usando tejidos recubiertos con nanohilos de plata

Resumen

Los sensores de presión flexibles han atraído creciente atención por sus aplicaciones potenciales en sistemas portátiles de monitorización y cuidado de la salud humana. Aquí presentamos un enfoque sencillo para fabricar sensor piezoresistivo de presión totalmente textil con tejidos recubiertos con nanohilos de plata (AgNW) integrados. Aprovecha plenamente el efecto sinérgico de contactos multi-nivel fibra/hilo/tejido, logrando ultrahigh sensibilidad de 3,24 × 10⁵ kPa⁻¹ (0–10 kPa) y 2,16 × 10⁴ kPa⁻¹ (10–100 kPa). Además, dispositivo alcanza tiempo respuesta/relajación rápido (32/24 ms) y alta estabilidad (> 1000 ciclos carga/descarga). Tal sensor textil de alto rendimiento se espera aplicable en ropa inteligente, monitorización de actividad y dispositivos sanitarios.

Introducción

Con el desarrollo reciente de electrónica portátil, hay demanda creciente de sensores de presión flexibles en multitud de aplicaciones: dispositivos e-skin, sistemas monitorización salud, robots inteligentes. Para ser viables, sensores deben exhibir excelente rendimiento sensibilidad, proporcionando información exhaustiva para diagnóstico o análisis preciso.

Hasta la fecha, numerosos métodos desarrollados para mejorar rendimiento sensor optimizando nanomateriales: nanotubos carbono (CNTs), nanoláminas grafeno, nanohilos metálicos, polímeros conductores, y sus compuestos. Particularmente, nanohilo plata (AgNW) ampliamente explorado como material sensor o relleno conductor en sensores presión por sus excelentes propiedades eléctricas. Ejemplo: Wang et al. sensor flexible basado en film PU relleno AgNW, sensibilidad 5,54 kPa⁻¹ < 30 Pa. Ho et al. sensor transparente mejorado grietas con dos films PDMS laminados con canales microfluídicos AgNW. Sin embargo, mayoría sensores fabricados con sustratos elásticos herméticos, no transpirables e incómodos, limitando aplicaciones prácticas.

Recientemente, sensores presión basados en tejido atraen atención por suavidad, transpirabilidad y biocompatibilidad, duraderos y portables largo plazo. AgNWs usados ampliamente en sensores tejido como capa sensible. Estructura típica: circuitos flexibles cubiertos con tejido conductor, explotan cambio resistencia contacto entre circuitos y tejidos. Al aplicar presión, dos films contactan generando corriente significativa. Ejemplo: Wei et al. sensor portátil con dos hojas algodón conductoras recubiertas AgNWs. Zhou et al. sensor con electrodo textil impreso y tejido algodón recubierto AgNW. Sin embargo, rango presión limitado para estas estructuras. Diversos diseños estructurales propuestos para mejorar rendimiento. Zhong et al. sensor piezoresistivo ultrasensible alta flexibilidad con nanofibras POE y AgNWs por método filtración; nanofibras replicadas en textiles nylon patrón con diferente espaciado fibra. A pesar progreso, sensor presión todo-textil con ultrasensibilidad y diseño estructura rara vez reportado.

Aquí proponemos estrategia novedosa para fabricar sensores presión todo-textil. Solución AgNWs sintetizada, tejido conductor fabricado por método inmersión-secado: sumergir trozos algodón en dispersión AgNW. Elemento sensor activo contiene algodón recubierto AgNW doble capa con espaciador malla algodón para asegurar contacto inicial entre ellos. Detección presión basada en cambios corriente eléctrica por contacto capas enfrentadas bajo presión externa. Sensor piezoresistivo todo-textil aprovecha efecto sinérgico contactos multi-escala fibra/hilo/tejido, logrando ultrasensibilidad 3,24 × 10⁵ kPa⁻¹ (0–10 kPa) y 2,16 × 10⁴ kPa⁻¹ (10–100 kPa), tiempo respuesta/relajación rápido (32/24 ms), alta estabilidad (> 1000 ciclos). Dispositivos amplias aplicaciones en ropa inteligente, monitorización actividad, dispositivos sanitarios.

Sección experimental

Materiales y métodos

Solución AgNWs sintetizada por método hidrotérmico. Primero, solución PVP añadida a EG; mezcla agitada 20 min para solución PVP/EG. Posteriormente, soluciones AgNO₃/EG y NaCl/EG preparadas similarmente. Segundo, soluciones AgNO₃/EG y NaCl/EG añadidas a PVP/EG, mezcla agitada y transferida a autoclave. Tercero, autoclave calentado 140 °C 2 h, luego 160 °C 30 min. Enfriamiento natural a temp. ambiente. Precipitados lavados y filtrados centrífuga con acetona y agua desionizada varias veces para polvo blanco. Finalmente, AgNWs dispersados ultrasónicamente en etanol.

Fabricación sensor presión

Sensor todo-textil fabricado por proceso "inmersión-secado" (Fig. 1). Primero, tejidos algodón limpiados con agua DI y etanol anhidro 15 min cada uno. Segundo, tejidos sumergidos solución AgNWs 20 min, secado 90 °C 10 min (Fig. 1a). Luego, electrodos cobre adheridos superficie tejidos AgNW con pasta plata, secado 90 °C 1 h. Mientras, espaciadores malla algodón con diferentes diámetros orificio fabricados por grabado láser (Fig. 1b). Finalmente, sensor ensamblado empaquetado cara-a-cara: doble capa tejido sensor con espaciador malla insertado (Fig. 1c).

Caracterización

Imágenes SEM superficies tejidos recubiertos AgNW tomadas con GeminiSEM 500 (ZEISS, Nueva York, EE. UU.) a 5 kV. Respuesta corriente sensores registrada con medidor fuente digital (Keithley 4200, EE. UU.) y medida con medidor fuerza digital (SJS-500V, China).

Resultados y discusión

Fig. 2: imágenes SEM morfología tejidos recubiertos AgNWs con diferentes aumentos. Fig. 2a: hilos algodón capas naturalmente estructura porosa. Superficie externa tejido cubierta AgNWs (Fig. 2b), nanohilos envueltos uniformemente en fibras. Particularmente, entre hilos vecinos, espacios vacíos puenteados por redes conductoras AgNW adheridas (Fig. 2c). Destacable: hilos largos y uniformes observados entre hilos adyacentes, diámetro medio AgNW ~55 nm. Fig. 2d: AgNWs formados homogéneamente en área principal superficie hilo, desconectados en algunos puntos por mala adhesión. Distancia entre nanohilos en hilo individual mayor que entre nanohilos entre hilos vecinos.

Densidad AgNWs en superficie tejidos ajustada por ciclos inmersión-secado. Tejido 1 ciclo y 5 ciclos en Fig. S1 y Fig. 2d. Comparado alta densidad, espaciado malla nanohilos 1 ciclo aumentó <1 a 2–4 μm.

Composición tejido AgNW investigada por espectroscopía dispersiva energía rayos X (EDS), recuadro Fig. S2. Además C y O (principalmente algodón), elemento Ag observado, indicando distribución AgNWs en algodón.

Principio detección sensor Fig. 3a, imágenes SEM transversal sensor diferentes presiones Fig. 3b–e. Estado descarga: resistencia inicial grande por AgNWs sin contacto en tejidos (Fig. 3b). Al aplicar presión, contactos escala fibra crecientes nanohilos tejidos adyacentes reducen resistencia (Fig. 3c). Cuando nanohilos contactan completamente, presión continua comprime fibras aumentando contactos escala hilo. Fig. 3d: longitud hilos dirección Y reducida ~200 a 160 μm, confirmando compresión entre hilos. Según imágenes SEM transversal, AgNWs formados tanto superficie hilo como dentro hilos adyacentes (Fig. S3). Al aplicar presión y comprimir hilos, AgNWs dentro hilos contactan reduciendo resistencia sensor. Con presión creciente, tejidos vecinos comprimidos (Fig. 3e); contactos escala tejido reducen resistencia por área contacto aumentada entre tejidos enfrentados. Espesor total doble capa reducido 600 a 350 μm. Por tanto, detección presión determinada por efecto sinérgico contactos multi-escala fibra/hilo/tejido. Imágenes SEM transversal confirman mecanismo.

Influencia flexión morfología superficie tejidos AgNW investigada imágenes SEM transversal Fig. S4. Pequeña deformación flexión: no grietas ni desprendimiento red AgNWs (Fig. S4b) vs estado inicial (Fig. S4a). Para investigar deformación flexión, imágenes SEM tejidos AgNW 500 ciclos flexión Fig. S5: muchos puntos deslaminados potencialmente causan degradación. Resultado indica estabilidad tejido AgNW necesita mejora futura.

Fig. 4a: curvas corriente-voltaje sensor bajo diferentes presiones. Al aumentar presión 0–100 kPa, resistencia sensor disminuye. Respuesta sensor estable y sigue ley Ohm. Corriente sensor Fig. 4b: relativamente constante bajo diferentes presiones, revelando respuesta estable. Resultados proporcionan excelente estabilidad eléctrica para aplicación potencial.

Rendimiento sensores: cambios relativos corriente (ΔI/I₀) vs presión con diferentes ciclos inmersión AgNWs y diámetros orificio malla Fig. 4c, d. Sensibilidad definida S = (ΔI/I₀)/P (P presión aplicada). Diámetro orificio 0,25 mm: sensibilidad fuertemente dependiente ciclos inmersión AgNWs. Sensibilidad mejoró 2,12 × 10³ kPa⁻¹ a 1,98 × 10⁵ kPa⁻¹ (0–10 kPa) al aumentar ciclos 1→5. Además, mejoró 764 a 1,12 × 10³ kPa⁻¹ (10–100 kPa). Mejora sensibilidad con altos ciclos atribuida a aumento densidad AgNWs.

Dependencia diámetro orificio caracterizada. Sensores 5 ciclos inmersión mostraron sensibilidades crecientes con diámetros: 1,12 × 10³, 9,88 × 10³, 2,16 × 10⁴ kPa⁻¹ (10–100 kPa). Mejora atribuida a área contacto aumentada por orificios mayores. Sin embargo, diámetro >1 mm con 4 ciclos: interfaz inicial tejidos enfrentados resultó más contacto en estado descarga, reduciendo significativamente resistencia contacto entre tejidos (Fig. S6). Cambiando espesor espaciador algodón, rendimientos empeoran (Fig. S7). Menor espesor: disminuye ΔI/I₀ por contacto tejidos enfrentados estado inicial (Fig. S7a). Mayor espesor reduce contacto tejidos. Espesor 1 mm: AgNWs no contactan hasta presión >10 kPa (Fig. S7c).

Notablemente, sensor exhibe claramente dos segmentos lineales corriente; sensibilidad aumenta bruscamente rango baja presión y gradualmente rango alta presión. Según principio detección, rango baja presión: contacto AgNWs adyacentes papel importante aumento corriente. Presión 10–15 kPa: AgNWs interfaz contactan completamente. Cambios corriente determinados principalmente resistencia contacto entre hilos y tejidos, relativamente estable. Contacto escalas hilo y tejido papel más significativo en mecanismo detección a 5 ciclos inmersión y diámetro 0,75 mm mejorando sensibilidad y rango lineal. Diámetro 0,75 mm (Fig. 4d) exhibió mayor sensibilidad y rango lineal mayor por contacto aumentado.

Respuesta dinámica dispositivo estudiada bajo ciclos carga/descarga. Sensor respuesta inmediata a presiones cíclicas. Respuesta temporal analizada cuantificar tiempos respuesta y relajación (Fig. 5a). Tiempos medidos respuesta/relajación: 32 y 24 ms. Rendimiento sensor diferentes presiones Fig. S8. Sensor distinguió claramente presión sutil 50 Pa, indicando excelente rendimiento. ΔI/I₀ presión 10 kPa 1000 ciclos carga verifica repetibilidad (Fig. 5b). Resultados muestran excelente estabilidad sensores. Permeabilidad aire algodón normal y algodón recubierto AgNW investigada. A pesar permeabilidad reducida 787,3 a 252,6 mm/s, valor aún mucho mayor que reportados recientemente. Demuestra sensores presión portátiles basados tejidos recubiertos AgNW mantienen buena permeabilidad aire por alta porosidad.

Por flexibilidad natural tejidos y alta sensibilidad sensores, sensor portable detecta señales mecánicas: pulso fisiológico y frecuencia respiratoria. Primero, dispositivo adherido muñeca con vendaje adhesivo monitorizar presión pulso. Fig. 5c: datos tiempo real, frecuencia pulso ≈ 72 latidos/min. Además, sensor adherido mascarilla detectar respiración. Fig. 5d: frecuencia respiratoria normal 10 respiraciones/min adulto, onda cuadrada respiración normal. Ancho banda onda indica tiempo mantenido respiración. Resultados sugieren sensor alta sensibilidad y superioridad gran potencial aplicaciones dispositivos sanitarios portátiles.

Conclusión

En este trabajo, AgNWs fabricados método hidrotérmico, morfología caracterizada y analizada. Sensor presión todo-textil fabricado insertando espaciador malla algodón entre algodón recubierto AgNW doble capa. Gracias efecto colectivo contactos multi-escala fibra/hilo/tejido, sensor sensibilidad extremadamente alta (3,24 × 10⁵ kPa⁻¹ 0–10 kPa y 2,16 × 10⁴ kPa⁻¹ 10–100 kPa), tiempo respuesta/recuperación rápido (32/24 ms), alta estabilidad (1000 ciclos), amplio rango presión (0–100 kPa). Monitorización señales fisiológicas (presión pulso) demostrada exitosamente. Con método fabricación sencillo y eficiente, tal sensor ultrasensible promoverá amplia aplicación en desarrollo próxima generación ropa inteligente, monitorización actividad, dispositivos sanitarios.

Disponibilidad datos y materiales

Autores declaran materiales y datos disponibles lectores, todas conclusiones basadas en datos presentados y mostrados en artículo.

Abreviaturas

CNTs:

Nanotubos de carbono

AgNW:

Nanohilo de plata

PVP:

Polivinilpirrolidona

EG:

Glicol etileno

NaCl:

Cloruro sodio

DI:

Agua desionizada

SEM:

Microscopio electrónico barrido

EDS:

Espectroscopía dispersiva energía rayos X