Un capteur de champ magnétique flexible basé sur AgNWs &MNs-PDMS

Contexte

Les dispositifs électroniques flexibles ont récemment attiré une attention considérable en raison de leurs capacités de surveillance à long terme d'interaction facile [1,2,3,4,5]. Ils deviennent l'un des capteurs électriques les plus prometteurs en raison de leurs avantages tels que leur poids léger, leur portabilité, leurs excellentes propriétés électriques et leur haute intégration [6,7,8,9,10,11]. Indubitablement, les nanomatériaux jouent un rôle irremplaçable dans les capteurs flexibles en raison de leurs propriétés exceptionnelles, par exemple les petites tailles, l'effet de surface et l'effet tunnel quantique [12,13,14]. Sur la base de l'effet tunnel résonant des nanomatériaux, de nombreuses recherches se concentrent sur les capteurs de contrainte piézorésistifs dont les résistances changent avec la déformation [15,16,17]. L'une des applications clés des capteurs de contrainte souples est la peau électronique flexible, de sorte que les multi-fictionnalisations sont la tendance de développement des capteurs. Certains rapports ont déclaré avoir ajouté des modules de détection de température [18, 19] et d'humidité [20, 21] dans les matrices de détection de contrainte.

Outre les capacités de détection de contrainte, de température et d'humidité, les matrices de détection électronique de la peau ont grandement besoin de nouvelles fonctions. En d'autres termes, plus de fonctions rendent la peau électronique plus intelligente. Parmi les nouvelles fonctions, la détection de champ magnétique est une nouvelle application. Il faut mentionner que seul le capteur de champ magnétique doux peut être utilisé comme module pour la peau électronique à l'avenir. Possédant des capteurs de champ magnétique doux pouvant être utilisés dans des domaines plus complexes en fonction de sa flexibilité et de son élasticité, certains chercheurs travaillent sur ce domaine [22,23,24,25,26]. Chlaihawi et al. capteur à couche mince flexible ME préparé pour H_ac applications de détection [27]. Jogschies et al. ont étudié des couches minces de polyimide NiFe 81/19 pour la détection de champ magnétique [28]. Tekgül et al. appliqué les multicouches magnétiques CoFe/Cu sur des capteurs GMR [29]. Melzer et al. ont rapporté des capteurs de champ magnétique flexibles reposant sur l'effet Hall [30]. Un certain nombre de capteurs optiques flexibles de champ magnétique ont également été étudiés [31,32,33,34]. Comparés aux détecteurs de champ magnétique traditionnels, les capteurs de champ magnétique flexibles sont plus pratiques à appliquer et ils sont plus petits et plus adaptés à la détection dans des environnements complexes. Cependant, les études sur le capteur de champ magnétique doux face à la peau électronique multifonctionnelle ont rarement été rapportées à notre connaissance.

En raison des excellentes propriétés électroniques et magnétiques des Ag NWs [35,36,37] et MNs (Ni-Fe) [38, 39] respectivement, cet article propose la conception et la mesure de capteurs de champ magnétique flexibles AgNWs &MNs-PDMS avec une structure sandwich basée sur des effets magnétostrictifs et piézorésistifs. Les MN ont été introduits en tant qu'unités sensibles au champ magnétique dans le capteur de contrainte piézorésistif basé sur AgNW. Les différentes déformations magnétostrictives du capteur basé sur AgNWs &MNs-PDMS provoquent les différentes variations de résistance. Après caractérisation des nanomatériaux, trois rapports de masse différents de MNs et AgNWs (AgNWs &MNs; 1:1, 1:2, 1:5) ont été utilisés pour préparer des capteurs de champ magnétique flexibles. Avant que les propriétés de détection de champ magnétique des capteurs ne soient étudiées, les relations entre les changements de résistance et l'étirement ou la rétraction ont été étudiées pour conclure l'interaction des MN et des AgNW. Sur la base des résultats de la caractérisation, le capteur de champ magnétique obtenu dans ce travail peut être appliqué à l'avenir à une électronique multifonctionnelle.

Méthodes

Préparation de capteurs flexibles

Les MN ont été synthétisés par la méthode de mélange au latex [24, 25]. Le diamètre et la longueur des AgNW (qui ont été achetés à Changsha Weixi New Material Technology Corporation, Chine) sont de 50  nm et 20  μm, respectivement. Différents ratios de MN et d'AgNW ont été choisis pour étudier la quantité appropriée de nanomatériaux. Ainsi, les MN et les AgNW dans un rapport massique de 0:1, 1:5, 1:2 et 1:1 ont été dispersés par ultrasons dans de l'éthanol absolu. La figure 1 montre le schéma du processus de fabrication du capteur. L'élastomère PDMS et l'agent de réticulation dans un rapport massique de 10:1 ont été déposés sur le substrat avec un ruban rectangulaire collé. Après avoir été chauffé à 70°C pendant 2 h, le PDMS avec rainure a été décollé et découpé à la forme requise, et la taille de la rainure est de 30 mm  × 5 mm. Quatre échantillons d'AgNWs et de MNs dans des rapports différents ont été remplis respectivement dans les encoches des films PDMS. Deux électrodes en cuivre doux ont été installées des deux côtés, puis le PDMS a été déposé sur le dessus pour fixer les électrodes et les nanomatériaux. Après chauffage à 70 °C pendant 2 h, les capteurs ont été obtenus.

Schéma de l'organigramme du processus de conception structurelle et de fabrication du capteur

Caractérisation

Les AgNW et les MN avec différents rapports de mélange ont été caractérisés au microscope électronique à balayage (SEM, S4700 SEM Hitachi Corporation, Tokyo, Japon). Les composants des AgNWs &MNs dans différents rapports de masse ont été caractérisés par des mesures XRD (Buker D8 Advance) en utilisant un rayonnement Cu K de longueur d'onde 1,5406 Å.

Les courbes courant-tension ont été mesurées par le Keithley 2400 Source Meter à température ambiante (la température ambiante était de 25 °C). Des expériences d'étirement ont été réalisées sur la plate-forme d'étirement (Zolix TSM25-1A et Zolix TSMV60-1 s, Zolix Corporation, Pékin, Chine), et la résistance des capteurs a été mesurée par Keithley 2400 Source Meterat. Des expériences de détection de champ magnétique ont été réalisées lorsque le capteur flexible était fixé dans un champ magnétique différent. L'intensité du champ magnétique a commencé à partir de 0 T et augmente de 0,1 T.

Résultats et discussion

Le spectre XRD des MN a été montré sur la Fig. 2. Les pics caractéristiques suggèrent que les MN sont composés de FeCo, FeNi et Co(OH)₂ . Le résultat démontre que toutes ces compositions sont des matériaux magnétiques.

Le spectre XRD des MNs

Les images SEM des AgNWs &MNs sont affichées sur la Fig. 3. Les Ag NWs purs de 20 m de longueur et de 50  nm de diamètre forment un réseau linéaire qui peut être observé sur la Fig. 3a. Les morphologies des AgNWs &MNs dans un rapport de masse de 5:1, 2:1 et 1:1 sont présentées sur la Fig. 3b–d. De petites quantités de MN parmi les Ag NW peuvent être observées sur la figure 3b. Les réseaux de la Fig. 3c sont plus clairsemés par rapport à la Fig. 3a, b évidemment. De plus, la flexion des AgNWs et plus de MNs peut être vue sur la Fig. 3d. Les réseaux conducteurs construits par les AgNW et la quantité de MN augmentent apparemment sur la figure 3a–d. Le mélange uniforme Ag NWs et MNs, qui sont montrés sur la Fig. 3a–d, jouent un rôle de connexion pour augmenter la sensibilité des capteurs lors de l'étirement ou du rétrécissement. Les rôles joués par les AgNW et les MN peuvent être expliqués par les résultats de la Fig. 3.

un AgNWs &MNs dans un rapport de masse de 1:0, b 5:1, c 2:1, et d 1:1

Les courbes IV des capteurs basés sur AgNWs &MNs dans un rapport de masse de 1:0, 5:1, 2:1 et 1:1 sont illustrées à la Fig. 4. Les quatre courbes sont toutes des lignes droites lisses, qui représentent le quatre capteurs présentent des caractéristiques ohmiques importantes. Il déclare que ces capteurs sont conducteurs et stables sans déformation.

Courbes I-V des capteurs basées sur AgNWs &MNs en rapport de masse de a 1:0, b 5:1, c 2:1, et d 1:1

On peut calculer à partir de la Fig. 4a que la résistance du capteur est de 41,58  Ω lorsque l'unité sensible est de l'AgNWs pur. Les résistances des capteurs basés sur AgNWs &MNs dans un rapport de masse de 1:0, 5:1, 2:1 et 1:1 sont de 30,2 Ω, 5,04 Ω et 2,87 Ω, comme indiqué sur la Fig. 4b–d. Il montre une tendance à la baisse de la résistance lorsque les MN ont été introduits dans des cellules sensibles. En comparant les résistances des quatre capteurs, on peut conclure que les résistances des capteurs de champ magnétique flexibles diminuent avec la proportion croissante de MN, et la résistance minimale se produit au niveau du capteur avec AgNWs &MNs dans un rapport de masse de 1:1. Cela peut également prouver que le mélange d'AgNWs &MNs dans une certaine proportion aide à réduire la résistance, car les composants conducteurs des MNs ont conduit plus de chemins conducteurs dans les réseaux.

Les relations entre les changements de résistance et l'étirement ou la rétraction ont été étudiées pour conclure l'interaction entre les MN et les AgNW au cours de la déformation. Les changements de résistance relatifs des capteurs basés sur AgNWs et MNs avec extension sous la température ambiante sont illustrés à la Fig. 5a–d. Le changement de résistance pendant le processus d'étirement est représenté par des courbes noires, et le changement de résistance pendant le processus de relâchement est représenté par des courbes rouges. ΔR et R ₀ représentent le changement relatif de résistance sous la déformation et la résistance initiale du capteur, et L ₀ et ΔL représentent la longueur initiale et l'allongement relatif de l'éprouvette axiale du capteur. Le facteur de jauge des capteurs peut être calculé par l'équation du facteur de jauge (GF) = ΔR /R ₀ :ΔL /L ₀ . La figure 5a montre que le capteur basé sur AgNWs est conducteur dans le processus d'étirement et de récupération lorsque la longueur de traction est inférieure à 7,12 % de la longueur d'origine et que son GF est de 129,6. La résistance augmente pendant l'étirement. Cela peut être attribué à l'augmentation de l'espacement entre les AgNW dans le capteur pendant la déformation, les canaux tunnels et le chemin conducteur réduit de cette manière. Le processus inverse a provoqué la diminution de la résistance lors de la rétraction. Lorsque les MN ont été introduits dans l'unité sensible, les caractéristiques de détection de contrainte du dispositif flexible changent également. La résistance du capteur basée sur AgNWs &MNs dans un rapport de masse de 5:1 change presque linéairement lorsque la plage d'étirement se situe à moins de 4,4 % de la longueur d'origine de la Fig. 5b. Lorsque la longueur de traction est supérieure à 3,9% de la longueur d'origine, les augmentations de résistance les plus élevées se sont produites. Le GF du capteur augmente à 257, ce qui signifie que la sensibilité du capteur a augmenté par rapport au capteur basé sur des AgNW purs. Cependant, la plage de déformation n'est pas améliorée par la participation des MN à un rapport de masse de 5 : 1, ce qui peut être observé sur les figures 5a, b. La figure 5c démontre que la résistance du capteur basée sur AgNWs et MNs dans un rapport de masse de 2:1 change de manière linéaire lorsque la plage d'étirement se situe à moins de 8,7 % de la longueur d'origine et que le GF du capteur est de 264,4, ce qui est supérieur à celui de les capteurs basés sur AgNWs &MNs dans un rapport de masse de 1:0 et 5:1. Dans la Fig. 5d, la résistance du capteur basée sur AgNWs &MNs dans un rapport de masse de 1:1 change linéairement lorsque la plage d'étirement se situe à moins de 9 % de la longueur d'origine. Lorsque la longueur de traction est supérieure à 9 % de la longueur d'origine, la résistance change considérablement et le GF est de 222,2. En résumé, le capteur de champ magnétique flexible basé sur AgNWs &MNs dans un rapport de masse de 2:1 montre le plus grand GF de 264,4, et il a une plage extensible relativement grande. De plus, ce capteur réagit de manière plus sensible à mesure que le stress augmente, le changement de résistance a également une meilleure relation linéaire. Le FeCo, qui est un alliage conducteur, est basé sur l'ingrédient principal des MN. En comparant ces quatre types de capteurs, plus la participation des MN rend les chemins plus conducteurs dans les unités sensibles lors de l'étirement. Cependant, un rapport plus élevé de MN dans Ag NWs &MNs de même qualité signifie moins d'existence d'Ag NWs, ce qui est préjudiciable à la stabilité du réseau conducteur pendant la déformation. C'est la raison de la chute de résistance relative à 9% de déplacement. Par conséquent, les AgNWs &MNs dans un rapport de masse de 1:1 est la quantité de MNs la plus élevée que nous ayons conçue dans ce travail, et le capteur basé sur les AgNWs &MNs dans un rapport de masse inférieur à 1:1 est non conducteur dès l'étirement. Les résultats de la figure 5 démontrent que les effets synergiques des AgNW et des MN dans certains rapports augmentent la sensibilité et la plage de déformation.

Les changements de résistance relative des capteurs basés sur AgNWs &MNs dans un rapport de masse de a 1:0, b 5:1, c 2:1, et d 1:1 avec déformation

Les MN peuvent se rapprocher sous le champ magnétique, de sorte que la magnétostriction peut entraîner le rétrécissement des capteurs. Afin de caractériser l'interaction des AgNWs et des MNs dans les capteurs pendant le rétrécissement, nous avons mesuré le changement de résistance pendant le rétrécissement, et les résultats expérimentaux sont présentés sur la figure 6. La figure 6a montre que le capteur basé sur AgNWs est conducteur dans le processus de rétrécissement et récupération lorsque la longueur de contraction est inférieure à 1,6 % de la longueur d'origine et que son GF le plus élevé est de 13,75 ; Les AgNW intégrés dans le PDMS entrent en contact pendant le processus de rétrécissement, ce qui conduit à l'augmentation des chemins de conduction. Par conséquent, la résistance diminue à mesure que la force contractile augmente. La diminution de l'espacement entre les AgNW dans le capteur, de plus en plus de nanofils se chevauchent, entraînant une diminution de la résistance du capteur. Lorsque nous avons introduit les MN dans les AgNW, la figure 6b illustre que les caractéristiques de rétrécissement du dispositif flexible basées sur les AgNW et les MN dans un rapport de masse de 5:1. La résistance du capteur change avec la plage de rétrécissement est de 2,5% de la longueur d'origine, et le GF le plus élevé est de 24. Le même changement de résistance s'applique également aux capteurs basés sur les AgNWs &MNs dans un rapport de masse de 2:1 et 1:1, qui est illustré à la Fig. 6c, d. En augmentant le rapport de masse des MN dans l'unité sensible, la résistance du capteur basée sur les AgNW et les MN dans un rapport de masse de 2:1 change lorsque la plage de rétrécissement se situe dans les 1,6 % de la longueur d'origine et que son GF est de 21,875. Dans le même temps, la résistance des capteurs basés sur les AgNW et MN dans un rapport de masse de 1:1 diminuait également lorsque la plage de rétrécissement se situait à moins de 2,8 % de la longueur d'origine et que son GF était de 20,35. On peut conclure que le changement de résistance du capteur basé sur les AgNWs &MNs dans un rapport de masse de 5:1 avec rétrécissement est plus grand que celui des trois autres capteurs, et la sensibilité est la plus grande. Contrairement au processus d'étirement, la résistance de tous les capteurs diminue à mesure que la durée de la contraction augmente. Lorsque AgNWs &MNs dans le rapport de masse est de 5:1, le capteur a le coefficient de sensibilité le plus élevé pendant le processus de contraction, dont le GF le plus élevé est de 24. l'espace pour les matériaux se déplaçant sous forme de rétrécissement, ce qui est contraire aux résultats de la figure 5. En conséquence, le GF du capteur basé sur les AgNWs &MNs dans un rapport de masse de 5:1 est le plus élevé lors du rétrécissement. Les résultats de la Fig. 6 démontrent que les effets synergiques se produisent lorsque AgNWs et MNs à un rapport plus grand.

Les changements de résistance relative des capteurs basés sur AgNWs &MNs dans un rapport de masse de a 1:0, b 5:1, c 2:1, et d 1:1 avec retrait

Dans différents champs magnétiques, différents changements de résistance du capteur magnétique flexible sont illustrés à la Fig. 7. La résistance du capteur basé sur AgNWs est de 41,58  Ω. Comme le montre la figure 7a, nous plaçons le capteur basé sur des AgNW purs dans un champ magnétique augmentant progressivement, et la résistance du capteur change à mesure qu'il vibre en conséquence. En raison de l'effet magnétostrictif des matériaux métalliques, la résistance du capteur est légèrement modifiée. Le taux de changement de résistance maximal est de 0,037 lorsque l'intensité du champ magnétique est de 0,4   T. La résistance du capteur basée sur les AgNWs et MNs dans un rapport de masse de 5 : 1 diminue également avec l'augmentation de l'intensité du champ magnétique, comme le montre la figure 7b. Par rapport au capteur sans MN, le changement de résistance du capteur basé sur les AgNW et MN dans un rapport de masse de 5:1 avec un changement de champ magnétique est plus évident. Lorsque l'intensité du champ magnétique est de 0,4  T, le taux maximum de changement de résistance est de 0,28. Sur les Fig. 7c, d, la même application aux capteurs basés sur les AgNWs &MNs dans un rapport de masse de 2:1 et 1:1, et les changements de résistance sont de 0,14 et 0,19 à mesure que le champ magnétique augmente respectivement. La sensibilité du capteur basée sur les AgNWs &MNs dans un rapport de masse de 5:1 est la plus élevée, et la variation continue de résistance avec le champ magnétique a été montrée sur la Fig. 8. La comparaison des paramètres des capteurs de contrainte basés sur différents rapports des MNs et AgNWs est présenté dans le tableau 1.

La résistance change dans différents champs magnétiques

La relation entre la résistance et les différents champs magnétiques

On peut calculer que la sensibilité du capteur de champ magnétique est de 24,14  Ω/T. En conclusion, lorsque le rapport de masse des MNs et AgNWs est de 1:5, la réponse du capteur au champ magnétique changeant est la plus sensible avec une sensibilité de 24,14 Ω/T. Le capteur de champ magnétique flexible obtenu dans ce travail peut en outre être appliqué à la détection de l'intensité du champ magnétique. Les résultats des tests de cette application correspondent au processus de rétrécissement du capteur lorsque l'on compare les résultats des Figs. 7 et 8. Cela signifie que les nanomatériaux dans les capteurs se déplacent ensemble lorsqu'ils ont été placés dans un champ magnétique. L'analyse du mécanisme déclare en détail comme suit.

Pour comprendre les variations de résistance des capteurs au cours de différentes intensités de champ magnétique, nous proposons un modèle simple pour décrire le principe de fonctionnement du capteur, comme le montre la figure 9. De nombreux AgNW et MN dans le PDMS forment un réseau conducteur. Les chemins conducteurs formés par les AgNW et les MN sans champ magnétique sont représentés par les lignes rouges sur la figure 9a. Les MN ont tendance à être uniformément disposés sous champ magnétique, comme le montre la figure 9b. Cependant, il y a peu d'espace pour le changement de position des MN, de sorte que seules les directions des MN changent avec les lignes de champ magnétique. L'intensité de champ magnétique plus élevée représente une force plus importante des MN qui peut surmonter les contraintes de réseau des AgNW. Le sens du mouvement des MNs fait que les Ag NWs se rassemblent, ce qui est la raison de l'augmentation du nombre de chemins conducteurs. Plus de chemins conducteurs signifient plus de transfert d'électrons, ce qui conduit à une résistance plus faible, la résistance diminue avec l'augmentation de l'intensité du champ magnétique de cette manière.

Modèle de détection schématique du capteur de champ magnétique doux basé sur AgNWs et MNs-PDMS

Conclusions

Le dispositif conçu dans cet article est conforme à la tendance de développement de l'électronique flexible. Un capteur de champ magnétique flexible basé sur AgNWs &MNs-PDMS avec une structure sandwich a été étudié dans ce travail. Sur la base des caractérisations SEM et XRD, les composants et les morphologies des différents ratios de nanomatériaux ont été déterminés. Ensuite, les courbes courant-tension et les changements de résistance des capteurs basés sur AgNWs &MNs dans un rapport de masse de 1:0, 5:1, 2:1 et 1:1 avec étirement et rétrécissement ont été mesurés respectivement. L'interaction entre les AgNWs et les MNs au cours de la déformation a été conclue à travers les résultats de la caractérisation. Ensuite, des capteurs basés sur différents rapports de masse de MN et d'AgNW ont été étudiés pour les propriétés de détection de champ magnétique. Lorsque le rapport de masse des AgNWs et MNs est de 5:1, le capteur tel que préparé montre la sensibilité la plus élevée de 24,14 Ω/T. Les résultats expérimentaux montrent que le capteur rétrécit avec l'augmentation de l'intensité du champ magnétique. De plus, le modèle de détection magnétostrictif et piézorésistif a été établi pour explorer le mécanisme de ce capteur.

Abréviations

AgNW :

Nanofils Ag

GF :

Facteur de jauge

MN :

Nanoparticules magnétiques

PDMS :

Polydiméthylsiloxane

SEM :

Microscope électronique à balayage

XRD :

Diffraction des rayons X