Capteur de pression flexible capacitif papier hautes performances et son application dans la mesure humaine

Introduction

Grâce à leur flexibilité et leur facilité d'intégration dans des surfaces incurvées comme le corps humain, les capteurs de pression flexibles (FPS) ont reçu une attention considérable et présentent un grand potentiel d'applications dans les dispositifs portables [1, 2], les peaux électroniques [3, 4], les systèmes biomédicaux. [5], et détection de mouvement humain [6,7,8,9] ; de nombreuses structures et mécanismes tels que le transistor à effet de champ [10, 11], le condensateur [2, 12], l'effet piézoélectrique [13,14,15,16] et l'effet piézorésistant [17,18,19] ont été proposés pour réaliser FPS ; parmi eux, le FPS capacitif devient de plus en plus attractif en raison de sa structure simple [20], sa large plage dynamique [21] et sa bonne stabilité [22]. En termes de matériaux utilisés dans le FPS, le polydiméthylsiloxane (PDMS) est un excellent matériau en raison de sa bonne flexibilité, de sa conformité biomédicale avec les tissus humains et de ses propriétés diélectriques, et il est donc souvent utilisé comme matériau structurel dans le FPS ainsi que d'autres capteurs flexibles. [23,24,25] ; dans le FPS capacitif, le PDMS était souvent utilisé comme couche diélectrique [20, 26] et substrat d'électrode [2, 21]. En ce qui concerne la couche conductrice d'électricité dans le FPS, les nanofils d'argent (AgNW), qui ont un potentiel important et ont été largement utilisés dans l'électronique flexible comme les cellules solaires [27,28,29,30,31,32] et les films chauffants [33 , 34] en raison de leurs excellentes propriétés électriques, optiques et mécaniques, étaient souvent utilisés avec le PDMS; par exemple, Chen et al. [35] ont préparé des films composites de nanofils d'argent (AgNWs)/(PDMS) en incorporant partiellement des AgNWs dans la couche de PDMS pour créer une surface rugueuse, et le dispositif de capteur fabriqué a pu atteindre une sensibilité trois fois supérieure à celle utilisant des électrodes à film métallique communes. Yao et al. [2] ont tout d'abord réalisé des lignes AgNW parallèles sur silicium à travers un masque d'ombre PDMS pré-structuré ; puis, ils ont coulé un PDMS liquide sur le substrat AgNW-silicium; en décollant le PDMS après durcissement pendant 12 h, une électrode en PDMS intégrée à AgNW a été obtenue ; enfin, un FPS capacitif a été fabriqué qui a détecté avec succès le mouvement du pouce, la tension de l'articulation du genou et d'autres mouvements humains.

Pour atteindre une sensibilité élevée du FPS capacitif, il est généralement nécessaire de produire des micromotifs dans la couche diélectrique et/ou les électrodes, et des procédures compliquées, comme le micro-usinage [2, 35, 36] ainsi que le micromoulage [7, 21, 26], sont souvent impliqué; par exemple, Bao et al. [26] ont créé des motifs pyramidaux inversés en silicium puis transféré les motifs au PDMS en le coulant sur le moule en silicium; les motifs pyramidaux ont donc été produits sur PDMS. Li et al. [21] ont également utilisé une technique de moulage pour créer une structure inverse de surface de lotus sur PDMS en déposant une fine couche d'or comme électrode, et un FPS capacitif a été fabriqué en utilisant des microsphères de polystyrène (PS) comme couche diélectrique prise en sandwich par deux électrodes de PDMS . Dans ce travail, une procédure très simple a été proposée en utilisant un papier d'impression ordinaire déposé avec AgNW comme substrat d'électrode, et un FPS capacitif haute performance a été construit en utilisant du PDMS comme couche diélectrique stratifiée avec un substrat de papier AgNW des deux côtés; les résultats des tests ont démontré que la sensibilité et la plage dynamique de l'appareil étaient de 1,05 kPa ⁻¹ et 1 Pa à 2 kPa; en outre, il était capable d'identifier la forme de l'objet, le toucher du doigt et les vibrations induites par la voix, montrant son bon potentiel pour la peau artificielle et les appareils portables.

Méthodes

Préparation d'AgNWs, de films AgNWs, de films PDMS et de FPS capacitifs

Les AgNW ont été synthétisés par méthode hydrothermale :d'abord, une solution de 0,3 mole par litre (M) de polyvinylpyrrolidone (PVP) (poids moléculaire 30000)/éthylène glycol (EG) a été préparée en ajoutant 0,2 µg de PVP dans 6 µml d'EG, et le mélange a été agité pendant 20 min; de même, solution 0,1 M d'AgNO₃ /EG et 0,01 µM de chlorure de sodium (NaCl)/EG ont également été préparés. Deuxièmement, les solutions de AgNO₃ /EG et NaCl/EG ont été ajoutés dans PVP/EG et agités jusqu'à l'obtention d'une solution uniforme, qui a ensuite été transférée sur un revêtement en Téflon et placée dans la cuve de réaction; le chaudron a été chauffé à 140°C pendant 2 h puis à 160°C pendant 30 min pour la croissance d'AgNWs; après que la bouilloire ait été naturellement refroidie à température ambiante, des AgNW sous forme de poudre blanche ont été obtenus par lavage et filtration centrifuge des produits séquentiellement avec de l'acétone et de l'eau déminéralisée trois fois. Enfin, les AgNW obtenus ont été dispersés par ultrasons dans 100  ml d'éthanol pour la préparation du film AgNW.

Des techniques de préparation comprenant la pulvérisation à l'aérographe, le revêtement par centrifugation et le revêtement par trempage ont été utilisées pour les films AgNWs, et les résultats expérimentaux révèlent que la pulvérisation à l'aérographe présente l'avantage d'une efficacité élevée, d'une bonne uniformité et d'une bonne adhérence ; les détails de la préparation du film AgNW étaient les suivants :un papier d'impression propre d'une taille de 20 µm × 20 µ mm a été utilisé comme substrat qui a été placé sur une plaque chauffante à 100 °C; le diamètre de l'orifice de sortie de l'aérographe était de 0,5  mm, la distance entre l'aérographe et le substrat était de 150   mm ; la pression préréglée de l'aérographe était de 0,1 MPa ; Des AgNW avec différentes épaisseurs et résistances électriques peuvent être obtenus en ajustant le temps de pulvérisation; après dépôt, le substrat a été maintenu sur la plaque chauffante pendant 1hh pour éliminer complètement le PVP autour des AgNWs. Les PDMS ont été préparés à partir de précurseurs Sylgard 184 (Dow Corning). Premièrement, les agents principaux et durcisseurs des précurseurs ont été mélangés avec un rapport massique de 10:1; après agitation pendant 20 min, le mélange a été mis sous vide pendant 10 min pour éliminer les bulles pendant l'agitation; ensuite, il a été déposé par centrifugation sur un substrat de verre soigneusement nettoyé. Le substrat a ensuite été recuit à 65 °C pendant 2  h pour former du PDMS durci, et un film de PDMS autonome peut enfin être obtenu en le décollant du substrat de verre.

Le FPS capacitif de type sandwich (Fig. 1) a été fabriqué en utilisant deux substrats en papier AgNW comme électrodes et le PDMS comme diélectrique; les signaux électriques étaient extraits par deux fils de cuivre, qui étaient collés sur les électrodes par une peinture à l'argent conductrice; enfin, le capteur a été emballé par du ruban transparent.

un Structure du FPS capacitif à base de papier AgNW et mécanisme simplifié. b Plateforme de test pour FPS capacitif

Caractérisation et test

Les morphologies de surface des AgNWs et des papiers ont été caractérisées au microscope électronique à balayage (MEB) (type Inspect F50, FEI, US); Des tests de spectroscopie ultraviolet-visible (UV-Vis) (SHIMAZU 1700, Japon) ont été effectués pour analyser la composition des AgNW; pour le test du capteur, une plate-forme de stimulation de la pression a été construite sur la base d'un dynamomètre (HP-5, Yueqing Handpi Instruments Co., Ltd, Chine) ; un circuit oscillant maison basé sur le modèle de minuterie LM555 a été conçu pour convertir la variation de capacité en fréquence un; l'acquisition des données a été réalisée sur un ordinateur personnel via le multimètre Keithley2700 (Keithley, USA).

Résultats et discussions

Comme le montre la figure 2a, la photo SEM indique que les AgNW préparés ont des formes uniformément longues et minces avec des diamètres d'environ 100 nm, et aucune impureté n'est trouvée dans le film ; La figure 2b implique que le film a une densité relativement élevée qui aidera à obtenir des électrodes hautement conductrices du FPS capacitif. Pour étudier plus avant la pureté des AgNW, le spectre UV-Vis a été testé comme indiqué sur la figure 3. Il démontre clairement que deux pics à 355 nm et 380 nm apparaissent dans les courbes d'absorption, qui sont dus aux résonances plasmoniques transversales et longitudinales des AgNWs.; d'autres pics ou bruits de caractères apparaîtraient également si des impuretés telles que AgCl, AgNO₃ , ou des nanoparticules d'argent existent dans le film ; par conséquent, le spectre UV-Vis prouve en outre que des AgNW de haute qualité ont été synthétisés avec succès.

un –d Photos SEM du film et du papier AgNW

Spectre UV-Vis des AgNWs

La figure 4 donne les résultats du test de réponse de l'échantillon; comme le montre la figure 4a, la courbe de réponse peut être approximativement divisée en deux parties linéaires dans toute la plage de pression, c'est-à-dire une partie très sensible à basse pression et une partie peu sensible à haute pression avec le point de retournement situé à 2 KPa. Ce phénomène est courant pour les FPS capacitifs surtout basés sur le PDMS [21, 22] qui peut être interprété comme suit :le PDMS a sa limite élastique; comme la pression appliquée est faible, le PDMS montre une bonne élasticité, une grande contrainte peut être produite et une grande variation de capacité (ΔC ) est donc prévisible; tandis que lorsque la pression appliquée devient suffisamment importante, le PDMS devient si dense qu'il n'est plus assez élastique, aucune contrainte évidente ne peut plus être produite par la pression appliquée, et ainsi, seule une faible sensibilité du capteur peut être atteinte, et par conséquent, seule la plage de sensibilité élevée est utilisée pour la mesure. À partir des données de la figure 4a, on peut calculer que l'échantillon FPS capacitif a une sensibilité aussi élevée que 1,05 KPa ⁻¹ , cette valeur est meilleure que celles rapportées dans la plupart des littératures [12, 26, 37, 38, 39] et comparable aux résultats des FPS capacitifs AgNWs/microstructurés à base de PDMS dans nos travaux précédents [22], tandis que la procédure de fabrication est beaucoup plus plus simple. Le mécanisme derrière cette bonne performance peut être attribué à la nature morphologique du papier; comme le montrent les figures 2c et d, les photos SEM du papier révèlent qu'un grand nombre de micro-rainures et de vides existent sur le papier, car il est difficile de comprimer l'air dans les micro-rainures et les vides ; l'air va alors se déplacer vers le bas et créer de nombreuses entailles dans les AgNWs lorsqu'une pression extérieure est appliquée ; ces empreintes seront finalement transférées sur le film PDMS en raison de la grande flexibilité des AgNW et du PDMS ; et en conséquence, les surfaces équivalentes des électrodes augmentent ainsi que la distance entre elles diminue, les deux étant utiles pour obtenir une plus grande variation de capacité. Une caractérisation plus spécifique des performances du capteur dans une plage de pression extrêmement basse a été menée comme le montre la figure 4b. On voit clairement que l'échantillon est capable de répondre à une pression aussi faible que 1 Pa, démontrant sa grande sensibilité; en outre, il peut récupérer complètement sa valeur initiale après déchargement de chaque pression, reflétant sa bonne stabilité et sa vitesse de réponse rapide. La figure 4c donne le résultat d'un test de répétabilité à court terme où le capteur a subi une pression (81 Pa) et une libération continue pendant 500 périodes. Les courbes de réponse agrandies au début et à la fin montrent des tendances très similaires, ce qui implique en outre une bonne stabilité et répétabilité de l'échantillon. De plus, un test de répétabilité à long terme a été réalisé après 1 mois; comme le montre la figure 4a, la réponse de l'échantillon à basse pression ne change pas après 1 mois ; d'autre part, bien que la réponse à haute pression ait subi une diminution évidente, comme mentionné ci-dessus, cela n'influencerait pas les performances du capteur. La figure 4d compare les performances de l'échantillon avant et après 1 mois à certaines valeurs de pression spécifiques ; il révèle en outre qu'aucune dégradation du dispositif ne peut être constatée à basse pression; d'autre part, bien que la réponse à haute pression diminue, elle ne montre aucune variation sous pression constante, indiquant la stabilité encore bonne de l'échantillon.

Test de réponse du FPS capacitif sur papier AgNW :a relations pression-capacité dans une large plage de pression, b réponse à basse pression, c test répétitif de courte durée, et d vieillissement des performances après un mois

Pour étudier la faisabilité du FPS capacitif à base de papier AgNW, plusieurs tests liés à la vie réelle ont été effectués. La figure 5a donne le résultat du test de flexion; l'angle de flexion thêta, comme indiqué dans l'encart, est défini comme l'angle inclus formé par les deux lignes tangentes au capteur de flexion aux deux extrémités. Il révèle que l'échantillon est très sensible à la flexion et que plus l'échantillon est plié, plus sa capacité est grande; en outre, la courbe capacité-thêta a de manière intéressante une relation presque linéaire, ce qui fournit à l'échantillon un bon potentiel pour la mesure de l'état de flexion des articulations du corps humain. La figure 5b montre que le capteur peut clairement détecter un mouvement de double-clic ; la pression lors du clic peut produire une variation de capacité allant jusqu'à 700  pF, une fois supérieure à sa valeur initiale; en outre, comme le montre la figure 5c, le capteur peut identifier chaque syllabe que dit l'expérimentateur et démontre une sensibilité élevée et une excellente répétabilité. Pour explorer davantage le potentiel du FPS capacitif, un réseau 8 × 8 de FPS capacitifs AgNW-papier a été fabriqué comme le montre la figure 5d ; les lignes d'électrodes ont été formées en pulvérisant les AgNW à travers un masque dur et la taille du pixel était de 2 mm × 2 mm. La figure 5e démontre que le réseau peut facilement détecter une pointe de crayon, et puisque la pointe était suffisamment petite, les pixels voisins n'étaient pas du tout affectés, montrant son effet de diaphonie négligeable ; de plus, comme le montre la figure 5, après qu'une balle en pâte à modeler a été placée sur le réseau, elle était capable de reconnaître la forme de la balle ; Plus précisément, les résultats du mappage impliquent que la majeure partie de la masse de la balle se situe sur les deux rangées centrales, tandis que la deuxième colonne de pixels sur la gauche a les signaux les plus petits en raison de la faible masse à la tête de la balle.

Applications du FPS capacitif sur papier AgNW :a essai de flexion, b test de pression du doigt, c test vocal, d Réseau 8 × 8 de FPS capacitifs sur papier AgNW, e détection d'une pointe de crayon, f détection d'une forme de balle à la main à partir de pâte à modeler

Conclusion

En utilisant un papier ordinaire comme substrat, les AgNW ont été préparés via une technique de synthèse hydrothermale. Les résultats de la caractérisation SEM et UV-Vis ont indiqué que les AgNW ont une taille uniforme, un grand rapport longueur/diamètre et une pureté élevée, qui sont souhaitables pour une bonne flexibilité et une bonne conductivité électrique des AgNW. L'échantillon de FPS capacitif a été préparé en utilisant les substrats de papier AgNW comme électrodes et le PDMS comme diélectriques ; les tests de performance ont démontré que l'échantillon avait non seulement une sensibilité élevée et une large plage de mesure dynamique, mais également une bonne stabilité et répétabilité. De plus, l'échantillon montre sa capacité à détecter les mouvements humains tels que la flexion des articulations, le tapotement des doigts et la parole ; en outre, un réseau 8 × 8 de FPS capacitifs avec une taille de pixel de 2 mm × 2 mm a été fabriqué, et les résultats ont montré que le réseau a une sensibilité élevée, un effet de diaphonie négligeable et un potentiel d'identification du profil d'objet. Ces tests indiquent que notre FPS capacitif sur papier AgNW a un bon potentiel pour des applications telles que la peau artificielle, la surveillance des mouvements, les dispositifs portables et l'identification d'objets.

Disponibilité des données et des matériaux

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de la présente étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Abréviations

FPS :

Capteurs de pression flexibles

AgNW :

Nanofils d'argent

M :

Mole par litre

PVP :

Polyvinylpyrrolidone

PS :

Polystyrène

Ex. :

Éthylène glycol

NaCl :

Chlorure de sodium

SEM :

Microscope électronique à balayage

UV-Vis :

Ultraviolet-visible

ΔC :

Variation de capacité

pF :

Picofarad