Capteurs de pression portables ultra-sensibles utilisant des tissus enduits de nanofils d'argent

Résumé

Les capteurs de pression flexibles attirent une attention croissante pour leurs applications potentielles dans la surveillance de la santé humaine portable et les systèmes de soins. Nous présentons ici une approche facile pour fabriquer un capteur de pression piézorésistif tout-textile avec tissus enduits de nanofils d'argent (AgNW) intégrés. Il exploite pleinement l'effet synergique des contacts multi-niveaux fibre/fil/tissu, menant à une ultra-haute sensibilité de 3,24 × 10⁵ kPa⁻¹ (0–10 kPa) et 2,16 × 10⁴ kPa⁻¹ (10–100 kPa). Le dispositif atteint un temps de réponse/relâchement rapide (32/24 ms) et une haute stabilité (> 1000 cycles charge/décharge). Ce capteur tout-textile haute performance est prometteur pour vêtements intelligents, surveillance d'activité, dispositifs de santé.

Introduction

Avec le développement récent de l'électronique portable, demande croissante capteurs pression flexibles pour applications multiples : dispositifs peau électronique, systèmes surveillance santé, robots intelligents [1–8]. Pour être viables, capteurs pression doivent exhiber excellente performance sensibilité, fournissant information exhaustive diagnostic/analyse précis.

À ce jour, nombreuses méthodes développées pour améliorer performance capteurs par optimisation nanomatériaux : nanotubes carbone (CNT) [1], nanofeuilles graphène [9], nanofils métalliques [10–19], polymères conducteurs [20], matériaux composites [21–26]. Particulièrement, nanofils argent (AgNW) largement explorés comme matériaux détection ou charges conductrices capteurs pression grâce à excellentes propriétés électriques. Exemple : Wang et al. capteur flexible basé film PU rempli AgNW, sensibilité 5,54 kPa⁻¹ < 30 Pa [27]. Ho et al. capteur transparent à fissures renforcées deux films PDMS laminés canaux microfluidiques AgNW [28]. Cependant, plupart capteurs fabriqués substrats élastiques étanches à l'air, non respirants, inconfortables port longtemps, limitant applications pratiques.

Récemment, capteurs pression base textile attirent attention pour douceur, respirabilité, biocompatibilité → durables portables long terme. AgNWs largement utilisés capteurs pression textile comme couche sensible. Structure typique : circuits flexibles couverts tissu conducteur, exploitant changement résistance contact circuits/tissus. Pression appliquée → deux films contactent → courant significatif généré. Exemple : Wei et al. capteur portable structure deux feuilles coton enduites AgNW [29]. Zhou et al. capteur électrode textile imprimée + tissu coton enduit AgNW [30]. Cependant, gamme pression limitée structure ces capteurs. Diverses structures proposées améliorer performance. Zhong et al. capteur piézorésistif ultrasensible haute flexibilité, nanofibres POE + AgNW filtration facile. Nanofibres répliquées textiles nylon motif espacements fibres différents [12]. Malgré progrès, capteur pression tout-textile ultrasensible design structure rarement rapporté.

Ici, nouvelle stratégie fabrication capteurs pression tout-textile. Solution AgNW synthétisée, tissu conducteur fabriqué trempage (dip-coating) : trempage morceaux coton dispersion AgNW. Élément détection actif = double couche coton enduit AgNW + espaceur maille coton contact initial sécurisé. Détection pression basée changement courant électrique contact couches face-à-face sous pression externe. Capteur piézorésistif tout-textile exploite pleinement effet synergique contacts multi-échelles fibre/fil/tissu → ultra-haute sensibilité 3,24 × 10⁵ kPa⁻¹ (0–10 kPa) et 2,16 × 10⁴ kPa⁻¹ (10–100 kPa). Temps réponse/relâchement rapide (32/24 ms), haute stabilité (> 1000 cycles). Applications larges : vêtements intelligents, surveillance activité, dispositifs santé.

Section expérimentale

Matériaux et méthodes

Solution AgNW synthétisée méthode hydrothermale. Solution PVP ajoutée EG ; mélange agitation 20 min → solution PVP/EG. Solutions AgNO₃/EG et NaCl/EG préparées méthode similaire. Solutions AgNO₃/EG et NaCl/EG ajoutées PVP/EG, mélange agitation, transfert autoclave. Chauffage 140 °C 2 h puis 160 °C 30 min. Refroidissement naturel température ambiante. Précipités lavés filtration centrifuge acétone/eau déionisée plusieurs fois → poudre blanche. AgNW obtenus dispersés ultrasoniquement éthanol.

Fabrication capteur pression

Capteur pression tout-textile fabriqué procédé « trempage-séchage » [31] (Fig. 1). Tissus coton nettoyés eau DI et éthanol anhydre 15 min chacun. Tissus trempés solution AgNW 20 min, séchage 90 °C 10 min (Fig. 1a). Électrodes cuivre fixées surface tissus enduits AgNW pâte argent, séchage 90 °C 1 h. Espaceurs maille coton différents diamètres trous fabriqués gravure laser (Fig. 1b). Assemblage double couche tissu détection + espaceur maille coton face-à-face (Fig. 1c).

Caractérisation

Images MEB morphologie surfaces tissus enduits AgNW : GeminiSEM 500 (ZEISS, New York, USA) 5 kV. Réponse courant capteurs pression : multimètre source numérique (Keithley 4200, USA) mesuré jauge force numérique (SJS-500V, Chine).

Résultats et discussion

Fig. 2 : images MEB morphologie tissus enduits AgNW différents grossissements. Fig. 2a : fils coton empilés naturellement structure poreuse. Surface externe tissu recouverte AgNW (Fig. 2b), nanofils uniformément enroulés fibres. Particulièrement, entre fils voisins, espaces vides pontés réseaux conducteurs AgNW attachés (Fig. 2c). Noter : fils longs uniformes observés entre fils adjacents, diamètre moyen AgNW ~55 nm. Fig. 2d : AgNW homogènes zone principale surface fil, déconnectés points certains cause adhérence faible. Distance entre nanofils adhérents fil individuel relativement plus grande que nanofils entre fils voisins.

Densité AgNW surface tissus ajustée cycles trempage. Tissu 1 cycle et 5 cycles Fig. S1 et Fig. 2d. Comparé haute densité, espacements maille nanofils 1 cycle augmentés <1 à 2–4 μm.

Composition tissu enduit AgNW investiguée spectroscopie rayons X dispersion énergie (EDS), inset Fig. S2. Outre C et O (principalement coton), élément Ag observé → distribution AgNW coton.

Principe détection capteur pression Fig. 3a, images MEB coupe transversale capteur différentes pressions Fig. 3b–e. État décharge : résistance initiale grande, due AgNW non-contact tissus (Fig. 3b). Pression appliquée : contacts fibre-échelle croissants nanofils tissus adjacents → diminution résistance (Fig. 3c). Nanofils tissus contactés complètement → pression continue charge fibres → contacts fil-échelle augmentés. Fig. 3d : longueur fils direction Y réduite ~200 à 160 μm, confirmant compression entre fils. Selon images MEB coupe, AgNW formés surface fil et à l'intérieur fils adjacents (Fig. S3). Pression appliquée + compression fils → AgNW à l'intérieur fils contactent → réduction résistance capteur. Pression croissante → tissus voisins compressés (Fig. 3e) ; contacts tissu-échelle réduisent résistance capteur par surface contact accrue tissus face-à-face. Épaisseur totale double couche réduite 600→350 μm. Détection pression capteurs déterminée effet synergique contacts multi-échelles fibre/fil/tissu. Images MEB coupe confirment mécanisme détection.

Fig. 4a : courbes courant-tension capteur différentes pressions. Pression 0→100 kPa → résistance capteur diminue. Réponse capteur stable, suit loi Ohm [32]. Courant capteur Fig. 4b : relativement constant différentes pressions → réponse capteur stable. Excellente stabilité électrique applications potentielles.

Performance capteurs pression : variations courant relatif (ΔI/I₀) vs pression différents cycles trempage AgNW et diamètres trous maille Fig. 4c, d. Sensibilité définie S = (ΔI/I₀)/P (P = pression appliquée). Diamètre trou maille 0,25 mm : sensibilité fortement dépendante cycles trempage AgNW. Sensibilité améliorée 2,12 × 10³ → 1,98 × 10⁵ kPa⁻¹ (0–10 kPa) cycles 1→5. Sensibilité 764 → 1,12 × 10³ kPa⁻¹ (10–100 kPa). Amélioration sensibilité cycles trempage élevés due augmentation densité AgNW.

Dépendance diamètre trou caractérisée. Capteurs 5 cycles trempage : sensibilités croissantes diamètres croissants : 1,12 × 10³, 9,88 × 10³, 2,16 × 10⁴ kPa⁻¹ (10–100 kPa). Amélioration due surface contact accrue trous plus grands. Diamètre >1 mm avec 4 cycles : interface initiale tissus face-à-face plus contact état décharge → résistance contact significativement abaissée (Fig. S6). Épaisseur espaceur coton changée → performances dégradées (Fig. S7). Épaisseur faible → diminution ΔI/I₀ contact tissus face-à-face état initial (Fig. S7a). Épaisseur élevée → contact tissus réduit. Épaisseur 1 mm → AgNW tissus non contact avant pression >10 kPa (Fig. S7c).

Notable : capteur présente deux segments linéaires courant ; sensibilité augmente fortement basse pression, progressivement haute pression. Selon principe détection : basse pression → contact AgNW adjacents rôle important courant accru. Pression 10–15 kPa → AgNW interface contactés complètement. Changements courant principalement déterminés résistance contact fils/tissus, relativement stable. Contacts échelle fil/tissu rôle plus significatif mécanisme détection cycles trempage 5× diamètre 0,75 mm améliorant sensibilité et gamme linéaire. Diamètre 0,75 mm (Fig. 4d) sensibilité plus élevée et gamme linéaire plus large par contact accru [33, 34].

Réponse dynamique dispositif étudiée cycles charge/décharge. Réponse immédiate pressions cycliques. Temps réponse/relâchement quantifiés analyse temps-réponse (Fig. 5a). Temps mesurés : 32 ms réponse, 24 ms relâchement. Performance différentes pressions Fig. S8. Capteur distingue pression subtile 50 Pa → excellente performance. ΔI/I₀ pression 10 kPa 1000 cycles charge vérifie répétabilité (Fig. 5b). Résultats : excellente stabilité. Perméabilité air coton normal et coton enduit AgNW investiguée. Perméabilité réduite 787,3 → 252,6 mm/s, encore bien supérieure valeurs rapportées récemment [35, 36]. Capteurs portables base tissus enduits nanofils argent conservent bonne perméabilité air grâce haute porosité.

Flexibilité naturelle tissus + haute sensibilité capteurs → portable, détection signaux physiologiques pouls, fréquence respiratoire. Dispositif poignet bande adhésive surveillance pression pouls. Fig. 5c : données temps réel, pouls ~72 battements/min. Capteur aussi masque détection respiration. Fig. 5d : fréquence respiratoire normale 10 respirations/min adulte, onde carrée respiration normale. Largeur bande onde = temps maintien respiration. Résultats : capteur haute sensibilité/supériorité grand potentiel dispositifs santé portables.

Conclusion

Ce travail : AgNW fabriqués méthode hydrothermale, morphologie caractérisée/analysée. Capteur pression tout-textile fabriqué insertion espaceur maille coton entre double couche coton enduit AgNW. Effet collectif contacts multi-échelles fibre/fil/tissu → sensibilité extrême (3,24 × 10⁵ kPa⁻¹ 0–10 kPa, 2,16 × 10⁴ kPa⁻¹ 10–100 kPa), temps réponse/récupération rapide (32/24 ms), haute stabilité (1000 cycles), large gamme pression (0–100 kPa). Surveillance signaux physiologiques (pression pouls) démontrée avec succès. Méthode fabrication facile/efficace → capteur pression ultrasensible promouvra large applications développement prochaine génération : vêtements intelligents, surveillance activité, dispositifs santé.

Disponibilité des données et matériaux

Les auteurs déclarent matériaux et données disponibles lecteurs, toutes conclusions basées données présentées/montrées dans cet article.

Abréviations

CNTs :

Nanotubes de carbone

AgNW :

Nanofil d'argent

PVP :

Polyvinylpyrrolidone

EG :

Éthylène glycol

NaCl :

Chlorure de sodium

DI :

Eau déionisée

MEB :

Microscope électronique à balayage

EDS :

Spectroscopie rayons X à dispersion d'énergie