Sensor tekanan fleksibel (FPS) telah menunjukkan aplikasi luas dalam robotika buatan, perangkat yang dapat dikenakan, kulit elektronik, dan sistem biomedis; namun, prosedur rumit seperti micromachining dan micromolding sering kali dilibatkan untuk mencapai kinerja sensor yang tinggi. Dalam karya ini, FPS kapasitif baru disiapkan dengan menggunakan substrat kertas perak nanowire (AgNW) sebagai elektroda dan polydimethylsiloxane (PDMS) sebagai dielektrik, dan hasilnya mengungkapkan bahwa sensitivitas dan rentang dinamis dari sensor yang disiapkan adalah 1,05 kPa −1 dan 1 Pa hingga 2 kPa, masing-masing, yang sebanding dengan yang canggih; pengukuran aplikasi praktis lebih lanjut menunjukkan bahwa FPS kapasitif mampu mendeteksi tekukan, ketukan jari, dan ucapan manusia serta mengidentifikasi profil objek; oleh karena itu, ini menunjukkan potensi yang baik untuk diterapkan pada kulit buatan dan perangkat yang dapat dikenakan.
Berkat fleksibilitas dan kemudahan integrasinya ke permukaan melengkung seperti tubuh manusia, sensor tekanan fleksibel (FPS) telah menerima perhatian luar biasa dan menunjukkan potensi besar untuk aplikasi pada perangkat yang dapat dikenakan [1, 2], kulit elektronik [3, 4], sistem biomedis [5], dan deteksi gerakan manusia [6,7,8,9]; banyak struktur dan mekanisme seperti transistor efek medan [10, 11], kapasitor [2, 12], efek piezoelektrik [13,14,15,16], dan efek piezoresistansi [17,18,19] telah diusulkan untuk direalisasikan FPS; di antaranya, FPS kapasitif menjadi semakin menarik karena strukturnya yang sederhana [20], rentang dinamis yang besar [21], dan stabilitas yang baik [22]. Dalam hal bahan yang digunakan dalam FPS, polydimethylsiloxane (PDMS) adalah bahan yang sangat baik karena fleksibilitas yang baik, kepatuhan biomedis dengan jaringan manusia, dan sifat dielektrik, dan karenanya sering digunakan sebagai bahan struktural di FPS serta sensor fleksibel lainnya. [23,24,25]; dalam FPS kapasitif, PDMS sering digunakan sebagai lapisan dielektrik [20, 26] dan substrat elektroda [2, 21]. Ketika datang ke lapisan konduktor listrik di FPS, kawat nano perak (AgNWs), yang memiliki potensi besar dan telah banyak digunakan dalam elektronik fleksibel seperti sel surya [27,28,29,30,31,32] dan pemanas film [33] , 34] karena sifat listrik, optik, dan mekaniknya yang sangat baik, sering digunakan bersama dengan PDMS; misalnya, Chen dkk. [35] menyiapkan film komposit kawat nano perak (AgNWs)/(PDMS) dengan menanamkan sebagian AgNWs di lapisan PDMS untuk membuat permukaan kasar, dan perangkat sensor yang dibuat mampu mencapai sensitivitas tiga kali lipat menggunakan elektroda film logam biasa. Yao dkk. [2] pertama-tama mencapai garis AgNW paralel pada silikon melalui topeng bayangan PDMS yang telah berpola; kemudian, mereka melemparkan PDMS cair ke substrat silikon AgNW; dengan mengupas PDMS setelah disembuhkan selama 12 jam, elektroda PDMS tertanam AgNW diperoleh; akhirnya, FPS kapasitif dibuat yang berhasil mendeteksi gerakan ibu jari, ketegangan sendi lutut, dan gerakan manusia lainnya.
Untuk mencapai sensitivitas tinggi FPS kapasitif, biasanya diperlukan untuk menghasilkan pola mikro di lapisan dielektrik dan/atau elektroda, dan prosedur yang rumit, seperti micromachining [2, 35, 36] serta micromolding [7, 21, 26], adalah sering terlibat; misalnya, Bao et al. [26] menciptakan pola piramida terbalik dalam silikon dan kemudian mentransfer pola tersebut ke PDMS dengan mencornya pada cetakan silikon; pola piramida karena itu diproduksi di PDMS. Li dkk. [21] juga menggunakan teknik pencetakan untuk membuat struktur terbalik permukaan teratai pada PDMS yang terjadi dengan mendepositkan lapisan emas tipis sebagai elektroda, dan FPS kapasitif dibuat dengan menggunakan mikrosfer polistirena (PS) sebagai lapisan dielektrik yang diapit oleh dua elektroda PDMS . Dalam karya ini, prosedur yang lebih sederhana diusulkan dengan menggunakan kertas cetak biasa yang diendapkan dengan AgNWs sebagai substrat elektroda, dan FPS kapasitif kinerja tinggi dibangun dengan menggunakan PDMS sebagai lapisan dielektrik yang dilaminasi dengan substrat kertas AgNW di kedua sisi; hasil pengujian menunjukkan bahwa sensitivitas dan rentang dinamis perangkat adalah 1,05 kPa −1 dan 1 Pa sampai 2 kPa; selain itu, ia mampu mengidentifikasi bentuk objek, ketukan jari, dan getaran yang disebabkan oleh suara, menunjukkan potensi yang baik untuk kulit buatan dan perangkat yang dapat dikenakan.
AgNWs disintesis dengan metode hidrotermal:pertama, 0,3 mol per liter (M) larutan polivinil pirolidon (PVP) (berat molekul 30000)/etilen glikol (EG) dibuat dengan menambahkan 0,2 g PVP ke dalam 6 ml EG, dan campurannya diaduk selama 20 min; demikian pula, larutan 0,1 M AgNO3 /EG dan 0,01 M natrium klorida (NaCl)/EG juga disiapkan. Kedua, solusi AgNO3 /EG dan NaCl/EG ditambahkan ke dalam PVP/EG dan diaduk sampai diperoleh larutan yang seragam, yang kemudian dipindahkan ke lapisan Teflon dan dimasukkan ke dalam ketel reaksi; ketel dipanaskan hingga 140 °C selama 2 jam dan kemudian hingga 160 °C selama 30 menit untuk pertumbuhan AgNWs; setelah ketel didinginkan secara alami hingga suhu kamar, AgNWs dalam bentuk bubuk putih diperoleh dengan mencuci dan menyaring produk secara sentrifugal secara berurutan dengan aseton dan air deionisasi selama tiga kali. Terakhir, AgNW yang diperoleh didispersikan secara ultrasonik dalam 100 ml etanol untuk preparasi film AgNW.
Teknik persiapan termasuk penyemprotan airbrush, pelapisan spin, dan pelapisan rendam digunakan untuk film AgNWs, dan hasil eksperimen mengungkapkan bahwa penyemprotan airbrush memiliki keuntungan efisiensi tinggi, keseragaman yang baik, dan kepatuhan; rincian preparasi film AgNW adalah sebagai berikut:kertas cetak bersih dengan ukuran 20 mm × 20 mm digunakan sebagai substrat yang diletakkan di atas hotplate pada suhu 100 °C; diameter port keluar airbrush adalah 0,5 mm, jarak antara airbrush dan substrat adalah 150 mm; tekanan preset airbrush adalah 0,1 MPa; AgNW dengan ketebalan dan hambatan listrik yang berbeda dapat diperoleh dengan menyesuaikan waktu penyemprotan; setelah deposisi, substrat disimpan di atas hotplate selama 1 jam untuk menghilangkan PVP di sekitar AgNW sepenuhnya. PDMS dibuat dari prekursor Sylgard 184 (Dow Corning). Pertama, bahan utama dan bahan pengawet dari prekursor dicampur dengan perbandingan massa 10:1; setelah diaduk selama 20 menit, campuran divakum selama 10 menit untuk menghilangkan gelembung selama pengadukan; kemudian, itu spin-coated pada substrat kaca dibersihkan dengan hati-hati. Substrat kemudian dianil pada suhu 65 °C selama 2 jam untuk membentuk PDMS yang diawetkan, dan film PDMS yang berdiri sendiri akhirnya dapat diperoleh dengan mengupasnya dari substrat kaca.
FPS kapasitif tipe sandwich (Gbr. 1) dibuat dengan menggunakan dua substrat kertas AgNW yang digunakan sebagai elektroda dan PDMS sebagai dielektrik; sinyal listrik diekstraksi oleh dua kabel tembaga, yang direkatkan pada elektroda dengan cat perak konduktif; akhirnya, sensor dikemas dengan pita transparan.
a Struktur FPS kapasitif berbasis kertas AgNW dan mekanisme yang disederhanakan. b Platform uji untuk FPS kapasitif
Morfologi permukaan AgNWs dan kertas dicirikan dengan pemindaian mikroskop elektron (SEM) (tipe Inspect F50, FEI, US); Uji spektroskopi sinar ultraviolet (UV-Vis) (SHIMAZU 1700, Jepang) dilakukan untuk menganalisis komposisi AgNW; untuk uji sensor, platform stimulasi tekanan dibangun berdasarkan pengukur gaya (HP-5, Yueqing Handpi Instruments Co., Ltd, China); sirkuit berosilasi buatan sendiri berdasarkan model timer LM555 dirancang untuk mengubah variasi kapasitansi ke frekuensi satu; akuisisi data direalisasikan pada komputer pribadi melalui multimeter Keithley2700 (Keithley, USA).
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a, foto SEM menunjukkan bahwa AgNW yang disiapkan memiliki bentuk panjang dan tipis yang seragam dengan diameter sekitar 100 nm, dan tidak ada pengotor yang ditemukan dalam film; Gambar 2b menyiratkan bahwa film memiliki kerapatan yang relatif tinggi yang akan membantu untuk mencapai elektroda yang sangat konduktif dari FPS kapasitif. Untuk menyelidiki lebih lanjut kemurnian AgNWs, spektrum UV-Vis diuji seperti yang diberikan pada Gambar. 3. Ini dengan jelas menunjukkan bahwa dua puncak pada 355 nm dan 380 nm muncul di kurva penyerapan, yang disebabkan oleh resonansi plasmon transversal dan longitudinal dari AgNWs; puncak atau noise karakter lain juga akan muncul jika pengotor seperti AgCl, AgNO3 , atau nanopartikel perak ada di film; oleh karena itu, spektrum UV-Vis lebih lanjut membuktikan bahwa AgNW berkualitas tinggi berhasil disintesis.
a –d Foto SEM film dan kertas AgNW
Spektrum UV-Vis dari AgNWs
Gambar 4 memberikan hasil uji respon sampel; seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a, kurva respons kira-kira dapat dibagi menjadi dua bagian linier di seluruh rentang tekanan, yaitu, bagian yang sangat sensitif pada tekanan rendah dan bagian yang sensitif rendah pada tekanan tinggi dengan titik balik terletak di 2 KPa. Fenomena ini umum untuk FPS kapasitif terutama berdasarkan PDMS [21, 22] yang dapat diartikan sebagai berikut:PDMS memiliki batas elastisnya; karena tekanan yang diterapkan rendah, PDMS menunjukkan elastisitas yang baik, regangan yang besar dapat dihasilkan, dan variasi kapasitansi yang besar (ΔC ) karena itu dapat diharapkan; ketika tekanan yang diterapkan menjadi cukup besar, PDMS menjadi sangat padat sehingga tidak cukup elastis lagi, tidak ada regangan yang jelas dapat dihasilkan lagi oleh tekanan yang diberikan, dan dengan demikian, hanya sensitivitas sensor yang rendah yang dapat dicapai, dan sebagai akibatnya, hanya rentang sensitivitas tinggi yang digunakan untuk pengukuran. Dari data pada Gambar 4a, dapat dihitung bahwa sampel FPS kapasitif memiliki sensitivitas setinggi 1,05 KPa −1 , nilai ini lebih baik daripada yang dilaporkan di sebagian besar literatur [12, 26, 37,38,39] dan sebanding dengan hasil FPS kapasitif berbasis AgNWs / PDMS mikro dalam pekerjaan kami sebelumnya [22], sementara prosedur fabrikasi jauh lebih lebih sederhana. Mekanisme di balik kinerja yang baik ini dapat dikaitkan dengan sifat morfologis kertas; seperti yang ditampilkan pada Gambar. 2c dan d, foto SEM kertas mengungkapkan bahwa sejumlah besar alur dan rongga mikro ada di atas kertas, karena sulit untuk mengompresi udara dalam alur dan rongga mikro; udara kemudian akan bergerak ke bawah dan membuat banyak lekukan di AgNW ketika tekanan luar diterapkan; indentasi ini akhirnya akan ditransfer ke film PDMS karena fleksibilitas yang tinggi dari AgNW dan PDMS; dan sebagai hasilnya, area ekivalen elektroda meningkat serta jarak di antara keduanya berkurang, yang keduanya berguna untuk mencapai variasi kapasitansi yang lebih besar. Karakterisasi yang lebih spesifik dari kinerja sensor dalam rentang tekanan yang sangat rendah dilakukan seperti yang disajikan pada Gambar. 4b. Dapat dilihat dengan jelas bahwa sampel mampu merespons tekanan serendah 1 Pa, menunjukkan sensitivitasnya yang tinggi; juga, ia dapat sepenuhnya pulih ke nilai awalnya setelah diturunkan dari setiap tekanan, yang mencerminkan stabilitasnya yang baik dan kecepatan respons yang cepat. Gambar 4c memberikan hasil pengujian pengulangan jangka pendek dimana sensor mengalami penekanan (81 Pa) dan pelepasan secara terus menerus selama 500 periode. Kurva respons yang diperbesar di awal dan akhir menunjukkan tren yang sangat mirip, yang selanjutnya menyiratkan stabilitas dan pengulangan sampel yang baik. Selanjutnya, uji pengulangan jangka panjang dilakukan setelah 1 bulan; seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a, respons sampel pada rentang tekanan rendah tidak berubah setelah 1 bulan; di sisi lain, meskipun respons tekanan tinggi mengalami penurunan yang jelas, seperti yang disebutkan di atas, ini tidak akan memengaruhi kinerja sensor. Gambar 4d membandingkan kinerja sampel sebelum dan sesudah 1 bulan pada beberapa nilai tekanan tertentu; lebih lanjut mengungkapkan bahwa tidak ada degradasi perangkat yang dapat ditemukan pada tekanan rendah; di sisi lain, meskipun respons pada tekanan tinggi menurun, tidak menunjukkan variasi di bawah tekanan konstan, yang menunjukkan stabilitas sampel yang masih baik.
Uji respons FPS kapasitif berbasis kertas AgNW:a hubungan tekanan-kapasitansi dalam rentang tekanan yang besar, b respon pada tekanan rendah, c tes berulang dalam waktu singkat, dan d kinerja penuaan setelah satu bulan
Untuk menyelidiki kepraktisan FPS kapasitif berbasis kertas AgNW, beberapa tes terkait kehidupan nyata dilakukan. Gambar 5a memberikan hasil uji lentur; teta sudut tekuk, seperti yang ditunjukkan pada sisipan, didefinisikan sebagai sudut yang disertakan yang dibentuk oleh dua garis yang bersinggungan dengan sensor tekuk di kedua ujungnya. Ini menunjukkan bahwa sampel sangat sensitif terhadap pembengkokan dan semakin tekuk sampel, semakin besar kapasitansinya; lebih jauh, kurva kapasitansi-theta menarik memiliki hubungan yang hampir linier, yang memberikan sampel potensi yang baik untuk pengukuran status lentur sendi tubuh manusia. Gambar 5b menunjukkan sensor dapat dengan jelas mendeteksi gerakan klik dua kali; tekanan selama klik dapat menghasilkan variasi kapasitansi sebanyak 700 pF, satu kali lebih besar dari nilai awalnya; selanjutnya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5c, sensor dapat mengidentifikasi setiap suku kata yang dikatakan oleh peneliti dan menunjukkan sensitivitas tinggi dan pengulangan yang sangat baik. Untuk mengeksplorasi lebih lanjut potensi FPS kapasitif, susunan 8 × 8 FPS kapasitif kertas AgNW dibuat seperti yang digambarkan pada Gambar. 5d; garis elektroda dibentuk dengan menyemprotkan AgNW melalui topeng keras dan ukuran pikselnya adalah 2 mm × 2 mm. Gambar 5e menunjukkan bahwa array dapat dengan mudah mendeteksi ujung pensil, dan karena ujungnya cukup kecil, piksel tetangga tidak terpengaruh sama sekali, menunjukkan efek crosstalk yang dapat diabaikan; selain itu, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5, setelah peluru buatan plastisin ditempatkan pada susunan, ia mampu mengenali bentuk peluru; khususnya, hasil pemetaan menyiratkan bahwa sebagian besar massa peluru terletak di dua baris tengah, sedangkan kolom piksel kedua di sebelah kiri memiliki sinyal terkecil karena massa kecil di kepala peluru.
Aplikasi FPS kapasitif berbasis kertas AgNW:a uji lentur, b tes ketuk jari, c tes suara, d 8 × 8 array FPS kapasitif berbasis kertas AgNW, e deteksi ujung pensil, f deteksi bentuk peluru buatan tangan dari plastisin
Dengan menggunakan kertas biasa sebagai substrat, AgNW dibuat melalui teknik sintesis hidrotermal. Hasil karakterisasi SEM dan UV-Vis menunjukkan bahwa AgNW memiliki ukuran yang seragam, rasio panjang terhadap diameter yang besar, dan kemurnian yang tinggi, yang diinginkan untuk fleksibilitas dan konduktivitas listrik AgNW yang baik. Sampel FPS kapasitif disiapkan dengan menggunakan substrat kertas AgNW sebagai elektroda dan PDMS sebagai dielektrik; tes kinerja menunjukkan bahwa sampel tidak hanya memiliki sensitivitas tinggi dan rentang pengukuran dinamis yang besar, tetapi juga stabilitas dan pengulangan yang baik. Selain itu, sampel menunjukkan kemampuannya dalam mendeteksi gerakan manusia seperti menekuk sendi, mengetuk jari, dan berbicara; selanjutnya, array 8 × 8 FPS kapasitif dengan ukuran piksel 2 mm × 2 mm telah dibuat, dan hasilnya menunjukkan bahwa array memiliki sensitivitas tinggi, efek crosstalk yang dapat diabaikan, dan potensi untuk identifikasi profil objek. Pengujian ini menunjukkan FPS kapasitif kertas AgNW kami memiliki potensi yang baik untuk aplikasi seperti kulit buatan, pemantauan gerakan, perangkat yang dapat dikenakan, dan identifikasi objek.
Kumpulan data yang digunakan dan/atau dianalisis selama studi saat ini tersedia dari penulis terkait atas permintaan yang wajar.
Sensor tekanan fleksibel
Kawat nano perak
Mol per liter
Polivinil pirolidon
Polistirena
Etilen glikol
Natrium klorida
Pemindaian mikroskop elektron
Terlihat ultraviolet
Variasi kapasitansi
Picofarad
bahan nano
Abstrak Rangkaian sensor 4 × 4 yang fleksibel dengan 16 unit kapasitif skala mikro telah didemonstrasikan berdasarkan film fleksibel piezoelektrik poli(vinilidena fluorida) (PVDF). Piezoelektrik dan morfologi permukaan PVDF diperiksa dengan pencitraan optik dan mikroskop kekuatan piezoresponse (PFM
Abstrak Metode hidrotermal untuk mensintesis kawat nano tembaga ultrapanjang dan tipis (CuNWs) dengan diameter rata-rata 35 nm dan panjang rata-rata 100 μ m ditunjukkan dalam makalah ini. Bahan baku yang dimaksud antara lain kopri (II) klorida dihidrat (CuCl2 ·2H2 O), octadecylamine (ODA), dan asam
Abstrak Elektroda konduktif transparan fleksibel adalah komponen penting untuk perangkat optoelektronik fleksibel dan telah dipelajari secara ekstensif dalam beberapa tahun terakhir, sementara sebagian besar penelitian berfokus pada elektroda itu sendiri, beberapa topik dalam materi hijau dan daur
Jika Anda memiliki sistem dehumidifier yang rusak, rumah Anda akan memiliki pertumbuhan jamur yang luas, mempertaruhkan kesehatan dan nilai properti keluarga Anda. Selain itu, sensor suhu dan kelembaban yang tidak berfungsi dapat menyebabkan dehumidifier rusak. Namun, pinout DHT22 dapat membantu dal
