Sensor Tekanan Fleksibel Kapasitif Berbasis Kertas Sensitif Tinggi untuk Aplikasi Wearable dan Kulit Buatan
Abstrak
Sensor tekanan fleksibel (FPS) sangat penting dalam robotika, wearable, kulit elektronik, dan diagnosis medis. FPS berkinerja tinggi tradisional seringkali bergantung pada langkah mikromesin atau mikropengecoran yang kompleks. Di sini, kami memperkenalkan FPS kapasitif yang sederhana dan dapat diskalakan yang menggunakan kertas yang dilapisi nanocaw perak (AgNW) sebagai substrat elektroda dan polidimetilsiloksan (PDMS) sebagai dielektrik. Sensor yang dihasilkan memberikan sensitivitas 1,05 kPa⁻¹ dan rentang dinamis dari 1 Pa hingga 2 kPa—metrik yang cocok atau melebihi perangkat terdepan. Uji dunia nyata menunjukkan deteksi yang dapat diandalkan untuk membungkaran, ketukan jari, dan getaran yang diinduksi suara, menyoroti janjinya untuk kulit buatan dan teknologi wearable.
Pendahuluan
Fleksibilitas dan integrasi yang mulus dengan permukaan lengkung telah menempatkan FPS di garis depan elektronik wearable, kulit robotik, dan pemantauan medis (refs 1–9). Meskipun mekanisme transistor lapangan efektif, piezoelektrik, dan piezoresistif ada, FPS kapasitif telah muncul sebagai yang paling menarik karena arsitektur yang sederhana, rentang dinamis yang luas, dan stabilitas jangka panjang yang luar biasa (refs 20–22). PDMS, yang dikenal karena fleksibilitas, biokompatibilitas, dan kekuatan dielektrik, sering digunakan sebagai dielektrik dan lapisan struktural dalam FPS kapasitif (refs 20,26,23–25). Nanocaw perak (AgNW) menggabungkan konduktivitas listrik yang luar biasa, transparansi optik, dan ketahanan mekanis, menjadikannya ideal untuk elektroda fleksibel dalam berbagai perangkat seperti sel surya dan pemanas (refs 27–34). Karya sebelumnya telah mengintegrasikan AgNW dengan PDMS, mencapai sensitivitas yang ditingkatkan dengan menyematkan AgNW dalam matriks polimer (refs 35–2). Namun, banyak FPS berkinerja tinggi masih memerlukan mikro-pola atau pengecoran lapisan dielektrik yang rumit (refs 2,35,36,7,21,26). Pendekatan kami melewati kompleksitas ini dengan menggunakan kertas cetak standar yang dilapisi AgNW sebagai elektroda dan melaminasi PDMS di kedua sisi, menghasilkan sensor dengan sensitivitas tinggi, rentang dinamis yang luas, dan ketahanan mekanis yang kuat.
Metode
Persiapan AgNW, Film AgNW, Film PDMS, dan FPS Kapasitif
AgNW disintesis melalui rute hidrotermal. Larutan PVP/etilen glikol (EG) 0,3 M (0,2 g PVP dalam 6 mL EG, diaduk 20 menit) dicampur dengan 0,1 M AgNO₃/EG dan 0,01 M NaCl/EG. Larutan gabungan dipindahkan ke reaktor yang dilapisi Teflon, dipanaskan hingga 140 °C selama 2 jam dan kemudian hingga 160 °C selama 30 meni, menghasilkan bubuk AgNW putih setelah pencucian dan sentrifugasi berulang dengan aseton dan air deion. Produk akhir disperdi dalam 100 mL etanol untuk pembuatan film.
Film AgNW dibuat dengan penyemprotan udara pada substrat kertas 20 mm × 20 mm yang dibersihkan dan dipanaskan hingga 100 °C. Nozzle 0,5 mm pada jarak 150 mm dan tekanan 0,1 MPa digunakan; variasi durasi penyemprotan menyesuaikan ketebalan film dan resistansi. Setelah deposit, substrat tetap di atas hotplate selama 1 jam untuk menghilangkan sisa PVP. PDMS (Sylgard 184) dicampur dengan rasio agen pemulih 10:1, diaduk 20 menit, di-degas 10 menit, spin-coated pada slide kaca yang dibersihkan, dan dikurasi pada 65 °C selama 2 jam. Film PDMS bebas yang dihasilkan dikupas.
FPS kapasitif tipe sandwich (Gambar 1) dirakit dengan menempatkan dua elektroda kertas AgNW di kedua sisi dielektrik PDMS. Kunci tembaga ditempel dengan cat perak konduktif, dan sensor diapil dengan tape transparan.
Karakterisasi dan Pengujian
Morfologi permukaan diperiksa dengan SEM FEI Inspect F50. Spektrum UV-Vis (Shimadzu 1700) menilai kemurnian AgNW. Sensor dievaluasi pada platform tekanan kustom yang dilengkapi dengan pengukur gaya (HP-5) dan osilator LM555 buatan sendiri yang menerjemahkan perubahan kapasitansi menjadi frekuensi. Pengakuisisi data menggunakan multimeter Keithley 2700.
Hasil dan Pembahasan
Citra SEM (Gambar 2a) mengungkapkan AgNW yang seragam, panjang, dan tipis (~100 nm diameter) dengan kotoran minimal, mengonfirmasi nanocaw berkualitas tinggi. Spektrum UV-Vis (Gambar 3) menunjukkan puncak plasmon khas pada 355 nm dan 380 nm, yang lebih memvalidasi kemurnian.
Pengukuran kapasitansi-tekanan (Gambar 4a) menunjukkan dua regime linier: zona tekanan rendah yang sangat sensitif dan zona tekanan tinggi dengan sensitivitas lebih rendah, dengan transisi pada ~2 kPa. Sensitivitas puncak sensor 1,05 kPa⁻¹ melampaui sebagian besar perangkat yang dilaporkan (refs 12,26,37–39) sambil mempertahankan proses pembuatan yang sederhana. Mekanisme yang mendasarinya berasal dari struktur celuruk mikro kertas; tekanan yang diterapkan memaksa air masuk ke dalam celuruk, menginduksi indentasi dalam jaringan AgNW yang memperluas area elektroda efektif dan mengurangi jarak antar elektroda—kedua hal meningkatkan perubahan kapasitansi.
Uji tekanan rendah (Gambar 4b) mengonfirmasi deteksi hingga 1 Pa dengan pemulihan penuh, menunjukkan stabilitas yang sangat baik dan respons cepat. Keulangan jangka pendek selama 500 siklus pada 81 Pa (Gambar 4c) menunjukkan drift yang dapat diabaikan, dan penuaan jangka panjang setelah satu bulan (Gambar 4d) menunjukkan respons tekanan rendah yang tidak berubah, dengan penurunan yang modest pada tekanan tinggi yang tidak mempengaruhi performa keseluruhan.
Demonstrasi praktis menyoroti keasampanan sensor: (i) uji membungkaran (Gambar 5a) mengungkapkan kurva kapasitansi-sudut yang hampir linier, memungkinkan pemantauan sudut sendi yang presisi; (ii) deteksi ketukan jari (Gambar 5b) mencatat lonjakan ~700 pF per klik; (iii) sensing getaran yang diinduksi suara (Gambar 5c) membedakan suku kata individu dengan keulangan yang tinggi. Array 8 × 8 piksel (Gambar 5d) yang dibuat dengan ukuran piksel 2 mm × 2 mm berhasil memetakan upeh pensil dan peluru plastisin, menunjukkan crosstalk yang dapat diabaikan dan pengenalan bentuk yang jelas.
Kesimpulan
Dengan memanfaatkan AgNW yang tumbuh hidrotermal pada kertas biasa dan lapisan dielektrik PDMS, kami menghasilkan FPS kapasitif yang menggabungkan sensitivitas tinggi (1,05 kPa⁻¹), rentang dinamis yang luas (1 Pa–2 kPa), dan stabilitas yang luar biasa. Sensor secara terpercaya mendeteksi gerakan manusia—membungkaran, ketukan, dan ucapan—dan array 8 × 8 menunjukkan crosstalk rendah dan pengenalan bentuk objek. Atribut ini menekankan kesesuaian platform untuk kulit buatan, pemantauan gerakan, wearable, dan identifikasi objek taktil.
