Sensor Tekanan yang Dapat Dipakai Ultrasensitif Berdasarkan Kain Berlapis Nanowire Perak

Hasil dan Diskusi

Gambar 2 menunjukkan gambar SEM morfologi kain berlapis AgNWs dengan perbesaran yang berbeda. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 2a, benang kapas dilapisi secara alami dengan struktur berpori. Permukaan terluar dari kain ditutupi oleh AgNWs (Gbr. 2b), di mana kawat nano dibungkus secara seragam pada serat. Khususnya, di antara benang tetangga, ada jarak kosong yang dijembatani oleh jaringan konduktif AgNW yang terpasang (Gbr. 2c). Untuk diperhatikan, kabel panjang dan seragam diamati di antara benang yang berdekatan, dan diameter rata-rata AgNW adalah sekitar 55 nm. Pada Gambar 2d, AgNW terbentuk secara homogen di area utama permukaan benang, sementara terputus di beberapa titik karena adhesi yang buruk. Lebih jauh lagi, jarak antara kawat nano yang menempel pada masing-masing benang relatif lebih besar daripada jarak antara kawat nano di antara benang yang berdekatan.

Morfologi kain berlapis AgNWs. a –d Gambar SEM morfologi permukaan kain berlapis AgNWs dengan posisi AgNWs yang berbeda dan perbesaran yang berbeda, di mana c adalah gambar SEM dari AgNWs antara benang dan d AgNWs dilapisi pada serat tunggal

Juga, kepadatan AgNW pada permukaan kain disesuaikan dengan waktu siklus pelapisan celup. Kain berlapis AgNWs dengan 1 siklus celup dan 5 siklus celup masing-masing ditunjukkan pada Gambar S1 dan Gambar 2d. Dibandingkan dengan yang berdensitas tinggi, jarak nanowire mesh dari 1 siklus celup ditingkatkan dari di bawah 1 menjadi 2–4 μm.

Komposisi kain berlapis AgNWs juga diselidiki oleh spektroskopi sinar-X dispersif energi (EDS), seperti yang diilustrasikan pada inset Gambar. S2. Selain kandungan C dan O yang sebagian besar berasal dari kapas, unsur Ag juga diamati, yang menunjukkan distribusi AgNWs pada kapas.

Prinsip penginderaan sensor tekanan ditunjukkan pada Gambar. 3a, dan gambar penampang SEM dari sensor dengan tekanan yang berbeda ditunjukkan pada Gambar. 3b-e. Dalam keadaan unloading, resistansi awal besar, yang disebabkan oleh AgNWs non-kontak pada kain (Gbr. 3b). Setelah tekanan diterapkan, peningkatan kontak skala serat dari kawat nano pada kain yang berdekatan berkontribusi pada penurunan resistensi (Gbr. 3c). Selanjutnya, ketika kawat nano pada kain dikontakkan sepenuhnya, tekanan lanjutan yang dimuat pada serat kemudian meningkatkan kontak skala benang. Seperti yang ditunjukkan Gambar 3d, panjang benang dalam Y arah berkurang dari sekitar 200 menjadi 160 μm, memastikan kompresi antara benang. Menurut gambar SEM penampang, AgNWs terbentuk baik pada permukaan benang dan di dalam benang yang berdekatan (Gbr. S3). Ketika tekanan diterapkan dan benang dikompresi, AgNW di dalam benang dapat bersentuhan dan selanjutnya mengurangi resistensi sensor. Dengan meningkatnya tekanan pemuatan, kain tetangga dikompresi (Gbr. 3e); kontak skala kain semakin mengurangi resistensi sensor karena peningkatan area kontak antara kain yang menghadap. Pada titik ini, total ketebalan kain berlapis ganda berkurang dari 600 menjadi 350 μm. Oleh karena itu, sensor tekanan sensor ditentukan oleh efek sinergis dari kontak multi-skala serat/benang/kain. Gambar SEM penampang ini lebih lanjut mengkonfirmasi mekanisme penginderaan tekanan.

Prinsip penginderaan sensor tekanan. a Ilustrasi skema penginderaan tekanan. b –e Gambar SEM penampang dari kain berlapis AgNWs di bawah tekanan yang berbeda

Pengaruh lentur pada morfologi permukaan kain berlapis AgNWs diselidiki dengan gambar SEM penampang yang ditunjukkan pada Gambar. S4. Dengan sedikit deformasi lentur, tidak ada masalah retak dan terkelupas yang jelas dari jaringan AgNWs pada kain (Gbr. S4b) dibandingkan dengan keadaan awal (Gbr. S4a). Untuk menyelidiki lebih lanjut pengaruh deformasi lentur, gambar SEM dari kain berlapis AgNWs dengan siklus tekuk 500 kali diambil dan ditunjukkan pada Gambar. S5. Gambar S5 menunjukkan banyak titik delaminasi yang berpotensi terjadi degradasi perangkat. Hasil ini menunjukkan bahwa stabilitas kain berlapis AgNWs perlu lebih ditingkatkan di masa mendatang.

Gambar 4a menunjukkan kurva arus-tegangan dari sensor tekanan di bawah tekanan yang berbeda. Ketika tekanan yang diterapkan meningkat dari 0 hingga 100 kPa, resistansi sensor berkurang. Selanjutnya, respons sensor stabil dan sesuai dengan hukum Ohm [32]. Arus sensor tekanan ditunjukkan pada Gambar. 4b, yang relatif konstan di bawah tekanan yang berbeda, mengungkapkan bahwa respons sensor stabil untuk tekanan yang berbeda. Oleh karena itu, hasilnya memberikan stabilitas listrik yang sangat baik untuk potensi penerapan sensor tekanan.

Kinerja sensor tekanan. a Kurva I-V dari sensor tekanan dengan tekanan yang berbeda. b Respon sensor saat ini di bawah tekanan yang berbeda. c , d Perbandingan kinerja sensor tekanan dengan siklus dip-coating dan diameter lubang mesh yang berbeda

Untuk menyelidiki kinerja sensor tekanan, arus relatif berubah (ΔI /Aku ₀ ) versus tekanan dengan siklus dip-coating AgNWs yang berbeda dan diameter lubang mesh ditunjukkan pada Gambar. 4c, d. Di sini, sensitivitas sensor tekanan didefinisikan sebagai S =(ΔAku /Aku ₀ )/P , di mana P menunjukkan tekanan yang diterapkan. Pada diameter lubang mesh 0,25 mm, sensitivitas sensor tekanan sangat bergantung pada siklus pelapisan celup AgNWs. Sensitivitas sensor ditingkatkan dari 2,12 × 10 ³ kPa ⁻¹ menjadi 1,98 × 10 ⁵ kPa ⁻¹ dalam kisaran 0–10 kPa saat siklus pelapisan celup meningkat dari 1 menjadi 5. Selain itu, sensitivitas meningkat dari 764 menjadi 1,12 × 10 ³ kPa ^–1 pada 10–100 kPa. Peningkatan sensitivitas dengan siklus dip-coating tinggi terutama disebabkan oleh peningkatan kepadatan AgNWs.

Selanjutnya, ketergantungan diameter lubang kemudian dikarakterisasi. Sensor tekanan dengan 5 siklus pelapisan celup menunjukkan peningkatan sensitivitas dengan peningkatan diameter, yang ditingkatkan dari 1,12 × 10 ³ , 9,88 × 10 ³ , menjadi 2,16 × 10 ⁴ kPa ^–1 dalam kisaran tekanan 10-100 kPa, masing-masing. Peningkatan sensitivitas terutama dikaitkan dengan peningkatan area kontak melalui lubang yang lebih besar. Namun, setelah diameter melebihi 1 mm dengan 4 siklus, antarmuka awal dari kain yang menghadap menghasilkan lebih banyak kontak dalam keadaan bongkar, dengan demikian, secara signifikan menurunkan resistansi kontak antara kain (Gbr. S6). Selanjutnya, ketika ketebalan kapas spacer diubah, kinerja sensor menjadi lebih buruk (Gbr. S7). Sensor dengan ketebalan yang lebih rendah menunjukkan penurunan I /Aku ₀ karena kontak dari kain yang menghadap pada keadaan awal (Gbr. S7a). Selain itu, ketebalan yang lebih tinggi mengurangi kontak kain. Ketika ketebalan kapas spacer meningkat menjadi 1 mm, AgNWs pada kain tidak bersentuhan sampai tekanan melebihi 10 kPa (Gbr. S7c).

Khususnya, sensor tekanan dengan jelas menunjukkan dua segmen arus linier; sensitivitas meningkat tajam dalam kisaran tekanan rendah dan meningkat secara bertahap dalam kisaran tekanan tinggi. Menurut prinsip penginderaan seperti yang kami sebutkan di atas, dalam kisaran tekanan rendah, kontak AgNW yang berdekatan memainkan peran penting dalam peningkatan arus. Selanjutnya, ketika tekanan ditingkatkan menjadi 10-15 kPa, AgNWs pada antarmuka kontak sepenuhnya. Perubahan arus terutama ditentukan oleh tahanan kontak antara benang dan kain yang relatif stabil. Kontak antara sisik benang dan kain memainkan peran yang lebih signifikan dalam mekanisme penginderaan pada siklus pelapisan celup sebanyak 5 kali dan diameter 0,75 mm dengan meningkatkan sensitivitas dan jangkauan linier. Oleh karena itu, diameter 0,75 mm (Gbr. 4d) menunjukkan sensitivitas yang lebih tinggi dan rentang linier yang lebih besar karena peningkatan kontak [33, 34].

Respon dinamis perangkat dipelajari di bawah siklus tekanan bongkar/muat. Sensor menunjukkan respons langsung terhadap tekanan siklik. Respon yang diselesaikan dengan waktu dianalisis untuk mengukur respons dan waktu relaksasi (Gbr. 5a). Respon dan waktu relaksasi yang diukur masing-masing adalah 32 dan 24 ms. Kinerja sensor di bawah perbedaan tekanan juga diselidiki dan ditunjukkan pada Gambar. S8. Sensor dengan jelas membedakan tekanan halus 50 Pa, menunjukkan kinerja sensor yang sangat baik. Aku /Aku ₀ dengan tekanan yang diterapkan 10 kPa dengan 1000 siklus pemuatan digunakan untuk memverifikasi pengulangan perangkat (Gbr. 5b). Hasilnya menunjukkan stabilitas yang sangat baik dari sensor tekanan. Selanjutnya, permeabilitas udara dari kapas normal dan kapas berlapis AgNW diselidiki. Meskipun permeabilitas udara berkurang dari 787,3 menjadi 252,6 mm/s, nilai ini masih jauh lebih tinggi daripada yang baru-baru ini dilaporkan [35, 36]. Hasil ini menunjukkan bahwa sensor tekanan yang dapat dipakai berdasarkan kain berlapis kawat nano perak tetap memiliki permeabilitas udara yang baik karena porositasnya yang tinggi.

a Waktu respons/rilis perangkat. b Tes bersepeda perangkat di bawah tekanan 10 kPa. c Sinyal pulsa pergelangan tangan dari pengguna manusia. d Sinyal saat ini merespons pernapasan dalam pernapasan normal

Karena fleksibilitas alami kain dan sensitivitas sensor yang tinggi, sensor tekanan dapat dipakai dan mampu mendeteksi sinyal mekanis seperti denyut nadi fisiologis dan laju pernapasan. Pertama, perangkat dipasang di pergelangan tangan menggunakan perban perekat untuk memantau tekanan nadi. Gambar 5c menyajikan data yang direkam secara real-time, di mana denyut nadi diukur menjadi 72 denyut min ^–1 . Selain itu, sensor juga dipasang pada masker untuk mendeteksi status respirasi. Gambar 5d menunjukkan bahwa laju pernapasan normal 10 napas per menit pada orang dewasa dan gelombang seperti persegi untuk pernapasan normal. Selanjutnya, lebar pita gelombang menunjukkan waktu pernapasan yang dipertahankan. Hasil ini menunjukkan bahwa sensor tekanan dengan sensitivitas dan keunggulan tinggi memiliki potensi besar dalam aplikasi perangkat kesehatan yang dapat dikenakan.