高性能紙ベースの静電容量式フレキシブル圧力センサーとその人間関連測定への応用

はじめに

柔軟性と人体などの曲面への統合の容易さのおかげで、柔軟な圧力センサー（FPS）は大きな注目を集めており、ウェアラブルデバイス[1、2]、電子スキン[3、4]、生物医学システムでのアプリケーションに大きな可能性を示しています。 [5]、および人間の動きの検出[6,7,8,9];電界効果トランジスタ[10、11]、コンデンサ[2、12]、圧電効果[13、14、15、16]、ピエゾ抵抗効果[17、18、19]などの多くの構造とメカニズムが実現するために提案されています。 FPS;その中でも、容量性FPSは、その単純な構造[20]、広いダイナミックレンジ[21]、および優れた安定性[22]により、ますます魅力的になっています。 FPSで使用される材料に関して、ポリジメチルシロキサン（PDMS）は、その優れた柔軟性、人体組織への生物医学的コンプライアンス、および誘電特性のために優れた材料であり、したがって、FPSおよび他の柔軟なセンサーの構造材料として頻繁に使用されます。 [23,24,25];容量性FPSでは、PDMSが誘電体層[20、26]および電極基板[2、21]としてよく使用されていました。 FPSの導電層に関しては、大きなポテンシャルを持ち、太陽電池[27,28,29,30,31,32]やフィルムヒーター[33]などのフレキシブルエレクトロニクスで広く使用されている銀ナノワイヤー（AgNW） 、34]その優れた電気的、光学的、および機械的特性のために、PDMSと一緒に使用されることがよくありました。たとえば、Chen etal。 [35]銀ナノワイヤー（AgNWs）/（PDMS）複合フィルムは、PDMS層にAgNWを部分的に埋め込んで粗い表面を作成することで作成され、製造されたセンサーデバイスは一般的な金属フィルム電極を使用した場合の3倍の感度を達成できました。八尾他[2]最初に、事前にパターン化されたPDMSシャドウマスクを介してシリコン上に平行なAgNWラインを実現しました。次に、液体PDMSをAgNWシリコン基板にキャストしました。 12時間硬化した後にPDMSを剥がすことにより、AgNWが埋め込まれたPDMS電極が得られました。最後に、親指の動き、膝関節の緊張、およびその他の人間の動きを正常に検出する容量性FPSが製造されました。

容量性FPSの高感度を実現するには、通常、誘電体層や電極に微細パターンを生成する必要があり、微細加工[2、35、36]や微細成形[7、21、26]などの複雑な手順が必要です。しばしば関与する;たとえば、Bao etal。 [26]シリコンに逆ピラミッドパターンを作成し、シリコンモールドにキャストしてパターンをPDMSに転送しました。したがって、ピラミッドパターンはPDMSで生成されました。 Li etal。 [21]はまた、成形技術を使用して、電極として薄い金層を堆積することによってPDMS上に蓮の表面の逆構造を作成し、容量性FPSは、2つのPDMS電極に挟まれた誘電体層としてポリスチレン（PS）ミクロスフェアを使用して製造されました。この作業では、電極基板としてAgNWを蒸着した通常の印刷用紙を使用して非常に簡単な手順を提案し、両面にAgNW用紙基板をラミネートした誘電体層としてPDMSを使用して高性能容量性FPSを構築しました。テスト結果は、デバイスの感度とダイナミックレンジが1.05 kPa ^-1 であることを示しました。 および1Paから2kPa;さらに、物体の形状、指のタップ、音声による振動を識別でき、人工皮膚やウェアラブルデバイスに適している可能性があります。

メソッド

AgNW、AgNWフィルム、PDMSフィルム、および容量性FPSの準備

AgNWは水熱法で合成しました。まず、ポリビニルピロリドン（PVP）（分子量30000）/エチレングリコール（EG）の0.3モル/リットル（M）溶液を、0.2gのPVPを6mlのEGに添加して調製しました。 20分間撹拌しました。同様に、AgNO ₃ の0.1M溶液 / EGおよび0.01M塩化ナトリウム（NaCl）/ EGも調製しました。次に、AgNO ₃ のソリューション / EGとNaCl / EGをPVP / EGに加え、均一な溶液が得られるまで撹拌し、次にテフロンライニングに移して反応ケトルに入れました。 AgNWの成長のために、ケトルを140°Cで2時間、次に160°Cで30分間加熱しました。ケトルを自然に室温まで冷却した後、生成物をアセトンおよび脱イオン水で３回連続して洗浄および遠心濾過することにより、白色粉末の形態のＡｇＮＷが得られた。最後に、得られたAgNWを100mlのエタノールに超音波分散させてAgNWフィルムを作製しました。

AgNWフィルムには、エアブラシスプレー、スピンコーティング、ソークコーティングなどの準備技術が使用されており、実験結果から、エアブラシスプレーは高効率、良好な均一性、密着性という利点があることがわかりました。 AgNWフィルムの準備の詳細は次のとおりです。100°Cのホットプレートに置かれた基板として、20mm×20mmのサイズのきれいな印刷用紙を使用しました。エアブラシのアウトポートの直径は0.5mm、エアブラシと基板の間の距離は150mmでした。エアブラシのプリセット圧力は0.1MPaでした。噴霧時間を調整することにより、厚みと電気抵抗の異なるAgNWを得ることができます。堆積後、基板をホットプレート上に1時間保持して、AgNW周辺のPVPを完全に除去しました。 PDMSは、Sylgard 184前駆体（Dow Corning）から調製されました。まず、前駆体の主剤と硬化剤を質量比10：1で混合しました。 20分間撹拌した後、混合物を10分間真空にして、撹拌中に気泡を除去した。次に、注意深く洗浄したガラス基板上にスピンコーティングしました。次に、基板を65°Cで2時間アニーリングして硬化PDMSを形成し、ガラス基板から剥離することで、最終的に自立型PDMSフィルムを得ることができます。

サンドイッチ型容量性FPS（図1）は、2つのAgNW紙基板を電極として使用し、PDMSを誘電体として使用して製造されました。電気信号は、導電性の銀のペンキによって電極に接着された2本の銅線によって抽出されました。最後に、センサーは透明なテープで梱包されました。

a AgNW紙ベースの容量性FPSの構造と簡略化されたメカニズム。 b 容量性FPSのテストプラットフォーム

特性評価とテスト

AgNWと紙の表面形態は、走査型電子顕微鏡（SEM）（タイプInspect F50、FEI、US）によって特徴づけられました。 AgNWの組成を分析するために、紫外可視（UV-Vis）分光法試験（島津1700、日本）を実施しました。センサーテストでは、力ゲージ（HP-5、Yueqing Handpi Instruments Co.、Ltd、中国）に基づいて圧力刺激プラットフォームを構築しました。 LM555タイマーモデルに基づく自家製の発振回路は、静電容量の変動を周波数1に変換するように設計されています。データ取得は、Keithley2700マルチメーター（Keithley、USA）を介してパーソナルコンピューターで実現されました。

結果と考察

図2aに示すように、SEM写真は、調製されたAgNWが直径約100 nmの均一に長くて薄い形状をしており、膜に不純物が見られないことを示しています。図2bは、フィルムの密度が比較的高いことを示しています。これは、容量性FPSの高導電性電極を実現するのに役立ちます。 AgNWの純度をさらに調査するために、図3に示すようにUV-Visスペクトルをテストしました。これは、AgNWの横方向および縦方向のプラズモン共鳴に起因する355nmと380nmの2つのピークが吸収曲線に現れることを明確に示しています。; AgCl、AgNO ₃ のような不純物の場合、他の文字のピークまたはノイズも表示されます 、または銀ナノ粒子がフィルムに存在します。したがって、UV-Visスペクトルは、高品質のAgNWが正常に合成されたことをさらに証明します。

a – d AgNWフィルムと紙のSEM写真

AgNWのUV-Visスペクトル

図4は、サンプルの応答テスト結果を示しています。図4aに示すように、応答曲線は、全圧力範囲で2つの線形部分にほぼ分割できます。つまり、2 KPaにある転換点で、低圧での高感度部分と高圧での低感度部分です。この現象は、特にPDMS [21、22]に基づく容量性FPSで一般的であり、次のように解釈できます。PDMSには弾性限界があります。加えられる圧力が低いため、PDMSは良好な弾性を示​​し、大きなひずみを生成でき、大きな静電容量の変動（Δ C ）を示します。 ）したがって、期待することができます。加えられた圧力が十分に大きくなると、PDMSは密度が高くなり、弾性がなくなりますが、加えられた圧力によって明らかなひずみが発生しなくなるため、センサーの感度が低くなり、結果として、高感度範囲のみが測定に使用されます。図4aのデータから、容量性FPSサンプルの感度は1.05 KPa ^-1 と高いと計算できます。 、この値は、ほとんどの文献[12、26、37、38、39]で報告されている値よりも優れており、以前の研究[22]でのAgNW /微細構造PDMSベースの容量性FPSの結果に匹敵します。よりシンプル。この優れたパフォーマンスの背後にあるメカニズムは、紙の形態学的性質に起因する可能性があります。図2cおよびdに示すように、紙のSEM写真は、マイクログルーブおよびボイド内の空気を圧縮することが難しいため、紙上に多数のマイクログルーブおよびボイドが存在することを示しています。その後、外圧が加えられると、空気は下向きに移動し、AgNWに多数のくぼみを作成します。 AgNWとPDMSの両方の柔軟性が高いため、これらのインデントは最終的にPDMSフィルムに転写されます。その結果、電極の等価面積が増加し、電極間の距離が減少します。これらは両方とも、より大きな静電容量の変動を実現するのに役立ちます。図4bに示すように、超低圧範囲でのセンサー性能のより具体的な特性評価を実施しました。サンプルは1Paという低い圧力に応答できることがはっきりとわかり、感度が高いことがわかります。また、安定性と応答速度が速いことから、各圧力からの除荷後、完全に初期値に戻ることができます。図4cは、センサーが500回のプレス（81 Pa）とリリースを繰り返した場合の短期間の再現性テストの結果を示しています。最初と最後の拡大された応答曲線は非常に類似した傾向を示しており、サンプルの優れた安定性と再現性をさらに示しています。さらに、1か月後に長期再現性テストが実施されました。図4aに示すように、低圧範囲でのサンプルの応答は1か月後も変化しません。一方、前述のように、高圧応答は明らかに低下しましたが、これはセンサーのパフォーマンスに影響を与えません。図4dは、特定の圧力値での1か月前後のサンプルのパフォーマンスを比較しています。さらに、低圧ではデバイスの劣化が見られないことを示しています。一方、高圧での応答は低下しますが、一定の圧力下では変化が見られず、サンプルの安定性が良好であることを示しています。

AgNW紙ベースの容量性FPSの応答テスト： a 広い圧力範囲内の圧力-静電容量の関係、 b 低圧での応答、 c 短期間の反復テスト、および d 1ヶ月後の老化パフォーマンス

AgNW紙ベースの容量性FPSの実用性を調査するために、いくつかの実生活関連のテストが実行されました。図5aは曲げ試験の結果を示しています。挿入図に示されているように、曲げ角度シータは、両端で曲げセンサーに接する2本の線によって形成される夾角として定義されます。これは、サンプルが曲げに非常に敏感であり、サンプルを曲げるほど、その静電容量が大きくなることを示しています。さらに、静電容量-シータ曲線は興味深いことにほぼ線形の関係にあり、これはサンプルに人体の関節の曲げ状態を測定するための優れた可能性を提供します。図5bは、センサーがダブルクリックの動きを明確に検出できることを示しています。クリック中の圧力により、700 pFもの静電容量の変動が発生する可能性があります。これは、初期値の1倍です。さらに、図5cに示すように、センサーは実験者が言う各音節を識別でき、高感度と優れた再現性を示します。容量性FPSの可能性をさらに調査するために、AgNW紙の容量性FPSの8×8アレイを図5dに示すように製造しました。電極線は、ハードマスクを通してAgNWをスプレーすることによって形成され、ピクセルのサイズは2mm×2mmでした。図5eは、アレイが鉛筆の先端を簡単に検出できることを示しています。先端が十分に小さいため、隣接するピクセルはまったく影響を受けず、クロストークの影響はごくわずかです。さらに、図5に示すように、粘土で作られた弾丸がアレイに配置された後、弾丸の形状を認識することができました。具体的には、マッピングの結果は、弾丸のほとんどの質量が中央の2行にあることを意味しますが、左側のピクセルの2番目の列は、弾丸の頭の質量が小さいため、信号が最小になります。

AgNW紙ベースの容量性FPSのアプリケーション： a 曲げ試験、 b フィンガータップテスト、 c 音声テスト、 d AgNW紙ベースの容量性FPSの8×8アレイ、 e 鉛筆の先の検出、 f 粘土から手作りされた弾丸の形の検出

結論

基板として普通紙を使用することにより、AgNWは水熱合成技術によって調製されました。 SEMおよびUV-Visの特性評価の結果は、AgNWのサイズが均一で、長さ対直径の比率が大きく、純度が高いことを示しています。これは、AgNWの優れた柔軟性と電気伝導性に望ましいものです。容量性FPSサンプルは、AgNW紙基板を電極として使用し、PDMSを誘電体として使用して調製しました。性能試験により、サンプルの感度と動的測定範囲が広いだけでなく、安定性と再現性も良好であることが実証されました。さらに、このサンプルは、関節の曲がり、指のタッピング、発話などの人間の動きを検出する能力を示しています。さらに、2mm×2mmのピクセルサイズの容量性FPSの8×8アレイが製造され、その結果は、アレイが高感度、無視できるクロストーク効果、およびオブジェクトプロファイル識別の可能性を持っていることを示しました。これらのテストは、AgNW紙の静電容量式FPSが、人工皮膚、動きの監視、ウェアラブルデバイス、オブジェクトの識別などのアプリケーションに適していることを示しています。

データと資料の可用性

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて対応する著者から入手できます。

略語

FPS：

柔軟な圧力センサー

AgNWs：

銀ナノワイヤー

M：

リットルあたりのモル数

PVP：

ポリビニルピロリドン

PS：

ポリスチレン

EG：

エチレングリコール

NaCl：

塩化ナトリウム

SEM：

走査型電子顕微鏡

UV-Vis：

紫外可視

Δ C ：

静電容量の変動

pF：

ピコファラド