銀ナノワイヤーコーティングされたファブリックに基づく超高感度ウェアラブル圧力センサー

はじめに

ウェアラブル電子機器の最近の開発に伴い、e-skinデバイス、健康監視システム、スマートロボットなどの多くのアプリケーションで柔軟な圧力センサーの需要が高まっています[1,2,3,4,5,6,7、 8]。これらのアプリケーションで実行可能に使用されるためには、圧力センサーは優れた感度性能を示さなければならず、したがって、正確な診断または分析のための徹底的な情報を提供します。

これまで、カーボンナノチューブ（CNT）[1]、グラフェンナノシート[9]、金属ナノワイヤー[10,11,12,13,14,15,16]など、ナノ材料を最適化することでセンサーの性能を向上させる多くの方法が開発されてきました。 、17、18、19]、導電性ポリマー[20]、およびそれらの複合材料[21、22、23、24、25、26]。特に、Agナノワイヤ（AgNW）は、その優れた電気的特性により、圧力センサーの検出材料または導電性フィラーとして広く研究されてきました。たとえば、Wang etal。 AgNWを充填したPUフィルムをベースにした柔軟な圧力センサーを製造し、5.54 kPa ^-1 の感度を実現しました。 30Pa未満の圧力範囲で[27]。 Ho etal。は、AgNWが埋め込まれたマイクロ流体チャネルを備えた2枚の積層PDMSフィルムで構成される透明な亀裂増強圧力センサーを報告しました[28]。ただし、これらのセンサーのほとんどは、通気性がなく、着用しにくい空気を通さない弾性基板を使用して製造されているため、実際の用途が制限されています。

最近では、テキスタイルベースの圧力センサーは、その柔らかさ、通気性、および生体適合性により注目を集めており、長期間の耐久性と着用性を実現しています。 AgNWは、高感度層としてテキスタイルベースの圧力センサーで広く使用されています。テキスタイルベースのセンサーの場合、一般的な構造は、伝導ファブリックで覆われた柔軟な回路で構成され、回路とファブリックの間の接触抵抗の変化を利用します。圧力を加えると、2つのフィルムが接触し、大きな電流が発生します。たとえば、Wei etal。 2枚の導電性AgNWでコーティングされた綿シートの構造を備えたウェアラブル圧力センサーを実証しました[29]。周ら。印刷されたテキスタイル電極とAgNWコーティングされた綿布を使用して圧力センサーを設計しました[30]。ただし、これらのセンサーの構造では、圧力範囲が制限されています。したがって、圧力センサーの性能を改善するために、さまざまな構造設計が提案されてきた。 Zhong etal。簡単なろ過方法でPOEナノファイバーとAgNWで構成された柔軟性の高い超高感度ピエゾ抵抗センサーを開発しました。ナノファイバーは、繊維間隔が異なるパターン化されたナイロンテキスタイルに複製されます[12]。この進歩にもかかわらず、超高感度と構造設計を備えたすべてのテキスタイルベースの圧力センサーがこれまでに報告されることはめったにありません。

ここでは、オールテキスタイルベースの圧力センサーを製造するための新しい戦略を提案しました。 AgNWs溶液を合成した後、綿片をAgNW分散液に浸すことにより、ディップコーティング法を使用して導電性ファブリックを製造できます。アクティブセンシングエレメントには、2層のAgNWコーティングされた綿と、それらの間の最初の接触を確保するための綿メッシュスペーサーが含まれていました。圧力検知は、外圧による対向層間の接触による電流の変化に基づいています。このオールテキスタイルベースのピエゾ抵抗圧力センサーは、繊維/毛糸/繊維のマルチレベル接点の相乗効果を十分に活用し、3.24×10 ⁵ の超高感度を実現します。 kPa ^-1 0〜10kPaおよび2.16×10 ⁴ で kPa ^-1 それぞれ10–100kPaで。一方、圧力センサーは、高速応答/緩和時間（32/24 ms）と高い安定性（> 1000のロード/アンロードサイクル）を達成しました。このようなデバイスは、スマートウェア、アクティビティモニタリング、ヘルスケアデバイスで幅広い用途があります。

実験セクション

材料と方法

AgNWs溶液は水熱法で合成されました。まず、PVPのソリューションがEGに追加されました。次に、混合物を20分間撹拌して、PVP / EGの溶液を作製した。続いて、AgNO ₃ のソリューション / EGとNaCl / EGは同様の方法で調製しました。次に、AgNO ₃ のソリューション / EGとNaCl / EGをPVP / EGに加え、混合物を攪拌して反応ケトルに移した。第三に、ケトルを140°Cで2時間加熱し、次に160°Cで30分加熱しました。その後、ケトルを自然に室温まで冷却した。得られた沈殿物を洗浄し、アセトンおよび脱イオン水で数回遠心濾過して、白色粉末を形成した。最後に、得られたAgNWをエタノールに超音波分散させました。

圧力センサーの製造

オールテキスタイルベースの圧力センサーは、「浸漬および乾燥」プロセスを使用して製造されました[31]（図1）。まず、綿布をDIと無水エタノールでそれぞれ15分間洗浄しました。次に、得られたAgNWの溶液に布を20分間浸し、90°Cで10分間乾燥させました（図1a）。次に、銅電極を銀ペーストでAgNWコーティングされた布の表面に取り付け、90°Cで1時間乾燥させました。一方、異なる穴径の綿メッシュスペーサーは、レーザーエッチャープロセスによって製造されました（図1b）。最後に、綿メッシュスペーサーが挿入された2層のセンシングファブリックが、対面パッケージプロセスによって組み立てられました（図1c）。

オールテキスタイルベースの圧力センサーの製造プロセス。 a AgNWコーティングされた綿の準備プロセス。 b メッシュスペーサーコットンの製造工程。 c 圧力センサーの組み立て工程

特性評価

AgNWでコーティングされた布地表面の走査型電子顕微鏡（SEM）画像は、GeminiSEM 500（ZEISS、ニューヨーク、アメリカ）を介して5kVで撮影されました。圧力センサーの電流応答は、デジタルソースメーター（Keithley 4200、アメリカ）を使用して記録され、デジタルフォースゲージ（SJS-500V、中国）を使用して測定されました。

結果と考察

図2は、さまざまな倍率でのAgNWでコーティングされたファブリックの形態のSEM画像を示しています。図2aに示すように、綿の糸は多孔質構造で自然に層状になっています。ファブリックの最表面はAgNWで覆われており（図2b）、その上にナノワイヤが繊維に均一に巻き付けられています。特に、隣接する糸の間には、取り付けられたAgNW導電性ネットワークによって橋渡しされる空の間隔があります（図2c）。注目すべきは、隣接する糸の間に長く均一なワイヤーが観察され、AgNWの平均直径は約55nmです。図2dでは、AgNWは糸の表面の主要な領域で均一に形成されていますが、接着性が低いためにある時点で切断されています。さらに、個々の糸に付着したナノワイヤー間の距離は、隣接する糸間のナノワイヤーの距離よりも比較的大きい。

AgNWでコーティングされたファブリックの形態。 a – d AgNWの位置と倍率が異なるAgNWコーティング布の表面形態のSEM画像。 c は、糸と d の間のAgNWのSEM画像です。 単一ファイバーにコーティングされたAgNW

また、布の表面のAgNWの密度は、ディップコーティングサイクルの時間によって調整されました。 1ディップサイクルと5ディップサイクルのAgNWsコーティング布をそれぞれ図S1と図2dに示しました。高密度のものと比較して、1ディップサイクルのナノワイヤメッシュ間隔は1未満から2–4μmに増加しました。

図S2の挿入図に示すように、AgNWsでコーティングされたファブリックの組成もエネルギー分散型X線分光法（EDS）によって調査されました。主に綿に起因するCおよびO含有量に加えて、Ag元素も観察され、綿上のAgNWの分布を示しています。

圧力センサーの検出原理を図3aに示し、さまざまな圧力でのセンサーの断面SEM画像を図3b–eに示します。除荷状態では、初期抵抗が大きくなります。これは、ファブリック上の非接触AgNWが原因です（図3b）。圧力が加えられると、隣接するファブリック上のナノワイヤの繊維スケールの接触が増加することで、抵抗が減少しました（図3c）。さらに、布のナノワイヤが完全に接触したとき、繊維に負荷された継続的な圧力は、その後、糸スケールの接触を増加させた。図3dに示すように、 Y の糸の長さ 方向が約200から160μmに減少し、糸間の圧縮が確認されます。断面SEM画像によると、AgNWは糸の表面と隣接する糸の内側の両方に形成されました（図S3）。圧力が加えられ、糸が圧縮されると、糸の内側のAgNWが接触し、センサーの抵抗がさらに減少する可能性があります。負荷圧力が増加すると、隣接するファブリックが圧縮されました（図3e）。ファブリックスケールの接触は、対向するファブリック間の接触面積が増加するため、センサーの抵抗をさらに低減しました。この時点で、二層布の総厚は600から350μmに減少しました。したがって、センサーの圧力検知は、繊維/毛糸/布のマルチスケール接触の相乗効果によって決定されました。これらの断面SEM画像により、圧力検知メカニズムがさらに確認されました。

圧力センサーの検出原理。 a 圧力検知の概略図。 b – e 異なる圧力下でのAgNWsコーティング布の断面SEM画像

図S4に示す断面SEM画像により、AgNWでコーティングされた布の表面形態に対する曲げの影響を調査しました。わずかな曲げ変形で、初期状態（図S4a）と比較して、ファブリック上のAgNWsネットワーク（図S4b）の明らかな亀裂や剥離の問題はありません。曲げ変形の影響をさらに調査するために、500回の曲げサイクルでAgNWでコーティングされた布のSEM画像を撮影し、図S5に示しました。図S5は、デバイスの劣化を引き起こす可能性のある多くの層間剥離スポットを示しています。この結果は、AgNWでコーティングされたファブリックの安定性を将来さらに改善する必要があることを示しています。

図4aは、さまざまな圧力下での圧力センサーの電流-電圧曲線を示しています。加えられた圧力が0から100kPaに増加すると、センサーの抵抗は減少しました。さらに、センサーの応答は安定しており、オームの法則[32]の下で一致していました。圧力センサーの電流を図4bに示します。これは、さまざまな印加圧力の下で比較的一定であり、センサーの応答がさまざまな圧力に対して安定していることを示しています。したがって、この結果は、圧力センサーの潜在的なアプリケーションに優れた電気的安定性を提供します。

圧力センサーの性能。 a さまざまな適用圧力での圧力センサーのI-V曲線。 b さまざまな圧力下でのセンサーの電流応答。 c 、 d 異なるディップコーティングサイクルとメッシュ穴径の圧力センサーの性能比較

圧力センサーの性能を調査するために、相対電流が変化します（Δ I / 私 ₀ ）対圧力と異なるAgNWのディップコーティングサイクルおよびメッシュ穴の直径を図4c、dに示しました。ここで、圧力センサーの感度は S として定義されました。 =（Δ I / 私 ₀ ）/ P 、ここで P 加えられた圧力を示します。メッシュの穴の直径が0.25mmの場合、圧力センサーの感度はAgNWのディップコーティングサイクルに強く依存していました。センサーの感度が2.12×10 ³ から改善されました kPa ^-1 〜1.98×10 ⁵ kPa ^-1 ディップコーティングサイクルが1から5に増加すると、0〜10 kPaの範囲内になります。さらに、感度が764から1.12×10 ³ に向上しました。 kPa ^–1 10–100kPaで。高いディップコーティングサイクルによる感度の向上は、主にAgNW密度の増加に起因します。

さらに、穴の直径の依存性が続いて特徴付けられた。 5回のディップコーティングサイクルを備えた圧力センサーは、1.12×10 ³ から増加した直径の増加に伴い、感度の向上を示しました。 、9.88×10 ³ 、2.16×10 ⁴ まで kPa ^–1 それぞれ10〜100kPaの圧力範囲内。感度の向上は、主に大きな穴を通る接触面積の増加に起因していました。しかし、4サイクルで直径が1mmを超えると、対向する布の初期界面により、除荷状態での接触が多くなり、布間の接触抵抗が大幅に低下しました（図S6）。さらに、スペーサーコットンの厚みを変えると、センサーの性能が低下します（図S7）。厚みの薄いセンサーは、Δ I の減少を示します / 私 ₀ 初期状態での対向布の接触による（図S7a）。さらに、厚みが増すと生地の接触が少なくなります。スペーサーコットンの厚さが1mmに増加すると、圧力が10 kPaを超えるまでファブリック上のAgNWは接触しませんでした（図S7c）。

特に、圧力センサーは明らかに2つの線形電流セグメントを示しました。感度は低圧域で急激に上昇し、高圧域で徐々に上昇します。前述の検知原理によれば、低圧範囲では、隣接するAgNW接点が電流の増加に重要な役割を果たします。さらに、圧力を10〜15 kPaに上げると、界面のAgNWが完全に接触しました。現在の変化は、主に糸と布の間の接触抵抗によって決定され、それは比較的安定していた。糸と布のスケール間の接触は、感度と線形範囲を強化することにより、5回のディップコーティングサイクルと0.75mmの直径での検知メカニズムにおいてより重要な役割を果たしました。したがって、0.75mmの直径（図4d）は、接触の増加により、より高い感度とより大きな線形範囲を示しました[33、34]。

デバイスの動的応答は、圧力サイクルのロード/アンロードの下で研究されました。センサーは、周期的な圧力に対して即時の応答を示しました。時間分解応答を分析して、応答時間と緩和時間を定量化しました（図5a）。測定された応答時間と緩和時間は、それぞれ32ミリ秒と24ミリ秒でした。差圧下でのセンサーの性能も調査され、図S8に示されています。センサーは50Paの微妙な圧力を明確に区別し、センサーの優れた性能を示しています。 Δ I / 私 ₀ デバイスの再現性を検証するために、1000回の負荷サイクルで10 kPaの圧力を加えて使用しました（図5b）。結果は、圧力センサーの優れた安定性を示しています。さらに、通常の綿とAgNWでコーティングされた綿の両方の通気性を調査しました。空気透過性は787.3から252.6mm / sに減少しましたが、この値は最近報告された値よりもはるかに高くなっています[35、36]。この結果は、銀ナノワイヤーでコーティングされたファブリックをベースにしたウェアラブル圧力センサーが、その高い多孔性のために良好な通気性を維持していることを示しています。

a デバイスの応答/リリース時間。 b 10kPaの圧力下でのデバイスのサイクルテスト。 c 人間のユーザーの手首のパルス信号。 d 現在の信号は、通常の呼吸下での呼吸に反応します

生地の自然な柔軟性とセンサーの高感度により、圧力センサーはウェアラブルであり、生理学的脈拍や呼吸数などの機械的信号を検出することができました。まず、脈圧を監視するために絆創膏を使用してデバイスを手首に取り付けました。図5cは、リアルタイムで記録されたデータを示しています。ここで、脈拍数は約72拍分 ^–1 であると測定されました。 。さらに、呼吸状態を検出するためにセンサーもマスクに取り付けられました。図5dは、成人の1分あたり10回の呼吸の通常の呼吸数と、通常の呼吸の場合は正方形のような波を示しています。さらに、波長帯の幅は、維持された呼吸時間を示していました。これらの結果は、高感度で優れた圧力センサーがウェアラブルヘルスケアデバイスアプリケーションに大きな可能性を秘めていることを示唆しています。

結論

この作業では、AgNWを水熱法で製造し、形態を特性評価して分析しました。オールテキスタイルベースの圧力センサーは、2層のAgNWコーティングされた綿の間に綿メッシュスペーサーを挿入することによって製造されました。ファイバー/ヤーン/ファブリックマルチスケールコンタクトの集合的な効果により、センサーは非常に高い感度を備えています（3.24×10 ⁵ kPa ^-1 0〜10kPaおよび2.16×10 ⁴ で kPa ^-1 それぞれ10–100 kPaで）、高速応答/回復時間（32/24 ms）、高い安定性（1000サイクル）、および広い圧力範囲（0–100 kPa）。脈圧などの生理学的信号モニタリングが成功裏に実証されています。このような超高感度圧力センサーは、簡単で効率的な製造方法により、スマートウェア、活動監視、ヘルスケアデバイスの次世代開発における幅広いアプリケーションを促進します。

データと資料の可用性

著者は、資料とデータが読者に利用可能であることを宣言し、この原稿で行われたすべての結論は、この論文で提示および示されているすべてのデータに基づいています。

略語

CNT：

カーボンナノチューブ

AgNW：

Agナノワイヤー

PVP：

ポリビニルピロリドン

EG：

エチレングリコール

NaCl：

塩化ナトリウム

DI：

脱イオン水

SEM：

走査型電子顕微鏡

EDS：

エネルギー分散型X線分光法