高性能纸基电容柔性压力传感器及其在人体相关测量中的应用

介绍

由于它们的灵活性和易于集成到人体等曲面中，柔性压力传感器 (FPS) 受到了极大的关注，并在可穿戴设备 [1, 2]、电子皮肤 [3, 4]、生物医学系统中显示出巨大的应用潜力[5]，以及人体运动检测 [6,7,8,9]；许多结构和机制如场效应晶体管[10, 11]、电容器[2, 12]、压电效应[13,14,15,16]和压阻效应[17,18,19]已经被提出来实现每秒帧数；其中，电容FPS由于其结构简单[20]、动态范围大[21]和稳定性好[22]而变得越来越有吸引力。在 FPS 使用的材料方面，聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 具有良好的柔韧性、对人体组织的生物医学顺应性和介电性能，是一种优异的材料，因此经常用作 FPS 以及其他柔性传感器的结构材料[23,24,25];在电容式 FPS 中，PDMS 通常用作介电层 [20, 26] 和电极基板 [2, 21]。说到 FPS 中的导电层，银纳米线 (AgNWs) 具有很大的潜力并被广泛用于柔性电子产品，如太阳能电池 [27,28,29,30,31,32] 和薄膜加热器 [33 , 34] 由于其优异的电学、光学和机械性能，经常与 PDMS 一起使用；例如，陈等人。 [35] 通过在 PDMS 层中部分嵌入 AgNWs 以产生粗糙表面来制备银纳米线 (AgNWs)/(PDMS) 复合膜，并且制造的传感器装置能够达到使用普通金属膜电极的灵敏度的三倍。姚等人。 [2]首先通过预先图案化的PDMS荫罩在硅上实现平行的AgNW线；然后，他们将液态 PDMS 浇铸到 AgNW 硅衬底上；固化12 h后剥离PDMS，得到AgNW嵌入的PDMS电极；最后，制作了一个电容式FPS，成功检测到拇指运动、膝关节劳损等人体运动。

为了实现电容 FPS 的高灵敏度，通常需要在介电层和/或电极中制作微图案，并且复杂的程序，如微加工 [2, 35, 36] 以及微成型 [7, 21, 26]，是经常参与；例如，鲍等人。 [26] 在硅中创建了倒金字塔图案，然后通过将其浇铸在硅模具上将图案转移到 PDMS；因此，金字塔图案是在 PDMS 上产生的。李等人。 [21] 还使用成型技术在 PDMS 上创建了莲花表面的反向结构，随后通过沉积薄金层作为电极，并通过使用聚苯乙烯 (PS) 微球作为介电层被两个 PDMS 电极夹在中间来制造电容性 FPS .在这项工作中，提出了一个非常简单的程序，使用沉积有AgNWs的普通印刷纸作为电极基板，并使用PDMS作为介电层在两侧层压AgNW纸基板来构建高性能电容FPS；测试结果表明，器件的灵敏度和动态范围为1.05 kPa ^-1 1 Pa至2 kPa；此外，它能够识别物体形状、手指敲击和语音引起的振动，显示出其在人造皮肤和可穿戴设备方面的良好潜力。

方法

AgNWs、AgNWs 薄膜、PDMS 薄膜和电容 FPS 的制备

AgNWs的合成采用水热法：首先，将0.2 g PVP加入6 ml EG中，制备0.3mol/L的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）（分子量30000）/乙二醇（EG）溶液。搅拌20 min；同样，还制备了0.1 M的AgNO3/EG溶液和0.01 M的氯化钠(NaCl)/EG溶液。其次，将AgNO3/EG和NaCl/EG溶液加入PVP/EG中，搅拌至溶液均匀，然后转移到特氟龙衬里，放入反应釜中；将釜加热至 140 °C 2 h，然后加热至 160°C 30 min 以生长 AgNW；反应釜自然冷却至室温后，依次用丙酮和去离子水洗涤、离心过滤3次，得到白色粉末状AgNWs。最后将得到的AgNWs超声分散在100 ml乙醇中制备AgNW薄膜。

AgNWs薄膜采用喷枪喷涂、旋涂、浸涂等制备工艺，实验结果表明，喷枪喷涂具有效率高、均匀性好、附着力强等优点； AgNW薄膜制备的细节如下：使用尺寸为20 mm×20 mm的干净打印纸作为基材，放在100°C的热板上;喷枪出口直径为0.5 mm，喷枪与基板的距离为150 mm；喷枪预设压力为0.1 MPa；通过调整喷涂时间，可以获得不同厚度和电阻的AgNWs；沉积后，将基板保持在热板上 1 小时以完全去除 AgNW 周围的 PVP。 PDMS 由 Sylgard 184 前体 (Dow Corning) 制备。首先将前驱体的主剂和固化剂按10:1的质量比混合；搅拌20 min后，将混合物抽真空10 min，以去除搅拌过程中的气泡；然后，将其旋涂在仔细清洁的玻璃基板上。然后将基板在65°C下退火2 h，形成固化的PDMS，最终将其从玻璃基板上剥离即可获得独立的PDMS薄膜。

夹心型电容FPS（图1）是通过使用两个AgNW纸基板作为电极和PDMS作为电介质制造的；电信号由两根铜线提取，铜线用导电银漆粘在电极上；最后，传感器用透明胶带封装。

一 AgNW纸基电容FPS的结构和简化机制。 b 电容式FPS测试平台

表征和测试

AgNWs 和纸的表面形态通过扫描电子显微镜 (SEM) (类型 Inspect F50, FEI, US) 进行表征；进行紫外-可见（UV-Vis）光谱测试（SHIMAZU 1700，日本）以分析 AgNW 的组成；对于传感器测试，基于测力计（HP-5，乐清汉皮仪器有限公司，中国）搭建压力刺激平台；设计了一种基于LM555定时器模型的自制振荡电路，将电容变化转换为频率1；通过Keithley2700万用表（美国Keithley）在个人电脑上实现数据采集。

结果和讨论

如图2a所示，SEM照片表明制备的AgNWs具有均匀的长细形状，直径约100 nm，薄膜中未发现杂质；图 2b 暗示该膜具有相对较高的密度，这将有助于实现电容性 FPS 的高导电电极。为了进一步研究 AgNWs 的纯度，如图 3 所示测试了 UV-Vis 光谱。它清楚地表明吸收曲线中出现了 355 nm 和 380 nm 处的两个峰，这是由于 AgNWs 的横向和纵向等离子体共振;如果薄膜中存在AgCl、AgNO3或银纳米颗粒等杂质，也会出现其他特征峰或噪声；因此，UV-Vis光谱进一步证明成功合成了高质量的AgNWs。

一 –d AgNW薄膜和纸的SEM照片

AgNWs的紫外-可见光谱

图4给出了样品的响应测试结果；如图 4a 所示，响应曲线在整个压力范围内大致可分为两个线性部分，即低压高敏感部分和高压低敏感部分，转折点位于 2 KPa。这种现象在电容 FPS 中很常见，尤其是基于 PDMS [21, 22]，可以解释如下：PDMS 有其弹性极限；由于施加的压力低，PDMS表现出良好的弹性，可以产生大的应变，以及大的电容变化（ΔC ) 因此可以预期；当施加的压力足够大时，PDMS变得如此致密以至于它不再具有足够的弹性，施加的压力不再产生明显的应变，因此只能达到传感器的低灵敏度，因此，仅使用高灵敏度范围进行测量。从图4a中的数据可以计算出电容FPS样品的灵敏度高达1.05 KPa ^-1 ，该值优于大多数文献 [12, 26, 37,38,39] 中报道的值，并且与我们之前工作中基于 AgNWs/微结构 PDMS 的电容性 FPS 的结果相当 [22]，而制造过程很多更简单。这种良好表现背后的机制可能归因于纸张的形态特性；如图2c和d所示，纸的SEM照片显示纸上存在大量微槽和空隙，因为微槽和空隙中的空气难以压缩；然后，当施加外部压力时，空气将向下移动并在 AgNW 中产生许多凹痕；由于 AgNW 和 PDMS 的高度灵活性，这些凹痕最终将转移到 PDMS 薄膜上；结果，电极的等效面积增加以及它们之间的距离减小，这两者都有助于实现更大的电容变化。如图 4b 所示，对极低压范围内的传感器性能进行了更具体的表征。可以清楚地看出，样品能够对低至1 Pa的压力作出响应，显示出其高灵敏度；并且在每次压力卸载后都能完全恢复到初始值，体现了其稳定性好，响应速度快。图 4c 给出了传感器承受压力 (81 Pa) 和连续释放 500 次的短期重复性测试结果。开始和结束时放大的响应曲线显示出非常相似的趋势，进一步表明样品具有良好的稳定性和重复性。此外，1个月后进行了长期重复性测试；如图 4a 所示，样品在低压范围内的响应在 1 个月后没有变化；另一方面，虽然如上所述，高压响应明显下降，但这不会影响传感器的性能。图 4d 比较了样品在某些特定压力值下 1 个月前后的性能；它进一步表明在低压下没有发现装置的退化；另一方面，虽然在高压下响应降低，但在恒压下没有变化，表明样品仍然具有良好的稳定性。

AgNW纸基电容FPS的响应测试：a 大压力范围内的压力-电容关系，b 低压响应，c 短时间重复测试，d 一个月后的老化性能

为了研究基于 AgNW 纸的电容 FPS 的实用性，进行了几个与现实生活相关的测试。图5a给出了弯曲试验的结果；弯曲角 theta，如插图所示，定义为与弯曲传感器两端相切的两条线形成的夹角。说明样品对弯曲非常敏感，样品越弯曲，其电容越大；此外，有趣的是电容-θ曲线具有近乎线性的关系，这为样品提供了测量人体关节弯曲状态的良好潜力。图 5b 显示传感器可以清楚地检测到双击动作；点击时的压力会产生高达 700 pF 的电容变化，比其初始值大一倍；此外，如图 5c 所示，该传感器可以识别实验者所说的每个音节，并表现出高灵敏度和出色的可重复性。为了进一步探索电容 FPS 的潜力，如图 5d 所示，制造了一个 8 × 8 的 AgNW 纸电容 FPS 阵列；通过硬掩模喷涂AgNW形成电极线，像素尺寸为2 mm×2 mm。图5e表明该阵列可以轻松检测到铅笔尖，由于笔尖足够小，相邻像素完全不受影响，显示其串扰效应可以忽略不计；另外，如图5所示，将橡皮泥制成的子弹放置在阵列上后，它能够识别子弹的形状；具体来说，映射结果表明子弹的大部分质量位于中间两行，而左侧第二列像素由于子弹头部质量小，信号最小。

AgNW纸基电容FPS的应用：a 弯曲试验，b 手指敲击测试，c 语音测试，d 8 × 8 阵列的 AgNW 纸基电容 FPS，e 检测铅笔尖，f 用橡皮泥手工制作的子弹形状的检测

结论

以普通纸为基材，通过水热合成技术制备了AgNWs。 SEM 和 UV-Vis 表征结果表明 AgNWs 具有均匀的尺寸、大的长径比和高纯度，这对于 AgNWs 的良好柔韧性和导电性是理想的。以AgNW-纸基材为电极，PDMS为电介质，制备电容性FPS样品；性能测试表明，该样品不仅具有较高的灵敏度和较大的动态测量范围，而且具有良好的稳定性和重复性。此外，样本显示了其检测人体运动的能力，例如关节弯曲、手指敲击和语音；此外，制备了像素尺寸为 2 mm × 2 mm 的 8 × 8 电容 FPS 阵列，结果表明该阵列具有高灵敏度、可忽略的串扰效应和物体轮廓识别的潜力。这些测试表明我们的 AgNW 纸电容 FPS 在人造皮肤、运动监测、可穿戴设备和物体识别等应用中具有良好的潜力。

数据和材料的可用性

当前研究中使用和/或分析的数据集可根据合理要求向相应作者索取。

缩写

FPS：

柔性压力传感器

AgNW：

银纳米线

M:

每升摩尔

PVP：

聚乙烯吡咯烷酮

附注：

聚苯乙烯

EG：

乙二醇

NaCl：

氯化钠

SEM：

扫描电子显微镜

紫外可见光：

紫外可见

ΔC ：

电容变化

pF：

皮法