ГНУЧКІ СЕНСОРИ ВОЛОГОСТІ НА ОСНОВІ НАНОЦЕЛЮЛОЗИ ДЛЯ НОСИМОЇ ЕЛЕКТРОНІКИ
DOI:
https://doi.org/10.20535/1970.64(2).2022.269986Ключові слова:
наноцелюлоза, поліімід, гнучкі сенсори вологості, носима електронікаАнотація
Проблематика. Контроль вологості необхідний у багатьох сферах сучасного людського життя, серед яких сільське господарство, харчова та автомобільна промисловість, виробництво електроніки, медицина та повсякденне життя. Новим трендом медичної сенсорики є використання гнучких носимих сенсорів, які можуть кріпитися на тіло або одяг людини, що прилягає до нього. Такі сенсори здатні повторювати форму тіла та деформуватися за потреби, не руйнуючись та не викликаючи дискомфорту пацієнта при їх використанні. Перспективним матеріалом для сенсорів вологості є наноцелюлоза (НЦ), яка вирізняється високою гідрофільністю, низькою вагою, достатньою механічною міцністю і гнучкістю та короткою тривалістю процесу біорозкладу.
Мета роботи. Розробка і дослідження гнучких сенсорів вологості на основі наноцелюлози як вологочутливого шару залежно від природи вихідної сировини та методу виготовлення НЦ, а також конфігурації електродів приладу.
Результати досліджень. Виготовлено 3 групи сенсорів вологості: ємнісні сенсори на електродах типу розгорнутий конденсатор; резистивні сенсорі, виготовлені на основі зустрічно-штирьової гратки та резистивні сенсори, виготовлені на основі плоско-паралельних електродів. В кожній конфігурації використано 4 різні гідрогелі наноцелюлози, які виготовлені з очеретяної на пшеничної органосольвентної целюлози методами кислотного гідролізу або окиснення реактивом 2,2,6,6-тетраметилпіперидин-1оксил (ТЕМПО). Досліджені статичні та динамічні характеристики сенсорів вологості, а також зроблені висновки щодо оптимального виду конфігурації електродів, вихідної сировини та методу синтезу наноцелюлози. Найкращу чутливість та найменший гістерезис демонструє сенсор, виготовлений на основі зустрічно-штирьової гратки та наноцелюлози, одержаної методом окиснення ТЕМПО - 0,164 (%RH)-1 та 1,5 %, відповідно. Однак найкращу швидкодію (час відгуку 6 с, час відновлення 10 с), короткочасову стабільність (відхилення під час вимірювання постійної вологості протягом 1 год – 1,4 %) та повторюваність результатів (відхилення під час циклювання між різними рівнями вологості – 1,6 %) демонструють сенсори вологості на основі НЦ, виготовленої методом кислотного гідролізу, причому для обох типів сенсорів (резистивного та ємнісного).
Висновки. Встановлено, що статичні параметри (відгук, чутливість та реверсивність) сенсорів вологості залежать переважно від типу конфігурації електродів та вихідного матеріалу для одержання наноцелюлози, а динамічні параметри (повторюваність під час циклювання, короткотривала стабільність, час відгуку та час відновлення) – від методу одержання НЦ. Показано, що резистивні сенсори демонструють значно кращі показники чутливості та гістерезису порівняно із ємнісними приладами. Одержані гнучкі сенсори вологості можуть бути використані в носимій медичній електроніці.
Посилання
V. A. Lapshuda and V. M. Koval, “Flexible and biodegradable sensors: materials, manufacturing technology and devices on its basis”, KPI Science News, no. 2, Aug. 2021. DOI:10.20535/kpisn.2021.2.229964.
X. Guan et al., “Flexible humidity sensor based on modified cellulose paper”, Sens Actuators B Chem, vol. 339, p. 129879, Jul. 2021. DOI:10.1016/j.snb.2021.129879.
M. Khalifa, G. Wuzella, H. Lammer, and A. R. Mahendran, “Smart paper from graphene coated cellulose for high-performance humidity and pie-zoresistive force sensor”, Synth Met, vol. 266, p. 116420, Aug. 2020. DOI: 10.1016/j.synthmet.2020.116420.
R. Nitta, H.-E. Lin, Y. Kubota, T. Kishi, T. Yano, and N. Matsushita, “CuO nanostructure-based flexible humidity sensors fabricated on PET sub-strates by spin-spray method”, Appl Surf Sci, vol. 572, p. 151352, Jan. 2022. DOI: 10.1016/j.apsusc.2021.151352.
S. Kondee, O. Arayawut, W. Pon-On, and C. Wongchoosuk, “Nitrogen-doped carbon oxide quantum dots for flexible humidity sensor: Exper-imental and SCC-DFTB study”, Vacuum, vol. 195, p. 110648, Jan. 2022. DOI: 10.1016/j.vacuum.2021.110648.
P. Chaudhary et al., “Design and development of flexible humidity sensor for baby diaper alarm: Experimental and theoretical study”, Sens Actua-tors B Chem, vol. 350, p. 130818, Jan. 2022. DOI: 10.1016/j.snb.2021.130818.
S.-F. Tseng and Y.-S. Tsai, “Highly sensitive hu-midity sensors based on Li-C3N4 composites on porous graphene flexible electrodes”, Appl Surf Sci, vol. 606, p. 155001, Dec. 2022.
DOI: 10.1016/j.apsusc.2022.155001.
J. Wu, Y. Chen, W. Shen, Y. Wu, and J.-P. Corriou, “Highly sensitive, flexible and transparent TiO2/nanocellulose humidity sensor for respiration and skin monitoring”, Ceram Int, Sep. 2022. DOI: 10.1016/j.ceramint.2022.09.187.
A. Yoshida et al., “Printed, all-carbon-based flexible humidity sensor using a cellulose nanofiber/graphene nanoplatelet composite”, Carbon Trends, vol. 7, p. 100166, Apr. 2022.
DOI: 10.1016/j.cartre.2022.100166.
H. Zhao, H. Chen, M. Yang, and Y. Li, “Facile fabrication of Poly (diallyldimethylammonium chloride)/Ti3C2Tx/poly (vinylidene fluoride) 3D hollow fiber membrane flexible humidity sensor and its application in the monitoring of health-related physiological activity”, Sens Actuators B Chem, p. 132773, Sep. 2022. DOI: 10.1016/j.snb.2022.132773.
M.-J. Yin, Z.-R. Li, T.-R. Lv, K.-T. Yong, and Q.-F. An, “Low-voltage driven flexible organic thin-film transistor humidity sensors”, Sens Actuators B Chem, vol. 339, p. 129887, Jul. 2021. DOI: 10.1016/j.snb.2021.129887.
Z. Zhang et al., “Printed flexible capacitive humidity sensors for field application,” Sens Actuators B Chem, vol. 359, p. 131620, May 2022. DOI: 10.1016/j.snb.2022.131620.
P. Zhu et al., “Electrostatic self-assembly enabled flexible paper-based humidity sensor with high sensitivity and superior durability,” Chemical Engineering Journal, vol. 404, p. 127105, Jan. 2021. DOI: 10.1016/j.cej.2020.127105.
V. Koval, V. Barbash, M. Dusheyko, V. Lapshuda, O. Yashchenko, and Y. Yakimenko, “Application of Nanocellulose in Humidity Sensors for Biodegradable Electronics,” in 2020 IEEE 10th International Conference Nanomaterials: Applications & Properties (NAP), 2020, pp. 02NS01-1-02NS01-5. DOI: 10.1109/NAP51477.2020.9309598.
A. Kafy, A. Akther, Md. I. R. Shishir, H. C. Kim, Y. Yun, and J. Kim, “Cellulose nanocrystal/graphene oxide composite film as humidity sensor”, Sens Actuators A Phys, vol. 247, pp. 221–226, Aug. 2016. DOI: 10.1016/j.sna.2016.05.045.
P. Zhu et al., “Flexible and Highly Sensitive Humidity Sensor Based on Cellulose Nanofibers and Carbon Nanotube Composite Film”, Langmuir, vol. 35, no. 14, pp. 4834–4842, Apr. 2019. DOI: 10.1021/acs.langmuir.8b04259.
A. Yoshida et al., “Printed, all-carbon-based flexible humidity sensor using a cellulose nano-fiber/graphene nanoplatelet composite”, Carbon Trends, vol. 7, p. 100166, Apr. 2022.
DOI: 10.1016/j.cartre.2022.100166.
T. Syrový et al., “Wide range humidity sensors printed on biocomposite films of cellulose nano-fibril and poly(ethylene glycol)”, J Appl Polym Sci, vol. 136, no. 36, p. 47920, Sep. 2019. DOI: 10.1002/app.47920.
V. Barbash and O. Yaschenko, “Preparation, Properties and Use of Nanocellulose from Non-Wood Plant Materials,” in Novel Nanomaterials, IntechOpen, 2021.
V. A. Barbash, O. v. Yaschenko, and O. M. Shniruk, “Preparation and Properties of Nanocellu-lose from Organosolv Straw Pulp”, Nanoscale Res Lett, vol. 12, no. 1, p. 241, Dec. 2017. DOI: 10.1186/s11671-017-2001-4.
V. A. Barbash, O. v. Yashchenko, A. S. Gondovska, and I. M. Deykun, “Preparation and characterization of nanocellulose obtained by TEMPO-mediated oxidation of organosolv pulp from reed stalks”, Appl Nanosci, vol. 12, no. 4, pp. 835–848, Apr. 2022. DOI: 10.1007/s13204-021-01749-z.
V. Lapshuda, V. Koval, V. Barbash, M. Dusheiko, O. Yashchenko, and S. Malyuta, “Flexible Humidity Sensors Based on Nanocellulose”, in 2022 IEEE 41st International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO-2022), 2022.
X. Li et al., “Facile fabrication of laser-scribed-graphene humidity sensors by a commercial DVD drive”, Sens Actuators B Chem, vol. 321, p. 128483, Oct. 2020. DOI:10.1016/j.snb.2020.128483.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2022 CC BY 4.0
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Авторське право на публікацію залишається за авторами.
Автори можуть використовувати власні матеріали в інших публікаціях за умови посилання на збірник наукових праць "Вісник Київського політехнічного інституту. Серія ПРИЛАДОБУДУВАННЯ" як на перше місце видання та на Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» як на видавця.
Автори публікують свої статті в збірнику на умовах ліцензії Creative Commons:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії CC BY 4.0, яка дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на динаміці цитування опублікованої роботи.
Видавець (КПІ ім. Ігоря Сікорського) має право за будь-якого використання цього видання зазначати своє ім'я або вимагати такого зазначення.
Редакційна колегія залишає за собою право розміщувати опубліковані в збірнику статті в різних інформаційних базах для надання відкритого доступу до матеріалів з метою популяризації наукових досліджень та підвищення цитованості авторів.
