Целлюлоза, смоченная в тщательно разработанной полимерной смеси, одновременно служит датчиком для измерения давления, температуры и влажности. Измерения полностью независимы друг от друга. Датчик может найти широкое применение в таких областях, как робототехника, здравоохранение и безопасность.
Способность измерять давление, температуру и влажность важна во многих приложениях, таких как наблюдение за пациентами дома, робототехника, электронная кожа, функциональный текстиль, наблюдение и безопасность, и это лишь некоторые из них. Исследования до сих пор были нацелены на интеграцию различных датчиков в одну и ту же схему, и это создавало несколько технических проблем, не в последнюю очередь касающихся интерфейса для пользователя.
Ученые из Лаборатории органической электроники Университета Линчёпинга под руководством профессора Ксавье Криспина успешно соединили все три измерения в одном датчике.
Credit: Thor Balkhed
Это стало возможным благодаря разработке эластичного аэрогеля из полимеров, который проводит как ионы, так и электроны, и последующей эксплуатации термоэлектрического эффекта. Термоэлектрический материал - это материал, в котором электроны движутся от холодной стороны материала к теплой стороне и, таким образом, создают разность напряжений.
Когда нановолокна целлюлозы смешивают с проводящим полимером PEDOT: PSS в воде и смесь лиофилизируют в вакууме, полученный материал имеет такую же структуру, как губка для мытья, аэрогель. Добавление вещества, известного как полисилан, делает губку эластичной. Приложение электрического потенциала к материалу дает линейное увеличение тока, типичное для любого резистора. Но когда материал подвергается давлению, его сопротивление падает, и электроны легче движутся через него.
Поскольку материал является термоэлектрическим, также можно измерять изменения температуры: чем больше разница температур между теплой и холодной сторонами, тем выше напряжение. Влажность влияет на то, как быстро ионы перемещаются с теплой стороны на холодную. Если влажность равна нулю, ионы не транспортируются.
«Новым является то, что мы можем различать термоэлектрический отклик электронов (давая градиент температуры) и отклик ионов (определяющий уровень влажности), следуя электрическому сигналу в зависимости от времени. Это происходит потому, что два отклика происходят при разных скоростях», - говорит Ксавье Криспин, профессор Лаборатории органической электроники и главный автор статьи, опубликованной в Advanced Science.
«Это означает, что мы можем измерять три параметра одним материалом, не связывая разные измерения», - говорит он.
Шаобо Хан, докторант, также нашел способ отделить три сигнала друг от друга, так что каждый из них может быть просто прочитан индивидуально.
«Наш уникальный датчик также подготавливает почву для Интернета вещей и снижает сложность и производственные затраты. Это преимущество не в последнюю очередь в индустрии безопасности. Еще одно возможное применение - размещение датчиков в упаковках с чувствительными товарами», - говорит Симоне Фабиано, также соавтор работы.
Источник: Shaobo Han, Naveed Ul Hassan Alvi, Lars Granlöf, Hjalmar Granberg, Magnus Berggren, Simone Fabiano, Xavier Crispin. A Multiparameter Pressure-Temperature-Humidity Sensor Based on Mixed Ionic-Electronic Cellulose Aerogels. Advanced Science, 2019; 1802128 DOI: 10.1002/advs.201802128