Ємнісні сенсори вологи на основі плівок наноцелюлози для біорозкладної електроніки
Бічна панель сторінки статті
Основний зміст сторінки статті
Анотація
В роботі синтезовано ємнісні сенсори вологи на основі наноцелюлози як вологочутливої плівки. Наноцелюлозу (НЦ) одержано із очерету методом ТЕМРО у вигляді гідрогелю, який наносився зверху на електродну систему сенсора. Виготовлено сенсори з масою вологочутливої плівки від 0.3 до 3.6 мг. Виміряно статичні (чутливість, відгук, гістерезис) та динамічні характеристики (час відгуку та відновлення, коротко- та довготривала стабільність) сенсорів для двох частотах тестового сигналу (100 та 1000 Гц). Показано, що максимальне значення чутливості сенсора (0,165 (%RH)-1) спостерігається для маси НЦ 1,8 мг та частоти тестового сигналу 1 кГц. Мінімальний час відгуку та відновлення становив 100 с та 180 с відповідно для маси плівки НЦ 0,3 мг та частоти тестового сигналу 1 кГц. Мінімальна величина гістерезису сенсорів (0,1%) спостерігається для маси плівки НЦ 0,3…0,4 мг на частоті 1 кГц. Короткотривала стабільність сенсорів була задовільною для плівок наноцелюлози масою 1,8…3,6 мг для обох частот (відхилення сигналу в межах 1…3,5 %), в той час як довготривала стабільність приладів потребує подальшого покращення.
Блок інформації про статтю
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра 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 і заохочує 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 оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
Посилання
Y. H. Jung et al., “High-performance green flexible electronics based on biodegradable cellulose nanofibril paper,” Nature Communications, vol. 6, no. 1, p. 7170, Nov. 2015, DOI: https://doi.org/10.1038/ncomms8170.
J. Zhang, X. Shen, M. Qian, Z. Xiang, and X. Hu, “An optical fiber sensor based on polyimide coated fiber Bragg grating for measurement of relative humidity,” Optical Fiber Technology, vol. 61, p. 102406, Jan. 2021, DOI: https://doi.org/10.1016/j.yofte.2020.102406.
L. Lan, X. Le, H. Dong, J. Xie, Y. Ying, and J. Ping, “One-step and large-scale fabrication of flexible and wearable humidity sensor based on laser-induced graphene for real-time tracking of plant transpiration at bio-interface,” Biosensors and Bioelectronics, vol. 165, p. 112360, Oct. 2020, DOI: https://doi.org/10.1016/j.bios.2020.112360.
C. Zhang et al., “Ultrasensitive and reversible room-temperature resistive humidity sensor based on layered two-dimensional titanium carbide,” Ceramics International, vol. 47, no. 5, pp. 6463–6469, Mar. 2021, DOI: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.10.229.
N. T. T. Ha, D. K. An, P. V. Phong, P. T. M. Hoa, and L. H. Mai, “Study and performance of humidity sensor based on the mechanical–optoelectronic principle for the measurement and control of humidity in storehouses,” Sensors and Actuators B: Chemical, vol. 66, no. 1–3, pp. 200–202, Jul. 2000, DOI: https://doi.org/10.1016/S0925-4005(00)00360-9.
Y. Su et al., “Surface acoustic wave humidity sensor based on three-dimensional architecture graphene/PVA/SiO2 and its application for respiration monitoring,” Sensors and Actuators B: Chemical, vol. 308, p. 127693, Apr. 2020, DOI: https://doi.org/10.1016/j.snb.2020.127693.
Y. Yao, X. Huang, B. Zhang, Z. Zhang, D. Hou, and Z. Zhou, “Facile fabrication of high sensitivity cellulose nanocrystals based QCM humidity sensors with asymmetric electrode structure,” Sensors and Actuators B: Chemical, vol. 302, p. 127192, Jan. 2020, DOI: https://doi.org/10.1016/j.snb.2019.127192.
K. Sakuma, Flexible, Wearable, and Stretchable Electronics. First edition. | Boca Raton : CRC Press, 2020. | Series: Devices, circuits, & systems: CRC Press, 2020, DOI: https://doi.org/10.1201/9780429263941.
R.W. Li and G. Liu, Flexible and Stretchable Electronics. Boca-Raton: Jenny Stanford Publishing, 2019, ISBN: 9780429058905.
R. Samal and C. S. Rout, “Wearable and Flexible Sensors Based on 2D and Nanomaterials,” in Fundamentals and Sensing Applications of 2D Materials, Elsevier, 2019, pp. 437–463. DOI: https://doi.org/10.1016/B978-0-08-102577-2.00012-9
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: https://doi.org/10.20535/kpisn.2021.2.229964.
S. Kwon, H. Kim, and W.-H. Yeo, “Recent advances in wearable sensors and portable electronics for sleep monitoring,” iScience, vol. 24, no. 5, p. 102461, May 2021, DOI: https://doi.org/10.1016/j.isci.2021.102461.
H. Kao, C.-H. Chuang, L.-C. Chang, C.-L. Cho, and H.-C. Chiu, “Inkjet-printed silver films on textiles for wearable electronics applications,” Surface and Coatings Technology, vol. 362, pp. 328–332, Mar. 2019, DOI: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.01.076.
Z. Xu et al., “A conducting polymer PEDOT:PSS hydrogel based wearable sensor for accurate uric acid detection in human sweat,” Sensors and Actuators B: Chemical, vol. 348, p. 130674, Dec. 2021, DOI: https://doi.org/10.1016/j.snb.2021.130674.
H. Zhao, Z. Wang, Y. Li, and M. Yang, “Single-sided and integrated polyaniline/ poly(vinylidene fluoride) flexible membrane with micro/nanostructures as breathable, nontoxic and fast response wearable humidity sensor,” Journal of Colloid and Interface Science, vol. 607, pp. 367–377, Feb. 2022, DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcis.2021.08.214.
J. C. Yeo and C. T. Lim, “Wearable Sensors for Upper Limb Monitoring,” in Wearable Technology in Medicine and Health Care, Elsevier, 2018, pp. 113–134. DOI: https://doi.org/10.1016/B978-0-12-811810-8.00006-3
J. Fontes, “Humidity Sensors,” in Sensor Technology Handbook, Elsevier, 2005, pp. 271–284. DOI: https://doi.org/10.1016/B978-075067729-5/50052-5
S. Xu, W. Yu, X. Yao, Q. Zhang, and Q. Fu, “Nanocellulose-assisted dispersion of graphene to fabricate poly(vinyl alcohol)/graphene nanocomposite for humidity sensing,” Composites Science and Technology, vol. 131, pp. 67–76, Aug. 2016, DOI: https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2016.05.014.
J.-W. Lee, Y. Choi, J. Jang, S.-H. Yeom, W. Lee, and B.-K. Ju, “High sensitivity flexible paper temperature sensor and body-attachable patch for thermometers,” Sensors and Actuators A: Physical, vol. 313, p. 112205, Oct. 2020, DOI: https://doi.org/10.1016/j.sna.2020.112205.
J. R. Ansari, S. M. Hegazy, M. T. Houkan, K. Kannan, A. Aly, and K. K. Sadasivuni, “Nanocellulose-based materials/composites for sensors,” in Nanocellulose Based Composites for Electronics, Elsevier, 2021, pp. 185–214. DOI: https://doi.org/10.1016/B978-0-12-822350-5.00008-4
Y. Guo et al., “Engineering thermally and electrically conductive biodegradable polymer nanocomposites,” Composites Part B: Engineering, vol. 189, p. 107905, May 2020, DOI: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2020.107905.
C. Zinge and B. Kandasubramanian, “Nanocellulose based biodegradable polymers,” European Polymer Journal, vol. 133, p. 109758, Jun. 2020, DOI: https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2020.109758.
V. A. Barbash, O. V. Yaschenko, and O. M. Shniruk, “Preparation and Properties of Nanocellulose from Organosolv Straw Pulp,” Nanoscale Research Letters, vol. 12, no. 1, p. 241, Dec. 2017, DOI: https://doi.org/10.1186/s11671-017-2001-4.
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: https://doi.org/10.1109/NAP51477.2020.9309598.
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,” Applied Nanoscience, vol. 12, no. 4, pp. 835–848, Apr. 2022, DOI: https://doi.org/10.1007/s13204-021-01749-z.
V. Pidlisnyuk, T. Stefanovska, V. Barbash, and T. Zelenchuk, “Characteristics of pulp obtained from miscanthus x giganteus biomass produced in lead-contaminated soil,” Cellulose Chemistry and Technology, vol. 55, no. 3–4, pp. 271–280, Apr. 2021, DOI: https://doi.org/10.35812/CelluloseChemTechnol.2021.55.27.
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,” Sensors and Actuators A: Physical, vol. 247, pp. 221–226, Aug. 2016, DOI: https://doi.org/10.1016/j.sna.2016.05.045.
X. Li et al., “Facile fabrication of laser-scribed-graphene humidity sensors by a commercial DVD drive,” Sensors and Actuators B: Chemical, vol. 321, p. 128483, Oct. 2020, DOI: https://doi.org/10.1016/j.snb.2020.128483.
