Verschillende industriële, automobiel- en gezondheidszorgtoepassingen zijn afhankelijk van nauwkeurige en nauwkeurige drukmeting. Flexibele en draagbare druksensoren worden meestal vervaardigd met op aardolie gebaseerde polymeren. Het vaste afval dat ontstaat door het gebruik van dergelijke niet-biologisch afbreekbare kunststoffen is schadelijk voor het milieu. Om dit probleem te voorkomen, hebben onderzoekers van het Indian Institute of Science (IISc) nu druksensoren gefabriceerd die papier als medium gebruiken.

Een druksensor detecteert fysieke druk en zet deze om in een elektrisch signaal dat wordt weergegeven in de vorm van een getal dat de grootte aangeeft. Tegenwoordig krijgen op papier gebaseerde elektronische apparaten meer aandacht vanwege hun natuurlijke biologische afbreekbaarheid, uitstekende flexibiliteit, poreuze vezelstructuur, lichtgewicht en lage kosten. Tot dusver ontwikkelde op papier gebaseerde sensoren hebben echter bepaalde nadelen.

"In elke sensor is er altijd een afweging tussen gevoeligheid en dynamisch bereik. We willen een hoge gevoeligheid hebben. Gevoeligheid is in wezen een maatstaf voor de kleinste entiteit (hoeveelheid druk) die we kunnen detecteren. En we willen dat voelen hoeveelheid over een uitgebreid bereik", zegt Navakanta Bhat, professor aan het Center for Nano Science and Engineering (CeNSE) en corresponderende auteur van het artikel gepubliceerd in de ACS Sustainable Chemistry &Engineering . Zijn team heeft een ontwerp voor de papiersensor voorgesteld die dankzij zijn structuur en meerlaagse gelaagdheid een hoge gevoeligheid bereikt en een breed scala aan drukken (0-120 kPa) kan detecteren met een responstijd van 1 milliseconde.

De sensor is gemaakt van gewoon en gegolfd cellulosepapier bedekt met tin-monosulfide (SnS) die afwisselend gestapeld is om een ​​meerlagige architectuur te vormen. SnS is een halfgeleider die onder bepaalde omstandigheden elektriciteit geleidt. "Papier op zich is een isolator. De grootste uitdaging was het kiezen van een geschikte 3D-apparaatstructuur en -materiaal om geleidende eigenschappen aan papier te geven", zegt Neha Sakhuja, een voormalig Ph.D. student aan CeNSE en de eerste auteur van het artikel.

Wanneer er druk wordt uitgeoefend op het oppervlak van de sensor, nemen de luchtspleten tussen de papierlagen af, waardoor het contactoppervlak tussen deze lagen groter wordt. Een groter contactoppervlak leidt tot een betere elektrische geleidbaarheid. Bij het aflaten van de druk nemen de luchtspleten weer toe, waardoor de elektrische geleiding afneemt. Deze modulatie van de elektrische geleidbaarheid stuurt het detectiemechanisme van de papiersensor aan.

"Onze belangrijkste bijdrage is de eenvoud van het apparaat. Het is alsof je origami van papier maakt", legt Bhat uit.

De sensor is veelbelovend om te worden ontwikkeld tot een flexibel en draagbaar elektronisch apparaat, vooral in de zorgsector. Het onderzoeksteam monteerde het bijvoorbeeld op een menselijke wang om de beweging bij het kauwen te onderzoeken, bond het vast aan een arm om spiercontractie te controleren en rond vingers om hun tikken te volgen. Het team ontwierp zelfs een numeriek, opvouwbaar toetsenbord dat is gemaakt met behulp van de interne druksensor op papier om de bruikbaarheid van het apparaat te demonstreren.

"De toekomstige toepassingen van dit apparaat worden alleen beperkt door onze verbeelding", zegt Bhat. "We zouden [ook] willen werken aan het vergroten van de stabiliteit en duurzaamheid van deze sensoren en mogelijk samenwerken met industrieën om ze in grote aantallen te produceren." + Verder verkennen

Ontwikkeling van hoogwaardige, draagbare verplaatsingssensoren met hoge spanning