Перейти до вмісту
Наукові вісті КПІ
ISSN 2617-5509 · e‑ISSN 2663-7472 Відкритий доступ · CC BY 4.0
Т. · № 2 · 2021 сер 31, 2021 статті

ГНУЧКА ТА БІОРОЗКЛАДНА СЕНСОРИКА: МАТЕРІАЛИ, ТЕХНОЛОГІЯ ВИГОТОВЛЕННЯ ТА ПРИЛАДИ НА ЇЇ ОСНОВІ

ВЛ
Владислав Анатолійович Лапшуда Відповідальний Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, Ukraine Україна
ВК
Вікторія Михайлівна Коваль Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, Ukraine Україна
Опублікованосер 31, 2021
PDF
НВКПІ 2 ТОМ · 2
ТОМ · № 2 · 2021 Переглянути випуск

Анотація

Проблематика. Для виготовлення приладів гнучкої електроніки, зокрема сенсорів, використовують багато матеріалів і технологій, тому актуальним є огляд матеріалів і технологій виготовлення гнучких сенсорів, які б за величиною чутливості не поступались їх твердотілим аналогам. До того ж у більшості сучасних технологій гнучкої електроніки використовують синтетичні полімери, виробництво яких забруднює довкілля та які потребують утилізації наприкінці терміну служби. Тому існує проблема пошуку екологічно дружнього матеріалу, альтернативного синтетичним полімерам. Мета дослідження. Визначити конструктивно-технологічні особливості виготовлення та застосування гнучких і біорозкладних електронних сенсорів. Методика реалізації. Аналіз, класифікація та порівняння матеріалів і технологій виготовлення гнучких сенсорів, які б за величиною чутливості не поступалися їх твердотілим аналогам. Зіставлення технологій та основних характеристик гнучких сенсорів, виготовлених на основі синтетичних і біорозкладних матеріалів. Результати дослідження. Визначено конструктивно-технологічні особливості виготовлення та застосування гнучких електронних сенсорів у порівнянні з їх твердотілими аналогами. Встановлено три групи матеріалів підкладок, які можна використовувати для синтезу гнучких сенсорів; проаналізовано їхні робочі характеристики. Зіставлено технології виготовлення гнучких електронних сенсорів з погляду екологічності, економічності та технологічності. Висновки. Найбільш перспективним біорозкладним матеріалом, на основі якого можна створити гнучкий сенсор, є наноцелюлоза. Перспективними є різні типи друку як технології виготовлення такого пристрою, оскільки вони недорогі та можуть забезпечити високу продуктивність виробництва. На основі одержаних результатів можна вдосконалювати наявні та розробляти нові методи створення приладів гнучкої електроніки, що не потребують утилізації.

Ключові слова

#гнучка сенсорика #біорозкладна електроніка #наноцелюлоза

Посилання

  1. ScienceDirect [Online]. Available: https://www.sciencedirect.com
  2. S. Gupta et al., “Ultra-thin silicon based piezoelectric capacitive tactile sensor,” Procedia Eng., vol. 168, pp. 662–665, 2016. doi:10.1016/j.proeng.2016.11.242
  3. J. N. Burghartz et al., “Ultra-thin chip technology and applications, a new paradigm in silicon technology,” Solid-State Electron., vol. 54, no. 9, pp. 818–829, 2010. doi: 10.1016/j.sse.2010.04.042
  4. J. Van den Brand et al., “Flexible and stretchable electronics for wearable health devices,” Solid-State Electron., vol. 113, pp. 116–120, 2015. doi: 10.1016/j.sse.2015.05.024
  5. M. Marengo et al., “Flexible temperature and flow sensor from laser-induced graphene,” in 2017 IEEE Sensors, 2017, doi: 10.1109/icsens.2017.8234429
  6. Y. Zhang et al., “Flexible transparent high-voltage diodes for energy management in wearable electronics,” Nano Energy, vol. 40, pp. 289–299, 2017. doi: 10.1016/j.nanoen.2017.08.025
  7. K. Sakuma, Flexible, Wearable, and Stretchable Electronics. Boca Raton, United States : CRC Press, 2020. doi:10.1201/9780429263941
  8. R.W. Li and G. Liu, Eds., Flexible and Stretchable Electronics: Materials, Designs, and Devices. Boca Raton, United States : Jenny Stanford Publishing, 2019. doi: 10.1201/9780429058905
  9. R. Samal and C.S. Rout, “Wearable and Flexible Sensors Based on 2D and Nanomaterials,” in Fundamentals and Sensing Applications of 2D Materials, M. Hywel et al., Eds. Woodhead Publishing, 2019, pp. 437–463. doi: 10.1016/b978-0-08-102577-2.00012-9
  10. J-W. Lee et al., “High sensitivity flexible paper temperature sensor and body-attachable patch for thermometers,” Sensors Actuators A: Phys., vol. 313, 2020. doi: 10.1016/j.sna.2020.112205
  11. J. Courbat et al., “Inkjet printing on paper for the realization of humidity and temperature sensors,” in 16th Int. Solid-State Sensors, Actuators Microsystems Conf., 2011, pp. 1356–1359.
  12. Y.H. Jung et al., “High-performance green flexible electronics based on biodegradable cellulose nanofibril paper,” Nature Commun., vol. 6, no. 1, 7170, 2015. doi:10.1038/ncomms8170
  13. M. Jedrzejczak-Krzepkowska et al., “Bacterial NanoCellulose Synthesis, Recent Findings,” in Bacterial Nanocellulose. Amsterdam: Elsevier, 2017, pp. 19–46. doi: 10.1016/b978-0-444-63458-0.00002-0
  14. S. Öztürk and N. Kılınç, “Pd thin films on flexible substrate for hydrogen sensor,” J. Alloys Compounds, vol. 674, pp. 179–184, 2016. doi: 10.1016/j.jallcom.2016.03.042
  15. Y.-Q. Tang et al., “Thin film thermocouple fabrication and its application for real-time temperature measurement inside PEMFC,” Int. J. Heat Mass Transfer, vol. 141, pp. 1152–1158, 2019. doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.07.048
  16. V. Pandey et al., “Piezoresistive pressure sensor using nanocrystalline silicon thin film on flexible substrate,” Sensors Actuators A: Phys., vol. 316, p. 112372, 2020. doi:10.1016/j.sna.2020.112372
  17. C. Bali et al., “Fully inkjet-printed flexible temperature sensors based on carbon and PEDOT:PSS1,” Mater. Today: Proc., vol. 3, no. 3, pp. 739–745, 2016. doi: 10.1016/j.matpr.2016.02.005
  18. Y. Yang et al., “Flexible piezoelectric pressure sensor based on polydopamine-modified BaTiO3/PVDF composite film for human motion monitoring,” Sensors Actuators A: Phys., vol. 301, p. 111789, 2020. doi: 10.1016/j.sna.2019.111789
  19. M. Ma et al., “Self-powered flexible antibacterial tactile sensor based on triboelectric-piezoelectric-pyroelectric multi-effect coupling mechanism,” Nano Energy, vol. 66, p. 104105, 2019. doi: 10.1016/j.nanoen.2019.104105
  20. V. Panwa and G. Anoop, “Flexible piezoresistive strain sensor based on optimized elastomer-electronic polymer blend,” Meas., vol. 168, p. 108406, 2021. doi: 10.1016/j.measurement.2020.108406
  21. X. Zhao et al., “Flexible PEDOT:PSS/polyimide aerogels with linearly responsive and stable properties for piezoresistive sensor applications,” Chem. Eng. J., vol. 395, p. 125115, 2020. doi: 10.1016/j.cej.2020.125115
  22. M.-S. Tsai et al., “Fabrication of a highly sensitive flexible humidity sensor based on Pt/polythiophene/reduced graphene oxide ternary nanocomposite films using a simple one-pot method,” Sensors Actuators B: Chem., vol. 324, p. 128728, 2020. doi: 10.1016/j.snb.2020.128728
  23. H.J. Kim and Y.J. Kim, “High performance flexible piezoelectric pressure sensor based on CNTs-doped 0–3 ceramic-epoxy nanocomposites,” Mater. & Des., vol. 151, pp. 133–140, 2018. doi: 10.1016/j.matdes.2018.04.048
  24. W. He et al., “Flexible single-electrode triboelectric nanogenerators with MXene/PDMS composite film for biomechanical motion sensors,” Nano Energy, vol. 78, p. 105383, 2020. doi: 10.1016/j.nanoen.2020.105383
  25. Y.-W. Cai et al., “A flexible ultra-sensitive triboelectric tactile sensor of wrinkled PDMS/MXene composite films for E-skin,” Nano Energy, vol. 81, p. 105663, 2021. doi: 10.1016/j.nanoen.2020.105663
  26. S. Ali et al., “Flexible and passive photo sensor based on perylene/graphene composite,” Sensors Actuators B: Chem., vol. 220, pp. 634–640, 2015. doi: 10.1016/j.snb.2015.05.128
  27. H. Zhu et al., “Bending strain induced photocurrent crossover from positive to negative in the flexible organic phototransistors,” Organic Electron., vol. 79, p. 105614, 2020. doi: 10.1016/j.orgel.2019.105614
  28. H. Jeong et al., “Highly stable and sensitive resistive flexible humidity sensors by means of roll-to-roll printed electrodes and flower-like TiO2 nanostructures,” Ceramics Int., vol. 45, no. 1, pp. 985–992, 2019. doi: 10.1016/j.ceramint.2018.09.276
  29. Y. K. Kim et al., “ZnO nanostructure electrodeposited on flexible conductive fabric: A flexible photo-sensor,” Sensors Actuators B: Chem., vol. 240, pp. 1106–1113, 2017. doi: 10.1016/j.snb.2016.09.072
  30. C. Wang et al., “Large scale synthesis and gas-sensing properties of anatase TiO2 Three-dimensional hierarchical nanostructures,” Langmuir, vol. 26, no. 15, pp. 12841–12848, 2010. doi: 10.1021/la100910u
  31. L. Lan et al., “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 Bioelectron., vol. 165, p. 112360, 2020. doi: 10.1016/j.bios.2020.112360
  32. A.S. Tanenbaum, Structured Computer Organization. London, CA: Pearson, 2015.
  33. A. Kafy et al., “Cellulose nanocrystal/graphene oxide composite film as humidity sensor,” Sensors Actuators A: Phys., vol. 247, pp. 221–226, 2016. doi: 10.1016/j.sna.2016.05.045
  34. Y. Huang et al., “High-resolution flexible temperature sensor based graphite-filled polyethylene oxide and polyvinylidene fluoride composites for body temperature monitoring,” Sensors Actuators A: Phys., vol. 278, pp. 1–10, 2018. doi: 10.1016/j.sna.2018.05.024
  35. M.D. Dankoco et al., “Temperature sensor realized by inkjet printing process on flexible substrate,” Mater. Sci. Eng.: B, vol. 205, pp. 1–5, 2016. doi: 10.1016/j.mseb.2015.11.003
  36. A. Aliane et al., “Enhanced printed temperature sensors on flexible substrate,” Microelectron. J., vol. 45, no. 12, pp. 1621–1626, 2014. doi: 10.1016/j.mejo.2014.08.011
  37. Z. Liu et al., “A temperature sensor based on flexible substrate with ultra-high sensitivity for low temperature measurement,” Sensors Actuators A: Phys., vol. 315, p. 112341, 2020. doi: 10.1016/j.sna.2020.112341
  38. Ju.M. Poplavko, Physics of the isolators: handbook, Kyiv, Ukraine: NTUU «KPI», 2015.
  39. Y. Suna et al., “Flexible piezoelectric energy harvester/sensor with high voltage output over wide temperature range,” Nano Energy, vol. 61, pp. 337–345, 2019. doi: 10.1016/j.nanoen.2019.04.055
  40. N.-I. Kim et al., “Piezoelectric pressure sensor based on flexible gallium nitride thin film for harsh-environment and high-temperature applications,” Sensors Actuators A: Phys., vol. 305, p. 111940, 2020. doi: 10.1016/j.sna.2020.111940
  41. H. Yuan et al., “Flexible electronic skins based on piezoelectric nanogenerators and piezotronics,” Nano Energy, vol. 59, pp. 84–90, 2019. doi: 10.1016/j.nanoen.2019.01.072
  42. J. He et al., “Trampoline inspired stretchable triboelectric nanogenerators as tactile sensors for epidermal electronics,” Nano Energy, vol. 81, p. 105590, 2021. doi: 10.1016/j.nanoen.2020.105590
  43. H. Askari et al., “A flexible tube-based triboelectric–electromagnetic sensor for knee rehabilitation assessment,” Sensors Actuators A: Phys., vol. 279, pp. 694–704, 2018. doi: 10.1016/j.sna.2018.05.016
  44. H. Askari et al., “A flexible hybridized electromagnetic-triboelectric multi-purpose self-powered sensor,” Nano Energy, vol. 45, pp. 319–329, 2018. doi: 10.1016/j.nanoen.2018.01.011
  45. V. Ferrari and M. Prudenziati, “Printed thick-film capacitive sensors,” in Printed Films. Illinois: Woodhead, 2012, pp. 193–220. doi: 10.1533/9780857096210.2.193
  46. H. Zhu et al., “Influences of compression cycles on piezocapacitive effect of carbon black filled silicone rubber composite,” Sensors Actuators A: Phys., vol. 271, pp. 192–200, 2018. doi: 10.1016/j.sna.2017.12.059
  47. X. Wang et al., “Flexible and low-voltage phototransistor based on novel self-assembled phosphonic acids monolayers,” Synth. Metals, vol. 269, p. 116563, 2020. doi: 10.1016/j.synthmet.2020.116563
  48. R.A. Talib et al., “ZnO nanorods/polyaniline heterojunctions for low-power flexible light sensors,” Materials Chem. Phys., vol. 181, pp. 7–11, 2016. doi: 10.1016/j.matchemphys.2016.06.061
  49. C.W. Jang et al., “Highly-flexible and -stable deep-ultraviolet photodiodes made of graphene quantum dots sandwiched between graphene layers” Dyes Pigments, vol. 163, pp. 238–242, 2019. doi: 10.1016/j.dyepig.2018.12.005
  50. E. Kraker et al., “Organic photodiodes on flexible substrates,” Thin Solid Films, vol. 518, no. 4, pp. 1214–1217, 2009. doi: 10.1016/j.tsf.2009.03.228
  51. L.L. Lavery et al., “All ink-jet printed polyfluorene photosensor for high illuminance detection,” Organic Electron., vol. 12, no. 4, pp. 682–685, 2011. doi: 10.1016/j.orgel.2011.01.023
  52. S. Li et al., “Flexible semitransparent perovskite solar cells with gradient energy levels enable efficient tandems with Cu(In,Ga)Se2,” Nano Energy, vol. 78, p. 105378, 2020. doi: 10.1016/j.nanoen.2020.105378
  53. J.-H. Kim et al., “Flexible and low power CO gas sensor with Au-functionalized 2D WS2 nanoflakes,” Sensors Actuators B: Chem., vol. 313, p. 128040, 2020. doi: 10.1016/j.snb.2020.128040
  54. A. Molina et al., “A review on hybrid and flexible CO2 gas sensors,” Synthetic Metals, vol. 270, p. 116602, 2020. doi: 10.1016/j.synthmet.2020.116602
  55. A. Gusain et al., “Flexible NO gas sensor based on conducting polymer poly[N -9′-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4′,7′-di-2-thienyl-2′,1′,3′-benzothiadiazole)] (PCDTBT),” Sensors Actuators B: Chem., vol. 239, pp. 734–745, 2017. doi: 10.1016/j.snb.2016.07.176
  56. Z. Yang et al., “Flexible resistive NO2 gas sensor of three-dimensional crumpled MXene Ti3C2Tx/ZnO spheres for room temperature application,” Sensors Actuators B: Chem., vol. 326, p. 128828, 2021. doi: 10.1016/j.snb.2020.128828
  57. H.J. Park et al., “Highly flexible, mechanically stable, and sensitive NO2 gas sensors based on reduced graphene oxide nanofibrous mesh fabric for flexible electronics,” Sensors Actuators B: Chem., vol. 257, pp. 846–852, 2018. doi: 10.1016/j.snb.2017.11.032
  58. X. Li et al., “Toward agricultural ammonia volatilization monitoring: A flexible polyaniline/Ti3C2T hybrid sensitive films based gas sensor,” Sensors Actuators B: Chem., vol. 316, p. 128144, 2020. doi: 10.1016/j.snb.2020.128144
  59. , Y. Zhang et al., “Ultrasensitive flexible NH3 gas sensor based on polyaniline/SrGe4O9 nanocomposite with ppt-level detection ability at room temperature,” Sensors Actuators B: Chem., vol. 319, p. 128293, 2020. doi: 10.1016/j.snb.2020.128293
  60. D. Zhang et al., “Flexible and highly sensitive H2S gas sensor based on in-situ polymerized SnO2/rGO/PANI ternary nanocomposite with application in halitosis diagnosis,” Sensors Actuators B: Chem., vol. 289, pp. 32–41, 2019. doi: 10.1016/j.snb.2019.03.055
  61. M.A. Zahed et al., “Highly flexible and conductive poly (3, 4-ethylene dioxythiophene)-poly (styrene sulfonate) anchored 3-dimensional porous graphene network-based electrochemical biosensor for glucose and pH detection in human perspiration,” Biosensors Bioelectron., vol. 160, p. 112220, 2020. doi: 10.1016/j.bios.2020.112220
  62. V. Koval et al., “Application of nanocellulose in humidity sensors for biodegradable electronics” in 2020 IEEE 10th Int. Conf. Nanomaterials: Applications & Properties (NAP), 2020, pp. 1–5. doi: 10.1109/NAP51477.2020.9309598
  63. J.R. Ansari et al., “Nanocellulose-based materials/composites for sensors,” in Nanocellulose Based Composites for Electronics. Amsterdam: Elsevier, 2021, pp. 185–214. doi: 10.1016/B978-0-12-822350-5.00008-4
  64. T. Naghdi et al., “Nanopaper-based sensors,” in Comprehensive Analytical Chemistry, vol. 89, 2020, pp. 257–312. doi: 10.1016/bs.coac.2020.02.003
  65. Y. Guo et al., “Engineering thermally and electrically conductive biodegradable polymer nanocomposites,” Composites Part B: Eng., vol. 189, p. 107905, 2020. doi: 10.1016/j.compositesb.2020.107905
  66. M. Seck et al., “Organic FETs using biodegradable almond gum as gate dielectric: A promising way towards green electronics,” Organic Electron., vol. 83, p. 105735, 2020. doi: 10.1016/j.orgel.2020.105735
  67. V.A. Barbash et al., “Preparation and properties of nanocellulose from organosolv straw pulp,” Nanoscale Res. Lett., vol. 12, no. 1, 2017. doi: 10.1186/s11671-017-2001-4
  68. R. Tong et al., “Highly transparent, weakly hydrophilic and biodegradable cellulose film for flexible electroluminescent devices,” Carbohydr. Polym., vol. 227, p. 115366, 2020. doi: 10.1016/j.carbpol.2019.115366
  69. M. Khalifa et al., “Smart paper from graphene coated cellulose for high-performance humidity and piezoresistive force sensor,” Synthetic Metals, vol. 266, p. 116420, 2020. doi: 10.1016/j.synthmet.2020.116420
  70. Y. Yao et al., “Facile fabrication of high sensitivity cellulose nanocrystals based QCM humidity sensors with asymmetric electrode structure,” Sensors Actuators B: Chem., vol. 302, p. 127192, 2020. doi: 10.1016/j.snb.2019.127192
  71. Z. Duan et al., “Halloysite nanotubes: Natural, environmental-friendly and low-cost nanomaterials for high-performance humidity sensor,” Sens. Actuator B Chem., vol. 317, p. 128204, 2020. doi: 10.1016/j.snb.2020.128204
  72. A. Kafy et al., “Cellulose nanocrystal/graphene oxide composite film as humidity sensor,” Sensors Actuators A: Phys., vol. 247, pp. 221–226, 2016. doi: 10.1016/j.sna.2016.05.045
  73. S. Xu et al., “Nanocellulose-assisted dispersion of graphene to fabricate poly(vinyl alcohol)/graphene nanocomposite for humidity sensing,” Composites Sci. Technol., vol. 131, pp. 67–76, 2016. doi: 10.1016/j.compscitech.2016.05.014
  74. M. Khalifa et al., “Smart paper from graphene coated cellulose for high-performance humidity and piezoresistive force sensor,” Synthetic Metals, vol. 266, p. 116420, 2020. doi: 10.1016/j.synthmet.2020.116420
  75. J. Yan et al., “Flexible and high-sensitivity piezoresistive sensor based on MXene composite with wrinkle structure,” Ceram. Int., vol. 46, no. 15, pp. 23592–23598, 2020. doi: 10.1016/j.ceramint.2020.06.131
§ 06 — Пов'язані

Схожі статті в цьому журналі

Пов'язані рецензовані дослідження, опубліковані в цьому журналі.
Усі випуски

МЕТОДИКА ФОРМУВАННЯ ІНФОРМАТИВНОГО ПРОСТОРУ ОЗНАК ТЕХНІЧНИХ ІНДИКАТОРІВ ФІНАНСОВИХ ПРОЦЕСІВ НА ОСНОВІ НЕЙРОМЕРЕЖЕВИХ МОДЕЛЕЙ

Роман Тертичний, Денис Чупрін, Петро Бідюк

Проблематика. Фінансові часові ряди характеризуються нелінійністю, нестаціонарністю та високим рівнем шуму, що суттєво ускладнює їх моделювання та прогнозування.…

#методика формування інформативного простору ознак #технічні індикатори #волатильність Паркінсона #нейронні мережі
10.20535/kpisn.2026.3.359610

МЕТОДИ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ЦІЛІСНОСТІ ОБРОБКИ ТА ПЕРЕДАЧІ ДАНИХ У ПРОМИСЛОВИХ СИСТЕМАХ АВТОМАТИЗАЦІЇ

Ярослав Корпань, Євген Федоров, Ольга Нечипоренко

Проблематика. Сучасні промислові системи контролю характеризуються високим рівнем інтеграції інформаційних і фізичних процесів та використанням розподілених…

#промислові системи автоматизації #SCADA-системи #цілісність даних #кібербезпека ICS
10.20535/kpisn.2026.3.361520

МЕТОДИКА ПАРАМЕТРИЧНОГО СИНТЕЗУ ЗУМ-АФОКАЛЬНИХ СИСТЕМ НА ОСНОВІ НЕРУХОМИХ ВАРІОЛІНЗ

Ігор Г. Чиж

Проблематика Зум-оптичні системи, в яких використовуються механічно нерухомі електрично керовані варіолінзи, не можуть вважатися такими, що мають нерухомі оптичні…

#зум-афокальні системи #головні точки варіолінз #синтез зум-афокальних систем #стабільна афокальність зум-системи
10.20535/kpisn.2026.3.351645

Схожі статті

Ви також можете розпочати розширений пошук схожих статей для цієї статті.