一種高靈敏度和防水的柔性壓力傳感器

由于在人類保健、電子皮膚和人工智能互動(dòng)方面的潛在應(yīng)用，柔性和可穿戴壓力傳感器在消費(fèi)電子領(lǐng)域獲得了極大的歡迎。MXene由于其高導(dǎo)電性和可控制的層間空間，被認(rèn)為是最理想的候選傳感材料之一。然而，MXene材料的易氧化特性大大限制了傳感器設(shè)備的靈敏度和可靠性，特別是在潮濕的氣候條件下。因此，下一代可穿戴電子設(shè)備非常需要制造具有高靈敏度、快速響應(yīng)能力、優(yōu)良耐久性和防水的MXene壓力傳感器。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，西安工程大學(xué)楊杰/王琛教授研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)簡(jiǎn)單有效的納米纖維素插層和氟改性策略，利用獨(dú)立的疏水性細(xì)菌纖維素（Bacterial Cellulose，BC）/Ti3C2Tx MXene混合薄膜（HBT）作為傳感層，制造了一種高靈敏度和防水的柔性壓力傳感器。獲得的壓力傳感器具有高靈敏度（65.5 /kPa）、快速響應(yīng)（50ms）、寬線性傳感范圍（0.002-30kPa）、低檢測(cè)限（0.57Pa）和超過(guò)50,000次循環(huán)的優(yōu)異重復(fù)性。同時(shí)，由于HBT薄膜的高疏水性表面，即使多次浸入水中，也能很好地保持其出色的傳感特性。受益于優(yōu)異的傳感性能和防水性，HBT傳感器可作為可穿戴式壓力傳感器，監(jiān)測(cè)人類的全方位生理運(yùn)動(dòng)。這項(xiàng)工作為設(shè)計(jì)具有高可靠性的MXene壓力傳感器提供了一個(gè)新的途徑，并證明了HBT傳感器在便攜式生物醫(yī)學(xué)電子領(lǐng)域的應(yīng)用前景。相關(guān)研究以“Water-Tolerant MXene Epidermal Sensors with High Sensitivity and Reliability for Healthcare Monitoring”為題發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces期刊上。

研究人員首先制造了一個(gè)防水和高靈敏度的HBT柔性壓力傳感器，并利用簡(jiǎn)單有效的PFDTMS改性方法，使HBT薄膜富含疏水的表面特性。

圖1 HBT混合膜的制造過(guò)程

圖2 HBT薄膜的材料表征

a, b）HBT復(fù)合膜的光學(xué)照片；c-f）表面（c）、截面（d，e）SEM顯微圖像和元素分布（f）。

其次，研究人員利用BC納米纖維在MXene中的插層提供了一個(gè)有效的緩沖區(qū)，增強(qiáng)了層間分離，并賦予HBT壓力傳感器高靈敏度（65.5 /kPa）、快速響應(yīng)和恢復(fù)率（50:48 ms）、低檢測(cè)限（0.57Pa）和50,000次循環(huán)的長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明，HBT傳感器在監(jiān)測(cè)全范圍的人類生理運(yùn)動(dòng)（包括觸摸、肢體手勢(shì)、交談、面部表情和小鼠振動(dòng)）方面表現(xiàn)出理想的壓力感應(yīng)行為和出色的防水性能。

圖3 HBT傳感器的壓力傳感性能

a）HBT壓力傳感器靈敏度曲線；b）傳感器在微小壓力小的實(shí)時(shí)電流變化；c）傳感器檢測(cè)限；d）響應(yīng)、恢復(fù)時(shí)間；e）循環(huán)穩(wěn)定性。

圖4 HBT傳感器的防水特性

a）BT和HBT柔性壓力傳感器在水中浸泡前、后的實(shí)時(shí)電流變化曲線對(duì)比；b-c）HBT傳感器水中浸泡后的靈敏度曲線（b）和循化壽命（c）。

綜上所述，通過(guò)簡(jiǎn)單有效的疏水修飾策略，成功地創(chuàng)建了一個(gè)帶有BC和MXene的防水壓力傳感器組件。由于BC納米纖維素在MXene夾層中的優(yōu)化設(shè)計(jì)，HBT壓力傳感器實(shí)現(xiàn)了高靈敏度、快速響應(yīng)、超低檢測(cè)限，以及50,000次響應(yīng)行為后的卓越循環(huán)穩(wěn)定性。此外，氟功能化使傳感器表面具有優(yōu)異的疏水性和高抗水性。因此，HBT壓力傳感器即使在經(jīng)歷了反復(fù)的水浸泡后，仍能保持較高的傳感性能和耐久性。基于出色的傳感和防水性能，制備的HBT傳感器可以作為一個(gè)有效的可穿戴式傳感器，即使在潮濕的環(huán)境中也能顯示出對(duì)人類全范圍生理運(yùn)動(dòng)的良好監(jiān)測(cè)能力。這項(xiàng)工作為具有高可靠性的防水壓力傳感器的設(shè)計(jì)提供了新的見(jiàn)解，并表明HBT傳感器具有在醫(yī)療電子、電子皮膚和人機(jī)界面中的應(yīng)用潛力。

圖5 HBT柔性壓力傳感器用于人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)

a）觸摸信號(hào)；b）膝蓋彎曲信號(hào)；c）發(fā)音信號(hào)；d）腕部脈搏信號(hào)；e）運(yùn)動(dòng)前、后出汗?fàn)顟B(tài)下的面部表情識(shí)別。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1021/acsami.2c03731

審核編輯 ：李倩