华中大刘逆霜团队 ACS Nano：基于压力传感原理的MXene/BC薄膜声音探测器

2022-05-07 来源：高分子科技

柔性压力传感器作为重要的可穿戴电子设备引起了广泛关注。但大多数传统研究仅着力于器件的传感性能测试和简单的人体运动检测，没有很好地开发其在日常生活中的应用。针对此需求，华中科技大学刘逆霜课题组提出了将基础器件应用于实践的研究思路，制备能够感知微小压力的纸基压力传感器，并研究其在高灵敏度传感领域作为可穿戴声音探测器的应用。

人类生活在被声音包围的空间里，自然声和人为声是人们感知世界最直观的渠道，对声信号的识别和处理也是人工智能技术的重要组成部分。近年来，压力传感设备受到了广泛的关注。值得关注的是，紧贴于喉咙皮肤的传感设备能够通过感知肌肉运动带来的压力变化完成对语音的收集和识别；而当能感知微弱压力的传感器暴露于空气中时，声音传递引起的空气压力波能被迅速地探测和转化为相应的电信号。本工作利用真空抽滤获得BC插层的MXene薄膜，以普通纸张为柔性基板，制备可降解的纸基压力传感器，并对其作为声音探测器的应用进行了探索。

图1 MXene/BC薄膜压力传感器的物理化学表征和工作机制示意图

得益于一维BC纤维插层二维MXene纳米片构建的立体式隔离层结构，材料内部具有较多的可变化的导电接触点。因此，在外部压力下该器件展现出了优越的压力传感性能：小压力范围内的宽线性检测范围、高灵敏度、快速响应/恢复时间、长期循环稳定性等。作为声音探测器时，该器件可以通过监测喉部肌肉运动对语言的最小结构单元与声音属性的变化进行采集识别，为发音障碍问题提供了解决方法；能够模拟耳膜的工作原理，感知声音传递时空气周期性振荡带来的压力变化，对自然声进行探测分辨；在声音可视化技术中，可以通过对诗歌朗诵信号和回旋乐声波的探测实现对声音形态的捕捉和呈现。

图2 MXene/BC薄膜的压力传感性能

图3 MXene/BC声音探测器对语言信号的识别

图4 MXene/BC声音探测器对自然声信号的分辨

图5 MXene/BC声音探测器在声音可视化技术中的应用

相关研究工作目前以”Flexible MXene/bacterial cellulose film sound detector based on piezoresistive sensing mechanism”为题发表于ACS Nano。论文第一作者为华中科技大学硕士研究生苏拓薏，华中科技大学刘逆霜副教授为该论文的通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金（批准号：51872106、11874025）等的支持。

该工作是团队近期研究的最新进展之一。针对目前压力传感器及集成器件面临的挑战和问题，利用原电池-传感器转换机制的设计，团队开发了一系列自驱动传感器，实现了原电池与传感器的一体化集成创新：制备具有纳米堆叠层状结构的GO膜，研究了水合度对GO膜离子导电性的影响规律，证实了高水合度对GO离子电导率的增强作用以及GO层间的压力可调控性能（Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2108856）；利用泡沫金属的多孔结构和导电性，将其作为水分子进入端的电极，进一步探究水合度对GO膜的调控作用，考察了原电池传感器的自驱动能力和非接触式应用（Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2107330）。最近，通过对新型二维材料MXenes基本性质的探索与梳理，团队进行了一系列相关工作研究（Nano Energy, 2021, 87, 106151; Chem. Eng. J. 2021, 417, 129288; Nanotechnology, 2021, 32, 505509）,并对MXenes材料在可穿戴压力传感领域的研究进展进行了综述（Adv. Mater. 2022, 2110608; APL Mater. 2020, 8, 110702）。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c03155

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（责任编辑：xu）

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