西工程大杨杰/西安交大张迪 ACS AMI：基于二级表面微结构MXene柔性压力传感器用于体征体态信号采集

2023-12-22 来源：高分子科技

作为智能可穿戴设备的核心组件之一，柔性力学传感器具有识别各种人体体征体态信号的功能，从而可广泛应用于人机交互平台、智能健康监护、虚拟/增强现实等领域。MXene材料拥有超高的电导率和灵活可调的层间距，是适用于开发高性能柔性压力传感器的理想材料。而薄膜结构MXene力学传感在压力作用下容易达到力饱和，促使传感器的高灵敏性和宽线性响应范围难以兼顾。表面图案化策略提升薄膜结构MXene力学传感器灵敏度和响应范围的有效方法；而图案化柔性基底和MXene活性响应层之间的界面结合强度是影响器件灵敏性和使用寿命的关键因素。因此，需要通过合理化的材料结构设计，使得MXene柔性压力传感器综合性能的得以兼顾。

基于上述问题，西安工程大学柔性功能材料及可穿戴器件团队采用斑马竹芋植物模板二次压印结合纳米纤维素诱导自组装策略，首先制备得到表面微阵列PDMS薄膜，然后在薄膜表面进行MXene自组装，得到具有微阵列和插层双重结构的MBP压力传感薄膜（图1）。在不同压力负载下，弹性PDMS微阵列和细菌纤维/MXene插层结构的协同变化，赋予HBT压力传感器高的响应灵敏度和宽的线性响应范围。同时，MXene和细菌纤维素通过氢键自组装形成的互锁结构，可有效防止压力作用下的响应活性层破坏和脱落等问题，使得传感器的循环稳定性极大增强。所研制的传感器可用于人体全范围运动信号的实时、有效监测以及信号的无线传输。该研究以“Dual-Stage Surficial Microstructure to Enhance the Sensitivity of MXene Pressure Sensors for Human Physiological Signal Acquisition”为题发表在国际著名期刊ACS Applied Materials & Interfaces上，西安工程大学杨杰副教授为本文通讯兼第一作者，西安交通大学张迪助理教授为共同通讯作者。

图1 表面二级微结构的MBP传感薄膜的制备过程示意图

图2 MXene材料表征：（a）SEM显微图像，（b）XRD谱图，（c）XPS全谱，XPS （d）C 1s, （e）Ti2p 和（f）F1s谱图。

图3 模板和MBP传感薄膜表征：（a）环氧反模SEM图像，（b）表面微阵列结构的PDMA薄膜表面SEM图像，MBP传感薄膜（d）表面和截面（d,e）SEM图像，（f）MBP传感薄膜表面的BC/MXene插层结构SEM图像。

图4 传感性能测试：（a）测试装置示意图，（b）不同BC浓度的MBP传感器灵敏度曲线，（c）I-V曲线，（d）对不同压力的实时响应曲线，（e）检测限，（f）响应、恢复时间，（g）对不同频率刺激的响应以及（e）循环稳定性。

图5 MPB压力传感机理。利用有限元模拟的（a，c）平面结构MXene/PDMS薄膜和（b，d）MBP薄膜在不同级别压力负载下的表面应力分布模型，（e）MBP薄膜在不同级别压力负载下的表面结构、层间距和电阻演化模型。

图6 MBP可穿戴传感器人体信号采集性能：（a-d）对不同肢体动作的实时监测性能，（e, f）对吞咽和发音等喉部运动的监测，（g）正常成人腕部脉搏信号的采集以及（h）对采集到的人体生理信号实现蓝牙无线传输。

该工作得到国家自然科学基金、陕西省自然科学基金、陕西省教育厅专项和西安市纺织复合材料重点实验室项目的资助。

论文链接：Jie Yang,* Liyuan Liu, Di Zhang,* Hongli Zhang, Jianhua Ma, Jiaojiao Zheng, Chen Wang. Dual-Stage Surficial Microstructure to Enhance the Sensitivity of MXene Pressure Sensors for Human Physiological Signal Acquisition. ACS Applied Materials & Interfaces, 2023.

https://doi.org/10.1021/acsami.3c14780

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（责任编辑：xu）

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