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西工程大楊杰/西安交大張迪 ACS AMI：基于二級(jí)表面微結(jié)構(gòu)MXene柔性壓力傳感器用于體征體態(tài)信號(hào)采集
2023-12-22  來(lái)源：高分子科技

  作為智能可穿戴設(shè)備的核心組件之一，柔性力學(xué)傳感器具有識(shí)別各種人體體征體態(tài)信號(hào)的功能，從而可廣泛應(yīng)用于人機(jī)交互平臺(tái)、智能健康監(jiān)護(hù)、虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域。MXene材料擁有超高的電導(dǎo)率和靈活可調(diào)的層間距，是適用于開(kāi)發(fā)高性能柔性壓力傳感器的理想材料。而薄膜結(jié)構(gòu)MXene力學(xué)傳感在壓力作用下容易達(dá)到力飽和，促使傳感器的高靈敏性和寬線性響應(yīng)范圍難以兼顧。表面圖案化策略提升薄膜結(jié)構(gòu)MXene力學(xué)傳感器靈敏度和響應(yīng)范圍的有效方法；而圖案化柔性基底和MXene活性響應(yīng)層之間的界面結(jié)合強(qiáng)度是影響器件靈敏性和使用壽命的關(guān)鍵因素。因此，需要通過(guò)合理化的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得MXene柔性壓力傳感器綜合性能的得以兼顧。


  基于上述問(wèn)題，西安工程大學(xué)柔性功能材料及可穿戴器件團(tuán)隊(duì)采用斑馬竹芋植物模板二次壓印結(jié)合納米纖維素誘導(dǎo)自組裝策略，首先制備得到表面微陣列PDMS薄膜，然后在薄膜表面進(jìn)行MXene自組裝，得到具有微陣列和插層雙重結(jié)構(gòu)的MBP壓力傳感薄膜（圖1）。在不同壓力負(fù)載下，彈性PDMS微陣列和細(xì)菌纖維/MXene插層結(jié)構(gòu)的協(xié)同變化，賦予HBT壓力傳感器高的響應(yīng)靈敏度和寬的線性響應(yīng)范圍。同時(shí)，MXene和細(xì)菌纖維素通過(guò)氫鍵自組裝形成的互鎖結(jié)構(gòu)，可有效防止壓力作用下的響應(yīng)活性層破壞和脫落等問(wèn)題，使得傳感器的循環(huán)穩(wěn)定性極大增強(qiáng)。所研制的傳感器可用于人體全范圍運(yùn)動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)、有效監(jiān)測(cè)以及信號(hào)的無(wú)線傳輸。該研究以“Dual-Stage Surficial Microstructure to Enhance the Sensitivity of MXene Pressure Sensors for Human Physiological Signal Acquisition”為題發(fā)表在國(guó)際著名期刊ACS Applied Materials & Interfaces上，西安工程大學(xué)楊杰副教授為本文通訊兼第一作者，西安交通大學(xué)張迪助理教授為共同通訊作者。


圖1  表面二級(jí)微結(jié)構(gòu)的MBP傳感薄膜的制備過(guò)程示意圖
 

圖2 MXene材料表征：（a）SEM顯微圖像，（b）XRD譜圖，（c）XPS全譜，XPS （d）C 1s, （e）Ti2p 和（f）F1s譜圖。
 

圖3 模板和MBP傳感薄膜表征：（a）環(huán)氧反模SEM圖像，（b）表面微陣列結(jié)構(gòu)的PDMA薄膜表面SEM圖像，MBP傳感薄膜（d）表面和截面（d,e）SEM圖像，（f）MBP傳感薄膜表面的BC/MXene插層結(jié)構(gòu)SEM圖像。
 

圖4 傳感性能測(cè)試：（a）測(cè)試裝置示意圖，（b）不同BC濃度的MBP傳感器靈敏度曲線，（c）I-V曲線，（d）對(duì)不同壓力的實(shí)時(shí)響應(yīng)曲線，（e）檢測(cè)限，（f）響應(yīng)、恢復(fù)時(shí)間，（g）對(duì)不同頻率刺激的響應(yīng)以及（e）循環(huán)穩(wěn)定性。
 

圖5 MPB壓力傳感機(jī)理。利用有限元模擬的（a，c）平面結(jié)構(gòu)MXene/PDMS薄膜和（b，d）MBP薄膜在不同級(jí)別壓力負(fù)載下的表面應(yīng)力分布模型，（e）MBP薄膜在不同級(jí)別壓力負(fù)載下的表面結(jié)構(gòu)、層間距和電阻演化模型。
 

圖6 MBP可穿戴傳感器人體信號(hào)采集性能：（a-d）對(duì)不同肢體動(dòng)作的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)性能，（e, f）對(duì)吞咽和發(fā)音等喉部運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè)，（g）正常成人腕部脈搏信號(hào)的采集以及（h）對(duì)采集到的人體生理信號(hào)實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙無(wú)線傳輸。

  該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、陜西省自然科學(xué)基金、陜西省教育廳專(zhuān)項(xiàng)和西安市紡織復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目的資助。


  論文鏈接：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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（責(zé)任編輯：xu）
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