西工程大楊杰/西安交大張迪 ACS AMI：基于二級表面微結構MXene柔性壓力傳感器用于體征體態信號采集

2023-12-22 來源：高分子科技

作為智能可穿戴設備的核心組件之一，柔性力學傳感器具有識別各種人體體征體態信號的功能，從而可廣泛應用于人機交互平臺、智能健康監護、虛擬/增強現實等領域。MXene材料擁有超高的電導率和靈活可調的層間距，是適用于開發高性能柔性壓力傳感器的理想材料。而薄膜結構MXene力學傳感在壓力作用下容易達到力飽和，促使傳感器的高靈敏性和寬線性響應范圍難以兼顧。表面圖案化策略提升薄膜結構MXene力學傳感器靈敏度和響應范圍的有效方法；而圖案化柔性基底和MXene活性響應層之間的界面結合強度是影響器件靈敏性和使用壽命的關鍵因素。因此，需要通過合理化的材料結構設計，使得MXene柔性壓力傳感器綜合性能的得以兼顧。

基于上述問題，西安工程大學柔性功能材料及可穿戴器件團隊采用斑馬竹芋植物模板二次壓印結合納米纖維素誘導自組裝策略，首先制備得到表面微陣列PDMS薄膜，然后在薄膜表面進行MXene自組裝，得到具有微陣列和插層雙重結構的MBP壓力傳感薄膜（圖1）。在不同壓力負載下，彈性PDMS微陣列和細菌纖維/MXene插層結構的協同變化，賦予HBT壓力傳感器高的響應靈敏度和寬的線性響應范圍。同時，MXene和細菌纖維素通過氫鍵自組裝形成的互鎖結構，可有效防止壓力作用下的響應活性層破壞和脫落等問題，使得傳感器的循環穩定性極大增強。所研制的傳感器可用于人體全范圍運動信號的實時、有效監測以及信號的無線傳輸。該研究以“Dual-Stage Surficial Microstructure to Enhance the Sensitivity of MXene Pressure Sensors for Human Physiological Signal Acquisition”為題發表在國際著名期刊ACS Applied Materials & Interfaces上，西安工程大學楊杰副教授為本文通訊兼第一作者，西安交通大學張迪助理教授為共同通訊作者。

圖1 表面二級微結構的MBP傳感薄膜的制備過程示意圖

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）環氧反模SEM圖像，（b）表面微陣列結構的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插層結構SEM圖像。

圖4 傳感性能測試：（a）測試裝置示意圖，（b）不同BC濃度的MBP傳感器靈敏度曲線，（c）I-V曲線，（d）對不同壓力的實時響應曲線，（e）檢測限，（f）響應、恢復時間，（g）對不同頻率刺激的響應以及（e）循環穩定性。

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

圖6 MBP可穿戴傳感器人體信號采集性能：（a-d）對不同肢體動作的實時監測性能，（e, f）對吞咽和發音等喉部運動的監測，（g）正常成人腕部脈搏信號的采集以及（h）對采集到的人體生理信號實現藍牙無線傳輸。

該工作得到國家自然科學基金、陜西省自然科學基金、陜西省教育廳專項和西安市紡織復合材料重點實驗室項目的資助。

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

版權與免責聲明：中國聚合物網原創文章。刊物或媒體如需轉載，請聯系郵箱：info@polymer.cn，并請注明出處。

（責任編輯：xu）

【大中小】【打印】【關閉】

誠邀關注高分子科技

更多>>最新資訊

更多>>科教新聞

私密直播全婐app免费大渔直播,国产av成人无码免费视频,男女同房做爰全过程高潮,国产精品自产拍在线观看

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

誠邀關注高分子科技