ACS Nano：具有超高灵敏度的MXene杂化可穿戴电容式压力传感器

最近，柔性电容式压力传感器在可穿戴电子领域受到了广泛的关注。宽线性范围内的高灵敏度与长期耐用性是制造适用于各种应用的柔性压力传感器的关键要求。韩国光云大学Jae Yeong Park教授团队提出了一种特殊的方法，通过在聚乙烯醇弹性体基质中制造混合离子纳米纤维膜（由MXene和锂磺酰胺锂的离子盐组成的传感层），来增强电容式压力传感器的灵敏度和线性范围。（1）杂化传感层中氢键触发的可逆离子泵浦分别在0-30kPa和30-250kPa的宽线性范围内分别产生5.5和1.5kPa-1的高灵敏度，以及70.4ms的快速响应时间。（2）此外，即使在45kPa的高压下，所制造的传感器也显示出2Pa的最小检测极限和超过20000次连续循环的高耐久性。（3）这些结果表明，该传感器可以用于移动医疗监控设备和下一代人造皮肤。相关论文以题为“Hydrogen-Bond-Triggered Hybrid Nanofibrous Membrane-Based Wearable Pressure Sensor with Ultrahigh Sensitivity over a Broad Pressure Range”发表在国际顶尖期刊ACS Nano（IF=14.588）上。

图1.基于INM的电容式压力传感器的制造和结构表征。

（a）INM制造顺序的示意图。

（b）直径约120nm的均匀纤维的高倍放大FESEM图像。

（c）复合纳米纤维的低分辨率TEM图像，显示聚合物基质内部的单层和多层MXene纳米薄片。

（d）所制造装置的示意图。

（e）制成的传感装置的照片。

图2.基于INM的压力传感器的分子结构和工作原理。

（a）MXene官能团（-OH，-F和-O）与LS物种之间通过氢键相互作用的示意图。

（b）描述施加压力之前和之后基于INM的传感器的工作原理的示意图。

（d）在不同压力条件下获得的传感器表面应力分布的COMSOL模拟。

（e）冯-米塞斯应力是传感层变形的函数。

图3.基于INM的压力传感器的机电特性。

图4.基于INM的压力传感器在低压至中压范围内的实际应用。

图5.预制压力传感器在高压范围内的应用。

（a）通过将INM与图形电极夹在中间而制成的压力传感器阵列（5×5像素）的示意图。

（b-d）压力传感器阵列的照片，在其表面上放置了不同的3D打印模型，用于检测施加的压力和空间压力分布的相应轮廓图。

文献链接：

https://doi.org/10.1021/acsnano.0c07847

信息来源: 科研志

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