ACS Nano：生物启发MXene高性能喷涂压阻传感器

【研究背景】

可穿戴、可弯曲、可伸缩的电子传感器因其在人类活动监测、生物医学研究、人工智能交互等方面的巨大潜力，引起了人们极大的研究兴趣。人体活动的实时监测和信息反馈，如血压、脉搏、肢体运动等，在生物医学研究、疾病诊断和及时治疗中具有重要意义。目前，电容式、压阻式、压阻式和摩擦式压力传感器已被报道为可穿戴功能电子产品。当压力变化转变为电阻变化时，压阻传感器表现出极高的灵敏度、快速的信号响应、低制造成本、可靠的稳定性等优点，因而成为下一代传感器的理想选择。尽管压阻式传感器的研究已经有很大进展，但是导电层材料的低用量以及低成本、高灵敏度压阻传感器的大规模制备目标仍然面临着巨大的挑战。

传感材料的形貌和微观结构作为提高压力传感器灵敏度的重要因素已被广泛认识。但是，由于信号响应低，工艺流程复杂，制作高灵敏度传感器仍然非常困难，成本也比较高，需要更多的努力去追求优异的导电性、明显的开关比和简单的工艺流程。作为为人类检测外部环境变化的皮肤，可以给传感器的制备提供不错的灵感。

【成果简介】

近期，华中科技大学高义华教授和李露颖副教授在国际知名学术期刊ACS Nano上发表一篇题目为：Bioinspired Microspines for a High-Performance Spray Ti₃C₂T_x MXene-Based Piezoresistive Sensor的研究论文，文中提出了一种简单的砂纸模版印刷工艺，以制造具有随机分布的棘状微结构的高灵敏度基于MXene的压阻传感器。采用热喷涂方法，通过范德华力将导电率高的单层Ti₃C₂T_xMXene纳米片均匀沉积在微结构PDMS上。随着压力的增加，受生物启发的微棘可以有效地增大导电通道的接触面积，从而提高压力传感器的传感性能。通过原位扫描电子显微镜(SEM)和有限元模拟，分析了压阻式传感器与叉指电极间导电通道的变化，探讨了压阻式传感器的工作机理。所得到的压阻式传感器具有优异的灵敏度(151.4 kPa⁻¹)，相对较短的响应时间(<130ms)，精细的压力检测极限(4.4 Pa)以及 10,000次以上的良好循环稳定性。此外，低材料含量，柔韧的基材，简单的制备工艺，使目前的传感器更适合大规模制备和电子皮肤的应用。该传感器超薄、柔韧、易于贴附在皮肤上，在人体活动识别、压力分布阵列和人机交互等方面具有应用潜力。基于上述优异的传感性能，基于MXenes生物启发微棘状传感器非常适合于人类活动检测、医学监控、人工智能设备和其他敏感信息的收集。

【图文导读】

图1.仿生棘状微结构压阻传感器的设计与组装。

图2. MAX相、MXene纳米片和随机分布的基于微刺MXene的PDMS的表征。

图3. 随机分布的基于MXene的压阻传感器的响应。

图4.基于微棘状MXene的传感器的传感机理及加载-卸载动态过程在FIB-SEM中的原位观察。

图5.随机分布的基于微棘的压阻式传感器在实时监测人体活动和检测微小物理信号中的应用。

图6.压阻传感器阵列及其在人机交互应用。

【本文总结】

本文受人体皮肤作为高敏感生物传感器的启发，采用简单的砂纸模版印刷工艺，成功地设计和制造了一种具有随机分布的棘状微结构的基于MXene的压阻传感器。压阻式传感器具有制备简单、成本低、灵敏度高、超薄的表面形态以及可贴附在皮肤上的灵活性等优点，是一种极具发展前景的可穿戴电子器件。重要的是，随机分布的棘状微结构可以有效地促进导电通道接触面积的增加，提高了压力传感器的性能:高灵敏度(151.4 kPa^-1)，快速响应时间(<130 ms)，小的压力检测极限(4.4 Pa)，在10,000次循环中具有良好的稳定性。压阻传感器的实际应用包括对人体活动的实时监控，细微压力的检测以及压力分布的定量图示，并且压阻传感器的出色性能在人体活动检测、医疗监控、柔性穿戴以及人机交互中表现出很高的水平。

文献链接：

https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.9b08952.

信息来源： MXene Frontier