Nano Energy：基于MXene的可定制灵敏度和传感范围的应变传感器，用于全方位人体运动监测

应变传感器作为可穿戴电子设备的重要组成部分之一，由于在医疗保健，人机界面，电子皮肤（E-skins），康复和物联网等领域的广泛应用，在过去十年中引起了极大的关注。商业可穿戴电子产品，如眼镜、智能手表、腕带和健身追踪器，在过去几年见证了技术和市场的快速增长。但是，它们的核心功能部件是由刚性传感器和其他硬电子设备制成的，因此皮肤柔顺性不令人满意。为了促进应变传感器的服装集成化、皮肤附着化和人体植入化，对应变传感器的灵敏度、延展性、柔韧性、稳定性等具体性能提出了更高的要求。在过去的几十年里，电活性材料、新型结构设计、器件制造工艺、机构优化等已被广泛地探索，以实现全范围的人体运动监测，但灵敏度和传感范围仍然存在权衡问题。换句话说，灵敏度的提高通常是以缩小传感范围为代价的，反之亦然。

近期，四川大学的杨伟教授在国际知名学术期刊Nano Energy上发表一篇题目为：A strain localization directed crack control strategy for designing MXene-based customizable sensitivity and sensing range strain sensors for full-range human motion monitoring的研究论文，在这项工作中，提出了一种基于应变局部化诱导断裂机制的新颖可行的策略，以制造具有两种典型裂纹模式的应变传感器。具体来说，具有微裂纹图案感测层的传感器（M-sensor）在由隧道和破坏模型主导的宽广的感测范围（0-100％）中具有1.3的应变系数（GF），适用于监视像关节动作这种大幅度的人类运动。相比之下，利用一种新的传感结构在相邻MXene薄片之间由松散的TiO₂纳米颗粒组成的分离网络中产生应变定位。在较小的应变下，裂纹很容易在TiO₂颗粒之间传播，垂直穿过整个传感层，因此对应的应变传感器(T-sensor)在较小的应变下表现出较高的灵敏度，可以监测说话、脉冲等细微的变形。理论拟合分析表明，对小应变的高灵敏度来源于重叠模型和隧道模型的传感机理。此外，本文还提出了一种复合传感器(C-sensor)，将这两个传感器耦合在一起，实现正常关节弯曲监测和过伸预警，帮助人们避免膝盖或肘部铰链关节的损伤。这种裂纹控制策略本质上是独立于组成材料，而基于应变定位控制的。因此适用于其他面向可穿戴电子器件的可拉伸应变传感器设计。

图1. 传感器的结构、传感机理和性质示意图。

图2. 不同样品的物理表征分析。

图3.传感器在不同拉伸应变下的电镜图。

图4.传感器传感性能表征。

图5.不同幅度人体活动监测。

综上所述，本文从应变局部化诱导断裂机理的角度提出了一个新的概念。根据特定要求制造和使用可定制的传感器，解决了制造和使用性能平衡传感器的灵敏度和传感范围之间的矛盾。通过在强相互作用的传感层中引入松散的分离网络结构，将应变非局部化有效地转化为应变局部化，轻易地制作了两个具有微裂纹和透裂纹模式的典型传感层。因此，M-sensor在较宽的传感范围内(在0-100%、100%-125%和125%-135%的应变范围内，GF分别是1.3、33和1010)表现出稳定的灵敏度，属于隧道和破坏模型。T-sensor (在0-0.175%，0.175%-0.45%，0.45%-3.6%和3.6%-5%范围内，GF分别是530, 3380, 4650, 75000）在较小应变范围内具有较高的灵敏度，这是由于重叠模型和隧道模型的作用。此外，它们还具有良好的传感性能，包括柔性、模糊漂移、频率稳定性、快速响应和松弛时间以及长期耐用性。有选择地使用传感器进行定向变形检测，实现全方位人体运动监测演示是非常可行的。这一概念和想法为可穿戴传感器制造的全范围人体运动检测、软机器人、人机界面和电子皮肤铺平了一条创新的道路。

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104814.

信息来源：MXene Frontie

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