AFM：微通道密闭的MXene基多功能柔性压阻微力传感器

微电子设备在医疗保健监控、智能机器人技术和人机界面中扮演着至关重要的角色。在该领域中，如何使这些器件在集成化和小型化的趋势下更加实用是公认的一个关键挑战。MXenes（Ti3C2Tx）作为一种新型手风琴状叠层的二维材料，可用作压阻材料。其可压缩的层状层压结构是改变MXene内部电阻和MXene导电率的关键因素。然而，目前基于MXene的应力传感器在外部刺激下，在二维有限的空间内就迅速达到了MXene的变形极限，这大大限制了传感器的性能。此外，以前的大多数研究都只关注应力检测或其他指标（灵敏度或极限），而很少有工作能在一个简单的结构中感知多功能微力（如声音、触摸和运动识别）。

【研究成果】

西南交通大学Weili Deng、Yong Fang和Weiqing Yang老师课题组在国际知名期刊Advanced Functional Matterials上发表题为“Microchannel-Confined MXene Based Flexible Piezoresistive Multifunctional Micro-Force Sensor”的研究论文。通过设计的通道密封和可压缩的叠层MXene（Ti3C2Tx），开发了一种高灵敏度的微通道密闭MXene基柔性多功能压阻式应力传感器。这种设计的传感器不仅实现了低检测限（<9 Pa）、高灵敏度（99.5 kPa^-1）和快速响应（4 ms），而且还可以同时在一个设备中实现多功能的微力感应，例如检测手腕脉搏、声音、微动，甚至主机的加速度。这种多功能的感应特性使该传感器在可穿戴医疗监控设备、智能机器人和高效的人机界面等较小的柔性电子设备中具有广阔的应用前景。

【图文速览】

图1.应力传感器的示意图。a）一束声波撞击应力传感器的表面。b）应力传感器的总体示意图和详细结构；左：应力传感器的结构；右上方：类似手风琴的MXene的SEM图像；右下：填充在微通道中的MXene示意图。c）指纹状微通道PET膜的3D白光干涉图像。插图：放大的3D图像。比例尺分别为500和100µm。d）柔性应力传感器阵列的照片。e）MXene的分子结构。

图2.微通道受限的基于MXene的压阻式应力传感器的工作机理以及该传感器的基本性能。a）所准备传感器的等效电阻模型。b）应力传感器的等效电路图。c）在外部应力下，单个MXene的厚度（D1/D2）和MXene之间的较宽距离（DL1/DL2）减小。d–f）激光雕刻的微结构的SEM图像，其通道为9、39、78µm。插图：在相同应力下，不同深度通道中MXenes应力状态的FEA模拟。g）具有不同通道深度的应力传感器的电气性能。h）通道深度为78µm的应力传感器在0.052至3.56kPa的负载下的实时电流响应。i）通道深度为78µm的应力传感器的灵敏度。

图3.通道深度为78µm的应力传感器的电气性能。a）将微小物体放在应力传感器上的照片。b）应力传感器可以检测到低至9Pa的微小应力。c）应力传感器的响应时间和恢复时间。d）将装有墨水的瓶子放在与LED串联的应力传感器上。随着墨水量的增加，LED会变亮。e）步进应力下的电流响应。f）各种应力下应力传感器的I–V曲线。g）在0.1V偏置电压下各种应力下的电流响应。h）在364Pa的应力下进行耐久性测试。i）将装有不同水含量的四个瓶子放在9×9传感器阵列上，并绘制相应的值。

图4.应力传感器在微小信号检测中的应用。a）用作生理信号检测的可穿戴设备的应力传感器的示意图。b）说“你好”和“传感器”的相应信号。插图：附在喉咙上的传感器的照片。c）手腕脉搏的相应信号。插图：附在手腕上的传感器的照片。d）应力传感器在振动台上以不同频率振动的相应信号。e）应力传感器在板上振动的相应信号。f）在振动模式下，相应电流值、位移、速度和加速度之间的关系。g）振动不同阶段的MXene密度示意图。h）声波撞击应力传感器的示意图。i）与声波和脉冲相关的传感器表面的声压图。j–k）两个铃声的相应检测信号和源波。

文献链接：https://doi.org/10.1002/adfm.201909603.

信息来源:柔性电子材料

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