三维多孔海绵结构MXene应用于压阻传感器

【背景介绍】
     随着可穿戴电子设备的迅猛发展，柔性压力传感器由于其在运动检测、生物医学监测和人机交互等方面的潜在应用而备受关注。压力传感器通常根据工作机理的不同分为四种类型：压电型、电容型、摩擦型和压阻型。在这些不同种类的传感类型中，压阻传感器可以将施加的压力转换为电流或电阻的变化，并且已经得到了深入的研究。压阻传感器显示出各种优势，例如灵敏度高、响应速度快、制造工艺简单、能耗低等。微结构设计，例如多孔结构、空心球微结构、微金字塔阵列、断裂微结构和互锁微结构，通常被认为是制造压力传感器的有效策略。然而，大多数微结构的设计制造过程都是昂贵且复杂的。因此，低成本、大规模制备灵敏压力传感器仍然是一个挑战。

【成果简介】
       近日，华中科技大学刘逆霜教授课题组报道了一种通过简单有效的浸涂工艺方法制造的MXene海绵，并以绝缘聚乙烯醇（PVA）纳米线为间隔物，将其应用于压阻传感器。基于MXene海绵的传感器在宽压力范围内具有高灵敏度，最低检测极限为9 Pa，响应时间为138毫秒，在10,000次循环中具有出色的耐久性。MXene海绵传感器可以实时监控人体生理信号（例如呼吸、关节运动和脉搏）。还探讨了传感器在测量压力分布和人机交互方面的潜在应用。
   该成果在线发表于Nano Energy：3D hybrid porous MXene-sponge network and its application in piezoresistive sensor。

【图文导读】

图1：a）MXene海绵的制造过程示意图。 b，c）基于MXene-Sponge /PVA NWs的传感器的制造示意图。

图2  MXene海绵的微观结构模型及其FIB-SEM中动态过程的原位SEM图像。a）MXene海绵传感器的压力感测模型，显示出具有压缩变形的纤维网络的接触面积变化。b-f）MXene海绵的各种SEM图像，分别为原始状态、压缩状态为〜30％、压缩状态为〜45％、释放状态为〜35％后、完全释放后。比例尺为200μm。g-k）分别对应于b-f的MXene海绵的各种放大SEM图像。比例尺为100 μm。

图3  MXene海绵和基于MSP的传感器的传感性能。a）实验装置的示意图。b）在相同的压力下，不同浓度的MXene（0.5 mg / ml，1 mg / ml和2 mg / ml）的MXene海绵传感器的I-T曲线。c）浓度为1 mg / mlMXene的基于MSP的传感器的I-V曲线。d）MSP设备在各种施加压力下的I-T曲线。e）基于MXene海绵和MSP的传感器的灵敏度，在5.37 kPa内具有147 kPa-1的高灵敏度，在较大压力区域具有442 kPa-1的高灵敏度。f）MSP设备的响应时间和恢复时间。g）压力传感器在装卸10,000次后的稳定性能。h）10,000次装卸后，灵敏度仍保持其原始值的90％以上。i）I-T和P-T曲线之间的相互关系。

图4 使用MSP传感器实时监控微小压力、人体生理状况和气球大小变化。b）脉搏测试c）弯曲d）手指触碰。 e）附着在喉咙肌肉上的设备的变化。 f）当以各种压力吹气时，装有MSP传感器的气球的尺寸变化。

图5  a）MSP传感器与植入蓝牙系统的电路串联，该电路将电流信号传输到手机。b）检测分布在像素传感器阵列上的各种轻量物体。

【本文总结】
      通过简单有效的浸涂工艺方法制造了MXene海绵，并将其应用于在以绝缘PVA NW为间隔物的压电电阻传感器中。这种基于MSP的传感器在较宽的压力范围内具有很高的灵敏度（对于小于5.37 kPa的区域为147 kPa-1，对于5.37-18.56 kPa的区域为442 kPa-1），9 Pa的低检测限，快速的响应时间和在10,000次循环中具有出色的耐久性。基于设备的上述良好性能，还研究了其在监测健康活动和测量压力分布方面的潜在应用。
 
文献链接：
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.05.020

消息来源：微信公众号  MXene Frontier