MXene柔性压阻微力传感器

【研究背景】

微电子设备在人体健康监测、智能机器人和人机界面等方面发挥着重要作用。在该领域，现在人们普遍意识到的一个重要挑战便是如何使这些设备在集成化和小型化的趋势下更加通用。为了克服这一挑战，将功能独立的传感器组合成一个复合结构，形成一个多功能传感器阵列是一种有效的策略。然而，将多个具有不同功能的独立器件集成到一个空间日益有限的器件中变得越来越困难，导致操作复杂，价格昂贵，与微电子器件的小型化和集成化的要求相冲突。作为一种选择，多功能传感可以通过精密紧凑的结构设计在一个器件上实现。通常，力检测作为物体与其他物体相互作用的基本方式，可以帮助我们实现脉冲检测、语音识别和负载重量等多功能信息传感。到目前为止，各种机制已被用于力传感，如压阻，压电，摩擦电等。其中，柔性压阻式压力传感器由于其结构简单，制作工艺可行，能耗低，易于信号处理，灵敏度高而备受关注。近年来，柔性压阻式压力传感器得到了迅速的发展，主要集中在结构设计方面和压阻材料优化上。MXenes作为一种新型二维材料，是一种可作为压阻材料的新型叠层材料。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，目前的基于MXene的压力传感器在外部刺激下，在2D平面的有限空间内迅速达到了MXenes的变形极限，这极大地限制了传感器的性能。此外，以前的大多数研究都只关注压力检测或其他指标的灵敏度或极限，而很少有人能在一个简单的结构（例如声音，触摸和运动识别）中感知多功能微力。

【成果简介】

近期，西南交通大学邓维礼博士、方勇教授和杨维清教授在国际知名学术期刊Advanced Functional Materials上发表一篇题目为：Microchannel-Confined MXene Based Flexible Piezoresistive Multifunctional Micro-Force Sensor的研究论文，本文展示了一种新型的基于微通道约束的MXene柔性多功能压阻式压力传感器。由于指纹结构通道的微通道约束效应，使得MXenes能够很好地约束在沟槽中，形成三维叠加结构，使MXenes具有更大的变形空间和更灵敏的微运动能力。与指纹-微结构通道和手风琴-微结构微体相结合，随着外力的变化，微体中不同的微体与相邻夹层之间的距离都会有不同程度的减小，从而导致相应的电阻也会发生类似的变化。利用这种弹性约束效应，所研制的压阻式压力传感器具有9 Pa的低检出限、99.5 kPa^-1的高灵敏度、4 ms的快速响应时间以及10,000次以上的高重现性。更重要的是，该压力传感器可以实现压力、声音、加速度甚至微动的多功能微力传感，这使得以一种低成本、简单的方式制作柔性压阻式多功能微力传感器成为可能。

【图文导读】

图1.压力传感器示意图。

图2. 基于微通道约束的MXenes压阻式压力传感器的工作机理及传感器的基本性能。

图3. 通道深度为78μm的压力传感器的电气性能。

图4.压力传感器在微小信号检测中的应用。

【本文总结】

本文利用设计的通道约束效应和可压缩层压型MXene (Ti₃C₂T_x)，研制了一种高灵敏的基于微通道约束的柔性多功能压阻式压力传感器。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），而且还可以同时实现多功能微力感测，例如检测手腕脉搏，声音， 微动等。这种多功能传感特性使得该传感器在小型柔性电子设备中有很好的应用前景，可用于可穿戴医疗监控设备、智能机器人和高效人机界面。

文献链接：

https://dx.doi.org/10.1002/adfm.201909603.

信息来源： MXene Frontier