Small Methods:基于纳米绒毛微结构电极与MXene的触觉传感器

随着生活水平的提升,人们越来越关注自身的健康状态的变化,脉搏跳动、手指触摸、关节屈伸等人体活动的检测需求逐渐提升,同时大数据和人工智能的发展提高了对各种原始压力数据的采集要求,如物体识别和声音识别等,因此需要具有良好性能的柔性可穿戴的压力传感器贴附于复杂表面并收集各种情况下的压力数据并进行研究分析。目前电阻式压力传感器利用柔性骨架形变带动导电材料间距变化进以改变器件整体电阻值的压敏机理获得了广泛研究和应用。

为了进一步提高电阻式传感器件的灵敏度,电极微加工技术如光刻、沉积、预拉伸等逐步应用于器件的制备流程中,以提高界面的比表面积和应力集中情况。然而,多数方法受到复杂苛刻的工艺条件以及废液处理的限制导致制备效率不高,限制了相应器件的进一步推广使用。

电子科技大学谢光忠苏元捷教授团队联合加州大学洛杉矶分校(UCLA)陈俊教授团队以及四川大学原子核科学技术研究所的叶宗标团队根据上述问题提出了一种源于核聚变过程的氦等离子体辐照刻蚀技术制备了纳米绒毛微结构钼电极,刻蚀过程较为清洁,并且可以通过调控刻蚀偏压、氦气流量等工艺参数控制氦泡迁移过程从而控制微结构的形貌,利用纳米绒毛微结构探入复合海绵孔洞内部提供丰富的电流收集位点,改善低压力范围内的灵敏度。

该项研究将刻蚀后的微结构电极与带平面电极的聚酰亚胺(PI)基底、MXene(Ti3C2Tx)浸渍过的聚氨酯(PU)海绵共同组装形成三明治结构MXene@PU复合海绵压力传感器,依次对海绵孔径、刻蚀偏压和MXene溶液浓度三个工艺参数对器件性能的影响进行了测试分析并找出了220μm的平均孔径、55V的偏置电压、15mg/ml的MXene浓度的最佳参数组合。器件利用不同压力范围下纳米绒毛与多孔海绵接触、海绵形变和多层MXene形变三种敏感机理之间的平滑过渡实现了0-100 kPa宽检测范围和r2=0.9985的高线性度响应,在1V的工作电压下实现了1.52 kPa−1的灵敏度和226 ms的响应时间,在6000轮50kPa压强下的重复测试中未见明显性能下降,与未引入微结构的海绵类柔性骨架器件相比灵敏度和线性度都有明显的提升。

此外,所设计的柔性压力传感器还可用于测量不同压力范围的人体脉搏、关节屈伸、足底踩踏以及阵列化实现物体轮廓识别,显示出在可穿戴生物监测、健康评估以及人体工程学方面的应用前景,工作中对各个参数的有序测试和变化规律的研究分析将有助于后续柔性电阻式器件的系统性设计。

论文信息:

第一作者:魏琦昆,陈国瑞,潘虹

通讯作者:谢光忠、苏元捷、叶宗标、陈俊

MXene-Sponge based High-Performance Piezoresistive Sensor for Wearable Biomonitoring and Real-Time Tactile Sensing

Qikun Wei, Guorui Chen, Hong Pan, Zongbiao Ye*, Christian Au, Chunxu Chen, Xun Zhao, Yihao Zhou, Xiao Xiao, Huiling Tai, Yadong Jiang, Guangzhong Xie*, Yuanjie Su*, Jun Chen*

Small Methods

DOI: 10.1002/smtd.202101051

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.202101051