一种高灵敏度和防水的柔性压力传感器

由于在人类保健、电子皮肤和人工智能互动方面的潜在应用，柔性和可穿戴压力传感器在消费电子领域获得了极大的欢迎。MXene由于其高导电性和可控制的层间空间，被认为是最理想的候选传感材料之一。然而，MXene材料的易氧化特性大大限制了传感器设备的灵敏度和可靠性，特别是在潮湿的气候条件下。因此，下一代可穿戴电子设备非常需要制造具有高灵敏度、快速响应能力、优良耐久性和防水的MXene压力传感器。

据麦姆斯咨询报道，西安工程大学杨杰/王琛教授研究团队通过简单有效的纳米纤维素插层和氟改性策略，利用独立的疏水性细菌纤维素（Bacterial Cellulose，BC）/Ti3C2Tx MXene混合薄膜（HBT）作为传感层，制造了一种高灵敏度和防水的柔性压力传感器。获得的压力传感器具有高灵敏度（65.5 /kPa）、快速响应（50ms）、宽线性传感范围（0.002-30kPa）、低检测限（0.57Pa）和超过50,000次循环的优异重复性。同时，由于HBT薄膜的高疏水性表面，即使多次浸入水中，也能很好地保持其出色的传感特性。受益于优异的传感性能和防水性，HBT传感器可作为可穿戴式压力传感器，监测人类的全方位生理运动。这项工作为设计具有高可靠性的MXene压力传感器提供了一个新的途径，并证明了HBT传感器在便携式生物医学电子领域的应用前景。相关研究以“Water-Tolerant MXene Epidermal Sensors with High Sensitivity and Reliability for Healthcare Monitoring”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces期刊上。

研究人员首先制造了一个防水和高灵敏度的HBT柔性压力传感器，并利用简单有效的PFDTMS改性方法，使HBT薄膜富含疏水的表面特性。

图1 HBT混合膜的制造过程

图2 HBT薄膜的材料表征

a, b）HBT复合膜的光学照片；c-f）表面（c）、截面（d，e）SEM显微图像和元素分布（f）。

其次，研究人员利用BC纳米纤维在MXene中的插层提供了一个有效的缓冲区，增强了层间分离，并赋予HBT压力传感器高灵敏度（65.5 /kPa）、快速响应和恢复率（50:48 ms）、低检测限（0.57Pa）和50,000次循环的长期运行稳定性。研究结果表明，HBT传感器在监测全范围的人类生理运动（包括触摸、肢体手势、交谈、面部表情和小鼠振动）方面表现出理想的压力感应行为和出色的防水性能。

图3 HBT传感器的压力传感性能

a）HBT压力传感器灵敏度曲线；b）传感器在微小压力小的实时电流变化；c）传感器检测限；d）响应、恢复时间；e）循环稳定性。

图4 HBT传感器的防水特性

a）BT和HBT柔性压力传感器在水中浸泡前、后的实时电流变化曲线对比；b-c）HBT传感器水中浸泡后的灵敏度曲线（b）和循化寿命（c）。

综上所述，通过简单有效的疏水修饰策略，成功地创建了一个带有BC和MXene的防水压力传感器组件。由于BC纳米纤维素在MXene夹层中的优化设计，HBT压力传感器实现了高灵敏度、快速响应、超低检测限，以及50,000次响应行为后的卓越循环稳定性。此外，氟功能化使传感器表面具有优异的疏水性和高抗水性。因此，HBT压力传感器即使在经历了反复的水浸泡后，仍能保持较高的传感性能和耐久性。基于出色的传感和防水性能，制备的HBT传感器可以作为一个有效的可穿戴式传感器，即使在潮湿的环境中也能显示出对人类全范围生理运动的良好监测能力。这项工作为具有高可靠性的防水压力传感器的设计提供了新的见解，并表明HBT传感器具有在医疗电子、电子皮肤和人机界面中的应用潜力。

图5 HBT柔性压力传感器用于人体运动信号监测

a）触摸信号；b）膝盖弯曲信号；c）发音信号；d）腕部脉搏信号；e）运动前、后出汗状态下的面部表情识别。

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acsami.2c03731

审核编辑 ：李倩