高性能柔性壓力傳感器廣泛應(yīng)用于人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、軟機(jī)器人和人機(jī)交互領(lǐng)域。然而，現(xiàn)有的柔性壓力傳感器存在耐磨性差、制備工藝復(fù)雜、制備成本高等問(wèn)題。海綿通常被認(rèn)為是柔性壓力傳感器的優(yōu)秀載體，當(dāng)導(dǎo)電復(fù)合材料被加載到海綿骨架上時(shí)，它們可以有效地檢測(cè)壓力變化。因此，報(bào)道了一種基于MXene/PANI的高靈敏度三聚氰胺海綿壓力傳感器，使用柔性叉指電極作為電極。一方面，MXene的加入大大提高了海綿的導(dǎo)電性。另一方面，通過(guò)引入適量的納米棒PANI，提高了海綿骨架的表面粗糙度，有效地提高了接觸電阻。通過(guò)使用設(shè)計(jì)的印刷叉指電極，增加了與海綿接觸的有效面積，有效地提高了傳感器的靈敏度。實(shí)驗(yàn)表明，該傳感器具有快速響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間（55ms/50ms）、低檢測(cè)極限（10.2Pa）、良好的重復(fù)性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性（10000次循環(huán)）。此外，傳感器不僅可以應(yīng)用于可穿戴檢測(cè)，檢測(cè)人體的生理信號(hào)，還可以利用4×4傳感器陣列檢測(cè)不同形狀物體的壓力分布，展示其在可穿戴和人工電子皮膚領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。
圖1. MXene/PANI基三聚氰胺海綿傳感器的制造工藝示意圖。
圖2. SEM圖像：（a）PANI，（b）PANI的局部放大圖，（c）MXene，（d）MXene的局部放圖，（e）MXene/PANI基海綿，插圖是骨架的放大圖像，（f）MXene/PANI海綿的單個(gè)骨架，插圖是骨骼的放大圖像。
圖3. （a） PANI和MXene的XRD圖譜，（b）PANI和MXene的傅立葉變換紅外光譜，（c–f）MXene/PANI復(fù)合材料在復(fù)合海綿上的Ti、c、N的EDS圖譜。
圖4. MXene/PANI基三聚氰胺海綿傳感器的壓力傳感機(jī)理：（a）未施加壓力的傳感器，（b）施加壓力后傳感器本身的電阻以及傳感器與電極之間的接觸電阻，（c）未施加電壓的電路等效圖，以及（d）施加壓力的電路等效表。
圖5. （a） 三聚氰胺海綿在不同應(yīng)變下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，（b）具有不同MXene和PANI比率的傳感器的壓力-電流曲線，（c）MXene/PANI=1:2時(shí)傳感器的靈敏度曲線，（d）傳感器在3.35–23.52 kPa的漸進(jìn)壓力下的循環(huán)試驗(yàn)。
圖6.（a） I-V曲線，（b）3.3 kPa壓力下的傳感器響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間，（c）循環(huán)測(cè)試，（d）不同壓縮速度（50–250 mm/min）下的傳感器電流值，（e）大豆壓力測(cè)試，（f）固定壓力頻率下的電流-時(shí)間（I-T）曲線和壓力-時(shí)間（P–T）曲線。
圖7.（a） 將傳感器固定在手腕處以檢測(cè)脈搏（插圖顯示了脈搏振動(dòng)波形的放大圖），（b）將傳感器固定到手指關(guān)節(jié)處以測(cè)量不同的彎曲角度，（c）將傳感器安裝在臉頰處以檢測(cè)浮腫，以及（d）將傳感器安裝在鞋底處以檢測(cè)足部運(yùn)動(dòng)。
圖8.（a） 固定在膝蓋上的傳感器的照片，（b）當(dāng)受試者行走時(shí)傳感器的響應(yīng)，（c）當(dāng)受檢者跑步時(shí)傳感器的反應(yīng)。
圖9. MXene/PANI基三聚氰胺海綿組裝的4×4像素電子皮膚：（a）放置在電子皮膚上的鍵的照片，（b）與鍵對(duì)應(yīng)的2D壓力圖，（c）與鍵相對(duì)應(yīng)的3D直方圖。
相關(guān)研究成果由中國(guó)石油大學(xué)Weiwei Wang等人2023年發(fā)表在ACS Applied Polymer Materials (鏈接：https://doi.org/10.1021/acsapm.3c02175)上。原文：High-Sensitivity Wearable Flexible Pressure Sensor Based on MXene and Polyaniline for Human Motion Detection
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
