Advanced Science：具有自愈功能的高性能柔性压力传感器

纳米小白 2年前 (2022-04-28) 2841浏览

一、【导读】

生物电子、智能家居、智能机器人和人机交互的快速发展极大地促进了柔性压力传感器的市场发展需求。柔性压力传感器主要基于以下几种工作机制，如电容式、压阻式、压电式和摩擦式。基于压阻效应的压阻式传感器具有灵敏度高、信号响应快、制备工艺简单、传感性能稳定等特点。近年来关于柔性压阻式传感器的研究主要集中在敏感层的微结构设计上。因此，制备满足各种场合需求的高性能压阻式传感器成为近年来的一个热门话题。实验表明，柔性衬底的微结构设计可以显著提高传感器的传感性能。虽然压阻式传感器在微观结构方面的研究已经取得了一些进展，但理想的柔性压阻式传感器仅具有优异的传感性能是远远不够的。在实际应用中，柔性压阻式传感器不可避免地面临复杂的工作环境，敏感层容易受到各种外部机械损伤。此外，大多数柔性传感器的制备工艺限制了柔性衬底的选择。这些问题阻碍了柔性压阻式传感器的广泛应用。

二、【成果掠影】

 近日，武汉大学Wang Ziyu，郑州大学刘伟杰和郭海中（共同作者），联合在Advanced Science上发表文章，题为“High-Performance Flexible Pressure Sensor with a Self-Healing Function for Tactile Feedback”。作者提出一种基于MXene的具有自修复功能的高性能柔性压阻式传感器来实现触觉反馈，该传感器采用简单的全喷涂方法来制备。作者采用具有spinosum状结构的聚氨酯（Polyurethane，PU）作为敏感层的柔性基板。将MXene纳米片沉积在PU的spinosum状结构表面，得到具有自修复功能的MXene/PU敏感层。进一步，作者采用低成本、通用的模板喷涂方法制备了基于MXene的柔性叉指电极。用这种方法制备的叉指电极所需的柔性衬底是任意的。为了验证制备叉指电极所需的柔性衬底的任意性，作者制备了以PI和滤膜为衬底的MXene基压阻传感器。灵敏度分别可达509.8和408.4 kPa-1，响应时间分别为67.3和68.4 ms，恢复时间分别为44.8和46.5 ms。传感器的电流在10 000次压力循环后仍旧能够保持稳定。此外，敏感层经历18 h的“切割-愈合”后，传感器(PI作为叉指电极的柔性衬底)的灵敏度仍可达到456.9 kPa-1。在实际应用中，传感器不仅可以检测人类活动，还可以结合软硬件设计，使机械手实现触觉反馈功能。因此，全喷涂的基于MXene的高性能压力传感器在人类活动检测、电子皮肤、智能机器人等方面具有很大的潜力。

三、【核心创新点】

  1. 作者提出一种基于MXene的具有自修复功能的高性能柔性压阻式传感器来实现触觉反馈，该传感器具有高灵敏度，低的响应时间以及高的稳定性。
  2. 作者采用低成本、通用的模板喷涂方法制备了基于MXene的柔性叉指电极。用这种方法制备的叉指电极所需的柔性衬底是任意的，制造成本低廉。

四、【数据概览】

图1. 制备过程 © 2022 The Authors

a) 基于MXene的全喷涂高性能压力传感器制作工艺

b) 敏感层自愈机理示意图

图2. 结构，形貌表征© 2022 The Authors

a) MXene纳米片的TEM图

b) MXene (Ti3C2Tx)的EDS图

c) MXene纳米片的AFM图

d) MXene纳米片的XRD图

e-j) 不同spinosum结构的敏感层的SEM图像(nos.100, 180, 280, 400, 600, and 800)

k) nos. 280敏感层的EDX图

图3. 基于MXene的压力传感器的传感特性 © 2022 The Authors

a) 传感器灵敏度

b) I-T曲线

c) I-V曲线

d) 传感器的响应和恢复时间

e) 传感器的频率响应性能

f) 传感器的速度响应性能

g) I-T和P-T曲线的响应

h) 稳定性测试

i) 敏感层经历18 h的“切割-愈合”后，传感器的灵敏度

图4. 全喷涂式MXene压力传感器的工作机理© 2022 The Authors

在a) 1.0 Pa和b) 1.0 kPa时敏感层压力分布的模拟结果

c) 1.0 kPa时叉指电极压力分布的仿真结果

d)初始状态，e)轻载状态，f)重载状态对应的电路模具示意图

图5. 全喷涂式MXene压力传感器在最小可测压力和实时监测人类活动中的应用 © 2022 The Authors

以电流变化为形式的信号响应来自于a) 一粒绿豆提供的微小物体压力(7.8 Pa)， b) 手腕弯曲，c) 手指弯曲，d) 手指轻叩，e) 微笑，f) 脚踝弯曲，g) 喉咙吞咽，h) 肘部弯曲和i) 手腕脉搏

图6. 全喷涂式MXene压力传感器在触觉传感中的应用 © 2022 The Authors

a) 通过航天员吊坠在电子皮肤表面获得相关的压力分布

b) 电子皮肤表面的宇航员吊坠和钥匙的光学图像

c) 通过一把钥匙在电子皮肤表面的获得相关的压力分布

d) 能使机械手实现精确触觉反馈的压力传感系统总体原理图

e) 该系统用于捕捉豆腐和气球

f) 机械手掌抓取-释放软面包

五、【成果启示】

作者提出一种基于MXene的具有自修复功能的高性能柔性压阻式传感器来实现触觉反馈，该传感器采用简单的全喷涂方法来制备。该器件由spinosum MXene/PU和基于MXene的叉指电极组成，这两部分的相互作用实现了器件的优异性能。作者制备了以PI和膜过滤器为衬底的MXene基压阻传感器。灵敏度分别可达509.8和408.4 kPa-1，响应时间分别为67.3和68.4 ms，恢复时间分别为44.8和46.5 ms。传感器的电流在10 000次压力循环后仍旧能够保持稳定。此外，敏感层经历18 h的“切割-愈合”后，传感器(PI作为叉指电极的柔性衬底)的灵敏度仍可达到456.9 kPa-1。总之，作者采用低成本和通用的方法制备了一个高性能的压力传感器。该传感器具有良好的自修复功能，可用于触觉反馈，在机器人和电子皮肤等领域具有潜在的应用前景。

文献链接：High-Performance Flexible Pressure Sensor with a Self-Healing Function for Tactile Feedback. 2022, Advanced Science, DOI: 10.1002/advs.202200507.

本文由纳米小白供稿

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