可穿戴、灵活和可拉伸的电子设备在医疗诊断、健康监测、人机交互和电子皮肤开发等关键技术领域至关重要，引起了人们的广泛关注。作为可穿戴电子设备和人机交互界面的组成部分，柔性压力传感器促进了压力和电信号之间的转换，已成为生物电子学研究的重点。在不同的应用中，实现高灵敏度和宽线性响应范围对于准确捕捉压力刺激至关重要，将这些特征定位为柔性压力传感器设计的关键目标。
渗流机理已被广泛用于阐明由绝缘聚合物和导电填料组成的电阻柔性压力传感器的电信号变化动力学。当施加外部压力时，复合材料中的导电填料将被推得更近，形成相互连接的渗透网络。随着压力的增加，将形成一个大的适应性导电网络，从而扩大压敏范围。然而，这些复合压力传感器提供的宽线性传感范围通常会以牺牲灵敏度为代价，这仍然是一个技术挑战。
为了解决这个问题，研究人员在敏感界面构建了各种微结构，以提高压阻传感器的性能。通过利用表面微/纳米结构的变形，来提高应力下界面接触电阻的变化率。然而，由于局部应力的集中，界面接触面积的变化在较低压力下趋于饱和，将高灵敏度限制在非常窄的压力范围内。这些研究的结果说明了柔性压阻传感器的高灵敏度和宽线性范围之间的内在相互约束。此外，制造这些微结构通常成本高昂且耗时，涉及复杂的工艺，并对大规模生产构成挑战。
近日，由北京印刷学院莫黎昕和五邑大学韩少波领导的科研团队开发了一种新的压阻式柔性传感器，其灵感来自人体皮肤复杂的微观结构和压力传感能力。这种先进的传感器采用双层电阻传感设计，包括一个由MXene/Ag复合材料组成的外部导电层和一个内部碳纳米材料导电网络。同时，设计结合了仿生微刺和带有微胶囊的多层多孔微结构，以优化整体性能。该传感器具有高灵敏度(高达3987 kPa−1)、宽传感范围(高达320 kPa)、低传感极限(11 Pa)、快速响应时间(0.4 ms)和超过53,000次循环的优异循环稳定性，实现了人体皮肤达不到的高压分辨率(0.06%)，可以熟练地监测全面的人体运动和呼吸节律，并识别口语，还表现出可靠的光热杀菌性能，使其适用于长期健康诊断和治疗。
图1. 基于界面共形和内部空间受限的微结构压阻传感器的设计和组装：a）显示中间脊和多个触觉受体的人体皮肤生物微观结构示意图；b） 微结构压阻式传感器的制备过程示意图；c） TEMCs示意图；d） MXene纳米片以及MXene/Ag油墨的制备；e） 微结构压力传感器中的传感层的照片；f） 微结构压力传感器的结构。
图2. 传感器传感层的材料表征：a）SEM图像显示了具有微球界面的多孔导电层的横截面；b） 热膨胀后多孔导电层中TEMC的SEM图像；c） SEM图像显示了多孔导电层中的碳纳米材料的簇；d） 具有手风琴状结构的未剥离MXene的SEM图像；e、 f）MXene纳米片和MXene/Ag纳米片的SEM图像；g） 使用80号砂纸获得的未喷射的微球状界面的SEM图像；h） 用MXene/Ag复合油墨喷涂的微球状界面的SEM图像和（i）C、Ti、O和F元素的相应元素图
图3. 基于界面共形和内部空间受限的微结构压阻传感器的传感特性：a）C3G1T1M10压阻传感器的相对电流变化；b） CGTM传感器在各种施加压力下的响应曲线；c） CGTM传感器测量的I-V曲线；d） 在50 kPa下进行53000次压力循环试验后，该装置具有优异的循环稳定性性能；e） 压力传感器在50 kPa下的响应时间和恢复时间；f、 g）通过在参考压力（50 kPa、250 kPa）以上增加150 Pa来证明压力传感器的高分辨率；h） 与其他报道的工作相比，本文中柔性传感器的最大传感范围、最大灵敏度和压力分辨率。
图4. a–c）通过有限元分析计算出在0.01、1和30 kPa加载压力下具有微棘界面的多孔导电层的局部应力分布。d、 e）分别在100 kPa的加载压力下分析计算了PDMS和PDMS/TEMCs的局部应力分布。f） 对300 kPa加载压力下PDMS/TEMCs的位移分布进行了分析计算。g） 示意图显示了压缩过程中传感器内部导电网络的形成。h–j）示意图，分别显示了具有微棘界面的传感器、具有内部多孔结构的传感器和具有微棘界面的内部多孔传感器的灵敏度的线性响应。
图5. 柔性压力传感器的应用：附着在不同位置的CGTM压力传感器的图像和实时传感信号，用于监测不同的人类活动和检测小的物理信号，包括（a）人类呼吸，b）喉咙发声，c）手腕脉搏（放大图显示了脉搏振动波形的放大视图），d）肌肉伸展（e）步态行走，f）手腕弯曲。
图6. a） 显示所制造的80×80传感阵列结构的示意图。b、 c）放置在传感阵列上的筏形模具和圆形铁板的光学图像以及记录的传感信号，用于获得相应的载荷压力分布。d） 放置在传感阵列上的推车行驶的光学图像，并获得压力分布的记录变化。e、 f）机器人手臂的无线压力检测系统的照片及其原理示意图。g） 机械臂夹持器夹取的不同体积的木块和EVA海绵的传感信号变化。
图7. 光热抗菌实验结果：a）用功率为0.50 W cm−2的808 nm近红外光照射后，琼脂平板上存活细菌菌落的光学图像；b、 c）大肠杆菌和金黄色葡萄球菌分别在CGTM传感器上的对数减少。
论文信息：
Flexible Sensors with Enhanced Sensitivity and Broadened Detection Range Through Conformal Printing and Space-Confined Design
Ziyun Han, Lixin Mo*, Shaobo Han*, Zhaoyong Sun, Weijuan Ma, Haixiang Hu, Mingtian Geng, Lantian Liu, Zhiqing Xin, Kun Hu, Haomiao Li, Xingze Chen
Small
DOI: 10.1002/smll.202407168
点击左下角「阅读原文」，查看该论文原文。
Small
期刊简介
"微米或纳米：没有一种材料能被轻视”。秉持这样的理念，Wiley旗下Small杂志自从2005年创刊以来，一直致力于发表和传播涉及微米和纳米材料的研究成果，无论理论或是实验，无论聚焦或是综合。近年来Small杂志的影响力与声誉年年攀升，稿件内容与读者群体已覆盖物理、化学、生物、工程等众多领域。
WILEY
MaterialsViews
Wiley旗下材料科学类期刊官方微信平台
推送材料科研资讯｜访谈材料大咖新秀
分享撰稿投稿经验｜关注最新招聘信息
点击“分享”，给我们一点鼓励吧~
