Advanced Science：具有自愈功能的高性能柔性壓力傳感器

納米小白 1年前 (2022-04-28) 2403瀏覽

一、【導讀】

生物電子、智能家居、智能機器人和人機交互的快速發展極大地促進了柔性壓力傳感器的市場發展需求。柔性壓力傳感器主要基于以下幾種工作機制，如電容式、壓阻式、壓電式和摩擦式。基于壓阻效應的壓阻式傳感器具有靈敏度高、信號響應快、制備工藝簡單、傳感性能穩定等特點。近年來關于柔性壓阻式傳感器的研究主要集中在敏感層的微結構設計上。因此，制備滿足各種場合需求的高性能壓阻式傳感器成為近年來的一個熱門話題。實驗表明，柔性襯底的微結構設計可以顯著提高傳感器的傳感性能。雖然壓阻式傳感器在微觀結構方面的研究已經取得了一些進展，但理想的柔性壓阻式傳感器僅具有優異的傳感性能是遠遠不夠的。在實際應用中，柔性壓阻式傳感器不可避免地面臨復雜的工作環境，敏感層容易受到各種外部機械損傷。此外，大多數柔性傳感器的制備工藝限制了柔性襯底的選擇。這些問題阻礙了柔性壓阻式傳感器的廣泛應用。

二、【成果掠影】

?近日，武漢大學Wang Ziyu，鄭州大學劉偉杰和郭海中（共同作者），聯合在Advanced Science上發表文章，題為“High-Performance Flexible Pressure Sensor with a Self-Healing Function for Tactile Feedback”。作者提出一種基于MXene的具有自修復功能的高性能柔性壓阻式傳感器來實現觸覺反饋，該傳感器采用簡單的全噴涂方法來制備。作者采用具有spinosum狀結構的聚氨酯（Polyurethane，PU）作為敏感層的柔性基板。將MXene納米片沉積在PU的spinosum狀結構表面，得到具有自修復功能的MXene/PU敏感層。進一步，作者采用低成本、通用的模板噴涂方法制備了基于MXene的柔性叉指電極。用這種方法制備的叉指電極所需的柔性襯底是任意的。為了驗證制備叉指電極所需的柔性襯底的任意性，作者制備了以PI和濾膜為襯底的MXene基壓阻傳感器。靈敏度分別可達509.8和408.4 kPa-1，響應時間分別為67.3和68.4 ms，恢復時間分別為44.8和46.5 ms。傳感器的電流在10 000次壓力循環后仍舊能夠保持穩定。此外，敏感層經歷18 h的“切割-愈合”后，傳感器(PI作為叉指電極的柔性襯底)的靈敏度仍可達到456.9 kPa-1。在實際應用中，傳感器不僅可以檢測人類活動，還可以結合軟硬件設計，使機械手實現觸覺反饋功能。因此，全噴涂的基于MXene的高性能壓力傳感器在人類活動檢測、電子皮膚、智能機器人等方面具有很大的潛力。

三、【核心創新點】

  1. 作者提出一種基于MXene的具有自修復功能的高性能柔性壓阻式傳感器來實現觸覺反饋，該傳感器具有高靈敏度，低的響應時間以及高的穩定性。
  2. 作者采用低成本、通用的模板噴涂方法制備了基于MXene的柔性叉指電極。用這種方法制備的叉指電極所需的柔性襯底是任意的，制造成本低廉。

四、【數據概覽】

圖1. 制備過程 ? 2022 The Authors

a) 基于MXene的全噴涂高性能壓力傳感器制作工藝

b) 敏感層自愈機理示意圖

圖2. 結構，形貌表征? 2022 The Authors

a) MXene納米片的TEM圖

b) MXene (Ti3C2Tx)的EDS圖

c) MXene納米片的AFM圖

d) MXene納米片的XRD圖

e-j) 不同spinosum結構的敏感層的SEM圖像(nos.100, 180, 280, 400, 600, and 800)

k) nos. 280敏感層的EDX圖

圖3. 基于MXene的壓力傳感器的傳感特性?? 2022 The Authors

a) 傳感器靈敏度

b) I-T曲線

c) I-V曲線

d) 傳感器的響應和恢復時間

e) 傳感器的頻率響應性能

f) 傳感器的速度響應性能

g) I-T和P-T曲線的響應

h) 穩定性測試

i) 敏感層經歷18 h的“切割-愈合”后，傳感器的靈敏度

圖4. 全噴涂式MXene壓力傳感器的工作機理? 2022 The Authors

在a) 1.0 Pa和b) 1.0 kPa時敏感層壓力分布的模擬結果

c) 1.0 kPa時叉指電極壓力分布的仿真結果

d)初始狀態，e)輕載狀態，f)重載狀態對應的電路模具示意圖

圖5. 全噴涂式MXene壓力傳感器在最小可測壓力和實時監測人類活動中的應用?? 2022 The Authors

以電流變化為形式的信號響應來自于a) 一粒綠豆提供的微小物體壓力(7.8 Pa)， b) 手腕彎曲，c) 手指彎曲，d) 手指輕叩，e) 微笑，f) 腳踝彎曲，g) 喉嚨吞咽，h) 肘部彎曲和i) 手腕脈搏

圖6. 全噴涂式MXene壓力傳感器在觸覺傳感中的應用?? 2022 The Authors

a) 通過航天員吊墜在電子皮膚表面獲得相關的壓力分布

b) 電子皮膚表面的宇航員吊墜和鑰匙的光學圖像

c) 通過一把鑰匙在電子皮膚表面的獲得相關的壓力分布

d) 能使機械手實現精確觸覺反饋的壓力傳感系統總體原理圖

e) 該系統用于捕捉豆腐和氣球

f) 機械手掌抓取-釋放軟面包

五、【成果啟示】

作者提出一種基于MXene的具有自修復功能的高性能柔性壓阻式傳感器來實現觸覺反饋，該傳感器采用簡單的全噴涂方法來制備。該器件由spinosum MXene/PU和基于MXene的叉指電極組成，這兩部分的相互作用實現了器件的優異性能。作者制備了以PI和膜過濾器為襯底的MXene基壓阻傳感器。靈敏度分別可達509.8和408.4 kPa-1，響應時間分別為67.3和68.4 ms，恢復時間分別為44.8和46.5 ms。傳感器的電流在10 000次壓力循環后仍舊能夠保持穩定。此外，敏感層經歷18 h的“切割-愈合”后，傳感器(PI作為叉指電極的柔性襯底)的靈敏度仍可達到456.9 kPa-1。總之，作者采用低成本和通用的方法制備了一個高性能的壓力傳感器。該傳感器具有良好的自修復功能，可用于觸覺反饋，在機器人和電子皮膚等領域具有潛在的應用前景。

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

本文由納米小白供稿

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