河工大杨丽、PSU程寰宇 ACS AMI: 兼具超高灵敏度、宽压力检测范围与可回收性能的MXene/Tissue基柔性压力传感器

点击上方“蓝字” 一键订阅

近年来，柔性压力传感器在电子皮肤、人机界面、生物医学监测、医疗器械和智能机器人等领域得到了广泛应用。然而，大多数柔性压力传感器无法同时获得高灵敏度与宽的压力检测范围。同时，常用传感器中的关键部件大多是不可生物降解的，这也造成了环境污染问题。所以研制兼具高灵敏度和宽检测范围的低成本绿色环保型柔性压力传感器仍是一大挑战。

河北工业大学杨丽副研究员课题组与美国宾州州立大学程寰宇教授课题组在《ACS Applied Materials Interfaces》上发表了题为“Wearable Pressure Sensors Based on MXene/Tissue Papers for Wireless Human Health Monitoring”的论文，该研究受到国家自然科学基金的支持。纸是一种具有天然纤维多孔特性、柔性环保和可再生的材料，因此该论文基于日常的打印纸作为传感器柔性衬底，将面巾纸浸泡在MXene溶液中构筑多孔超灵敏传感层，制备了三明治结构的柔性压阻式纸基压力传感器（MTP pressure sensor），该传感器兼具超高灵敏度、宽检测范围、绿色环保、可回收与低成本特性，同时与信号处理、无线传输模块集成制备了无线呼气智能检测口罩，可以实时监测由于阿片类药物过量、肺纤维化及其他心肺疾病导致的呼吸异常，实现呼吸疾病的早期预警。

传感器的性能：利用MXene良好的导电性和纸巾的天然多孔结构特性，传感器可达到509.5 kPa^-1的超高灵敏度，检测范围为0-100 kPa、检测限低至1 Pa、高压力下（225kPa）对于微小压力（0.92 kPa）的精确检测以及快速响应与出色的循环特性，如图1所示。

图1. MTP传感器的性能. (a) MTP传感器在不同压力下的I-V曲线；(b) MTP传感器的灵敏度曲线；(c) MTP传感器与现有文献中传感器的灵敏度与检测范围对比；(d) MTP传感器在0.5 - 100 kPa循环加载/卸载下的动态响应曲线；(e) MTP传感器在0.05 - 0.2Hz频率循环加载/卸载4 kPa压力的相对电流响应曲线；(f) MTP传感器对1 Pa微小压力的相对电流响应曲线；(g) 在MTP传感器上预先放置一个砖块（≈2.25 Kg）并分别在砖块上放置不同数量的螺母（≈9.2 g）实物示意；(h) MTP传感器在高压（225 kPa）下检测微小压力增量（0.92、1.84、2.76kPa）的相对电流变化；(i) MTP传感器在0-100 kPa范围高达10,000次循环响应。

传感器的应用：该传感器作为可穿戴设备可用于人体生理信息（呼吸、脉搏和血压等）与运动状态（识别站立、走路和跳跃等）的精确实时识别（图2）；将多个传感器组成传感器阵列可用于空间压力分布的实时检测（图3）；通过将MTP传感器、信号处理和无线通信模块集成在口罩上，构建了无线呼吸智能检测系统，可以实时监测正常呼吸、深呼吸和呼吸暂停等不同状态的呼吸信号（图4）。

图2. MTP传感器在人体生理信息监测以及运动状态识别中的应用. (a) MTP传感器生理信息监测应用示意图；(b) MTP传感器检测帕金森静态震颤（5 Hz）；(c) 检测5Hz模拟震颤局部放大图；(d) MTP传感器放在鞋垫上识别站立、行走和跳跃三种运动状态；(e) MTP传感器贴在颈部监测发声时喉部的肌肉运动；(f) MTP传感器监测运动前后的脉搏信号；(g - i) MTP传感器用于监测实时血压信号；(j) MTP传感器测量血压值与商用血压计检测值对比。

图3. 可用于空间压力分布检测的MTP传感器阵列. (a) MTP传感器阵列实物图；(b) 两个砝码（5g和10g）放在传感器阵列不同的位置；(c ) 传感器阵列检测砝码位置空间压力分布柱状图；(d) 传感器阵列检测3D打印数字（ “1”，“9”，“0”和“4”）压力分布；(e) 3D打印数字压力分布强度图；(f) 3D打印数字空间压力分布柱状图。

图4. 构建的无线呼吸智能检测系统. (a) 受试者佩戴呼吸监测口罩及各部分模块图片；(b - c)无线呼吸监测系统工作流程示意图；(d) 无线监测运动前后的呼吸信号；(e) MTP传感器检测呼吸原理示意图；(f ) 实时监测深呼吸状态。

传感器的回收利用：利用称量纸作为封装层构建了基于MXene/Tissue的全纸基柔性压力传感器，由于基底层、传感层与封装层均为可降解纸基材料，通过燃烧、超声和干燥等处理成功实现了银叉指电极的回收利用，最大限度的利用稀有金属材料，实现了电子产品的可持续发展，如图5所示。

图5. 全纸基MTP压力传感器中银叉指电极回收流程. (a) 银叉指电极回收流程示意图；印刷在纸上的银叉指电极(b)燃烧前和(c)燃烧后的图像；在(d)分离和(e)用乙醇收集破碎的银叉指电极后，(f)超声和(g)干燥溶液得到银粉。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c22001

相关进展

高分子科技原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：[e-mail]

诚邀投稿

欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至[e-mail]，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。

欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。

申请入群，请先加审核微信号PolymerChina （或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。

点

这里“阅读原文”，查看更多