广西大学邓承浩课题组《Adv. Mater. Tech》:多功能集成超灵敏织物压力传感器

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可穿戴柔性压力传感器是当前柔性电子技术的一个重要分支。高性能、多功能、高透气和良好的穿戴舒适性是可穿戴设备的发展目前和着力点。织物压力传感器为解决这一问题提供了可行思路，但如何实现多功能集成、高灵敏度、宽探测范围、简单的制备工艺仍旧是一个挑战。

广西大学物理学院青年教师邓承浩课题组在《Advanced Materials Technologies》期刊上发表了题为“Trilayer MXene Fabric for Integrated Ultrasensitive Pressure Sensor and Wearable Heater”的文章(DOI: 10.1002/admt.202100574)。该文章设计了一种分层结构的全织物可穿戴传感器，实现了超灵敏(2882–36328 kPa^-1)，宽探测范围(0–140 kPa)的压力传感和应力调控的低驱动加热。该传感器由三层不同电阻的导电织物缝合而成。全织物结构为该器件提供了良好的透气性和极佳的穿戴舒适性。传感器上下层织物的面电阻为150 W/sq，中间层面电阻为800 MW/sq。织物层间巨大的电阻差异是实现超高灵敏度的关键因素，上下层低阻织物则可作为柔性引出电极和加热层，避免了常见柔性传感器中聚合物基底的使用，实现了全织物结构的可穿戴器件以及加热和压力传感的功能集成。导电织物由普通织物通过简单的浸涂工艺复合新兴二维材料Ti₃C₂T_x MXene制备而成。通过控制Ti₃C₂T_x MXene分散液的浓度，可以获得面电阻分布于150 W/sq至800 MW/sq的导电织物。传感器的灵敏度和探测精度可以通过改变中间层织物的电阻进行调节。该传感器实现了从微弱压力(人体脉搏)到高压力(俯卧撑)的多尺度、全范围探测。

图1. (a) MXene织物和三层结构织物器件制备原理图；(b)不同浓度MXene浸涂的织物面电阻；(c)三层结构织物器件层间电阻随中间层浸涂浓度的变化；(d) 三层结构物器件的照片；(e) 器件传感性能和加热性能测试示意图；(f) 5 V驱动电压下器件的红外热像图；(g) 器件在压力下的典型电流响应曲线。

图2. MXene织物的结构表征：(a)织物的扫描电镜图；(b) 织物浸涂MXene后的结构示意图；织物浸涂MXene前后的(a) XPS谱图和(b) XRD谱图；(e)-(h) 织物浸涂MXene前后的SEM图像和局部放大图；(i) MXene织物C、O、Ti元素的EDS分布图。

图3. (a) 织物传感器1在不同压力下I-V特性曲线图；(b) 压力下的三层结构织物的结构和导电通路变化示意图；(c) 织物传感器1在阶梯压力下的电流响应；(d)传感器1在不同压力下的相对电流变化；(e) 织物传感器的等效电路示意图；(f) 传感器1在1300次压力循环下的电流响应；(g) 部分代表性压力下的阶梯测试结果；(h) 本文中和文献报道的传感器的性能对比。

图4. 中间层分别浸涂(a) 1、(b)1.5、(c)2 和(d) 2.5 mg/mLMXene的传感器在不同压力下的相对电流变化；(e) 以上四个传感器的层间电阻和灵敏度对比；(f) 忽略上下层电阻后的织物传感器的等效电路图；(g) 以上四个传感器在140 kPa下的电阻；(h-k) 以上四个传感器在1kPa以内压力下的相对电流变化。

图5. (a) 穿戴织物传感器监控人体脉搏的照片；(b)和(c) 传感器记录的人体脉搏曲线；(d)和(e) 将五个传感器粘贴在五指上监控抓放篮球的示意图和抓放过程中的电流响应；(f) 敲击传感器产生“MXene”的摩尔斯密码；(g)-(i)传感器监控人体俯卧撑示意图和运动过程中的电流响应。

图6. 三层结构织物器件作为传感器和加热器的(a)原理示意图和(b)等效电路图；(c)加热器加不同电压下的温度；(d) 3×3传感和加热阵列的示意图；加热器在不同程度拉伸下的(e)红外热像图和(f)电阻及温度变化图；一个3×3阵列器件记录压力分布的(g)示意图和(h)电流变化分布图及其在5V驱动电压下的(i)红外热像图和(j)光学照片。

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https://doi.org/10.1002/admt.202100574

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