清华大学南策文院士武汉理工大学张鑫Adv.Sci.：基于3DMXene柔性网络的高性能压力传感器

随着智能可穿戴设备的日益普及，在各种复杂的应用场景中，迫切需要具有柔性的高性能压力传感器。现有的柔性压力传感器面临一个巨大挑战，就是在宽温度范围内需要保持高灵敏度，这对于它们在恶劣环境中的应用至关重要。

基于以上挑战，清华大学南策文院士和武汉理工大学张鑫研究员等人合作，报道了一种基于三维MXene/PEI网络的高性能柔性压阻传感器，适用于较宽的温度范围(从液氮温度到°C)。相关研究成果以“3DMXene-BasedFlexibleNetworkforHigh-PerformancePressureSensorwithaWideTemperatureRange”为题目，发表于期刊《AdvancedScience》上。

PEI是一种非晶态热塑性聚合物，具有耐高温、优异的拉伸强度和优越的尺寸稳定性，在航空航天领域已经显示出巨大的应用潜力。此外，含有醚键的PEI表现出极大的灵活性和可加工性，可以通过各种物理过程构建不同的微观和宏观结构。另一方面，新兴的MXenes纳米片具有金属导电性、优异的机械强度和良好的亲水性，可以承受一定的低温(-℃以下)和高温(℃以上)，适用于在恶劣条件下应用PEI纤维网络构建可穿戴压力传感器。

通过PEI的逐层静电纺丝工艺，制备了三维MXene/PEI网络，提高宽温度范围内的传感性能。制备了类似蜘蛛网的MXene/PEI互联3D纤维网络，将MXene纳米片涂覆在每根PEI纳米线表面。这种三维MXene/PEI网络受益于外力作用下的大变形，提高压阻传感器在高温下的传感性能。此外，在MXene/PEI网络与柔性电极之间组装了一层超薄PEI层作为间隔层，可以进一步增强外部变形下的导电路径。该柔性压阻传感器在宽温度范围(从液氮到°C)内具有优异的灵敏度、响应/恢复时间短、检测限低、高温下耐久性好，在人体活动、健康监测、压力分布阵列和人机交互等方面具有潜在应用价值。

图1.a)MPP压阻式传感器制备过程示意图。b)Ti3C2TXMXene纳米片的SEM图像和尺寸分布。c)MXene纳米片的AFM图像。高度分布表明纳米片的厚度≈1.74nm。d)MXene纳米片的TEM图像，插图显示了其相应的选区电子衍射图。e)Ti3AlC2MAX和Ti3C2TXMXene纳米片的XRD图。f)MXene/PEI纤维网络的SEM图像g)PEI纤维网络、Ti3C2TXMXene和MXene/PEI纤维网络的傅里叶变换红外(FTIR)光谱。h)MXene/PEI纤维网络的3D结构图。

在这项工作中，研究者制备了一个三维MXene/聚醚酰亚胺网络为基础的高灵敏度压阻传感器。该传感器在宽温度范围内具有超高灵敏度(在?5℃时为80kPa?1，在室温时为kPa?1，在℃时为20kPa?1)，9Pa的低检测限，ms的快速响应时间，长期耐久性，室温时超过次循环、°C下0次循环和?5°C下次循环

图2.MPP压阻式传感器的传感机制。a)MPP传感器压力传感模型。b-f）MXene/PEI纤维网络在不同压缩状态下的原位SEM图像。

压力传感器可以实时跟踪不同的人类活动，检测压力分布，并用于人机交互。它还可以在高温(°C)和低温(液氮)下对外部机械刺激做出敏感反应。此外，纤维网络具有良好的焦耳加热能力，在12V电压下可达到78°C。因此，柔性MXene/PEI纤维网络在柔性可穿戴电子设备和恶劣条件下的个人加热系统领域内，具有广阔的应用前景。

图3.MPP压阻式传感器的传感性能。a)电流响应ΔI/Io与时间的关系。b)对于具有不同MXene浓度的MXene/PEI传感器，随着压力负载的变化，电流的相对变化(ΔI/Io)。c)MPP传感器在压缩速度为mms?1时的响应时间(ms)和恢复时间(ms)。d)传感器在次连续加载-卸载循环下的耐久性测试。e)MXene/PEI纤维网络在-至°C的动态流变行为。f)MXene/PEI纤维网络的应力-应变曲线和g)MPP传感器在从室温到°C的不同温度条件下的灵敏度。h)MPP传感器在°C下0次循环的循环压阻传感性能。i)不同压阻式传感器的灵敏度和感应范围的比较。

MPP传感器的应用

MXene/PEI压阻传感器具有灵敏度高、响应快等优点，适用于细微压力和人体不同活动的实时监测。压阻式传感器的检测限是其最关键的性能指标之一。如图4a所示，传感器可以检测大豆(9Pa)和重量为1克(44Pa)的微小压力。此外，柔性传感器可以共形附着在人体肌肉上。如图4b所示，可以记录脸颊隆起的最小肌肉运动。在图4c中，将传感器直接固定在一名成年男性的手腕皮肤上，实时监测脉搏，并能清晰地区分波形，在生物医学监测和实时临床诊断方面具有很大的应用前景。

由于其柔性，MPP压阻传感器也可以紧紧附着在人体关节上。如图4d所示，传感器可以实时检测食指的弯曲和矫直运动。该传感器还显示出较高的灵敏度来监测人体关节的屈伸运动周期，如手腕、肘部、脚踝和膝盖。在图4f中，传感器也表现出对高频手指敲击的快速响应。在液氮温度附近的超低温度下，电流信号对杯子重量的变化响应良好。宽广的工作温度范围显示了该传感器在航空航天领域的应用潜力。

图4.MPP压阻式传感器的应用。a)大豆(9Pa)和1g重物(44Pa)提供的微小物体压力的响应曲线，b)脸颊隆起，c)手腕脉搏（放大图是包含称为P的特征峰的单个脉冲信号-波、T波和D波），d）手指弯曲，e）肘部摆动，f）手指敲击，和g）在从RT到80°C的不同温度下保持水杯。h)MPP压阻式传感器在超低温（液氮）下的传感性能。

物联网(LoT)是信息时代的核心，由多种传感器组合而成。为了进一步研究其在LoT领域的应用，将MPP压阻传感器连接到蓝牙系统。如图5a所示，系统可以将感知到的压力信号转换为无线电磁波信号。然后可以在手机上监测和记录电流的变化。如图5b所示，传感器阵列通过监测每个像素点的电流强度，可以量化压力分布，从而确定棋子的特定位置。此外，高度灵活的传感器安装在机器人的腿上，如图5c所示，当机器人摆动手臂行走时，传感器产生响应信号。

图5.a)MPP压阻式传感器连接到包含蓝牙模块的电路，该模块将手指敲击的信号无线传输到手机。b)将棋子放置在4×4MPP压阻传感器像素阵列上，检测相应的压力分布。c)MPP压阻传感器实时传感监测机器人运动。d)在MPP压阻传感器上施加不同的压力，LED的亮度响应发生变化。e)附着在皮肤表面用于焦耳加热的MXene/PEI纤维网络示意图。f)浓度为0.8mgmL?1的MXene/PEI纤维网络在不同操作电压下的温度分布。g)浓度为0.8mgmL?1的MXene/PEI纤维网络在电压从0到12V逐步升高时的红外热图像。

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