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中国石油大学Weiwei Wang等--基于MXene和聚苯胺的高灵敏度可穿戴柔性人体运动传感器
       高性能柔性压力传感器广泛应用于人体运动检测、软机器人和人机交互领域。然而,现有的柔性压力传感器存在耐磨性差、制备工艺复杂、制备成本高等问题。海绵通常被认为是柔性压力传感器的优秀载体,当导电复合材料被加载到海绵骨架上时,它们可以有效地检测压力变化。因此,报道了一种基于MXene/PANI的高灵敏度三聚氰胺海绵压力传感器,使用柔性叉指电极作为电极。一方面,MXene的加入大大提高了海绵的导电性。另一方面,通过引入适量的纳米棒PANI,提高了海绵骨架的表面粗糙度,有效地提高了接触电阻。通过使用设计的印刷叉指电极,增加了与海绵接触的有效面积,有效地提高了传感器的灵敏度。实验表明,该传感器具有快速响应/恢复时间(55ms/50ms)、低检测极限(10.2Pa)、良好的重复性和长期稳定性(10000次循环)。此外,传感器不仅可以应用于可穿戴检测,检测人体的生理信号,还可以利用4×4传感器阵列检测不同形状物体的压力分布,展示其在可穿戴和人工电子皮肤领域的应用价值。
 
图1. MXene/PANI基三聚氰胺海绵传感器的制造工艺示意图。
 
图2. SEM图像:(a)PANI,(b)PANI的局部放大图,(c)MXene,(d)MXene的局部放图,(e)MXene/PANI基海绵,插图是骨架的放大图像,(f)MXene/PANI海绵的单个骨架,插图是骨骼的放大图像。
 
图3. (a) PANI和MXene的XRD图谱,(b)PANI和MXene的傅立叶变换红外光谱,(c–f)MXene/PANI复合材料在复合海绵上的Ti、c、N的EDS图谱。
 
图4. MXene/PANI基三聚氰胺海绵传感器的压力传感机理:(a)未施加压力的传感器,(b)施加压力后传感器本身的电阻以及传感器与电极之间的接触电阻,(c)未施加电压的电路等效图,以及(d)施加压力的电路等效表。
  
图5. (a) 三聚氰胺海绵在不同应变下的应力-应变曲线,(b)具有不同MXene和PANI比率的传感器的压力-电流曲线,(c)MXene/PANI=1:2时传感器的灵敏度曲线,(d)传感器在3.35–23.52 kPa的渐进压力下的循环试验。
  图6.(a) I-V曲线,(b)3.3 kPa压力下的传感器响应/恢复时间,(c)循环测试,(d)不同压缩速度(50–250 mm/min)下的传感器电流值,(e)大豆压力测试,(f)固定压力频率下的电流-时间(I-T)曲线和压力-时间(P–T)曲线。
 
图7.(a) 将传感器固定在手腕处以检测脉搏(插图显示了脉搏振动波形的放大图),(b)将传感器固定到手指关节处以测量不同的弯曲角度,(c)将传感器安装在脸颊处以检测浮肿,以及(d)将传感器安装在鞋底处以检测足部运动。
 
图8.(a) 固定在膝盖上的传感器的照片,(b)当受试者行走时传感器的响应,(c)当受检者跑步时传感器的反应。
 
图9. MXene/PANI基三聚氰胺海绵组装的4×4像素电子皮肤:(a)放置在电子皮肤上的键的照片,(b)与键对应的2D压力图,(c)与键相对应的3D直方图。
 
      相关研究成果由中国石油大学Weiwei Wang等人2023年发表在ACS Applied Polymer Materials (链接:https://doi.org/10.1021/acsapm.3c02175)上。原文:High-Sensitivity Wearable Flexible Pressure Sensor Based on MXene and Polyaniline for Human Motion Detection

转自《石墨烯研究》公众号

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