研究目的與背景

連柔性壓力傳感器在柔性電子皮膚、醫療診斷、人機交互等領域有廣泛應用。

制造具有高性能的多孔結構壓力敏感層成為研究熱點。

研究內容與成果

1.新型多孔復合結構

提出基于真空過濾和酸堿中和反應的方法快速制備具有表面補丁狀突起和多孔復合結構的機械敏感增強結構。

關鍵特征：使用MXene 2D材料作為導電層，纖維素納米纖維（CNF）作為添加劑。

2.壓力傳感器性能

高靈敏度（21.457 kPa??1;）。

寬檢測范圍（0.11–11.022 kPa）。

快速響應/恢復時間（41.84 ms/20.82 ms）。

優異的穩定性和循環重復性（高達6000次）。

3.壓力傳感器陣列與電子皮膚

壓力傳感器陣列可檢測壓力分布，模擬電子皮膚功能。

4.小型化柔性無線反饋系統

開發配備五個壓力傳感器的小型化柔性無線反饋系統。

功能：低功耗傳輸、實時顯示、無線傳輸。

5.手勢識別

使用檢測到的壓力作為輸入，借助卷積神經網絡（CNN）模型實現9種手勢的準確識別（98.22%）。

實驗技術與方法

使用磁控濺射技術在PI膜基底上制備指間電極。

通過真空過濾和酸堿中和反應制備多孔復合結構。

應用與展望

展示了智能柔性壓力傳感器系統在人機交互和醫療診斷等領域的巨大潛力。

為未來智能可穿戴傳感器的生產提供參考。

圖解

(a) 多孔MXene/纖維素納米纖維（CNF）薄膜的制備方案(b) MXene/CNF壓力傳感示意圖

MXene納米片的形態與結構表征：(a, b) 單層MXene納米片的高分辨率透射電子顯微鏡（TEM）圖像，顯示其長度約為550納米。(c) 單層MXene納米片的高分辨率原子力顯微鏡（AFM）圖像，表明其厚度約為1.3納米。(d, e) MXene納米片的元素映射圖（Ti、O、C、F）。(f, g) 生物顯微鏡下（4倍放大）的MXene/纖維素納米纖維多孔薄膜的表面視圖。(h) I，MXene/CNF致密薄膜的橫截面掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。II，MXene/CNF多孔薄膜的橫截面SEM圖像。(i) 與(h)對應的孔隙率分析。(j) I，MXene/CNF致密薄膜的放大橫截面SEM圖像。II，MXene/CNF多孔薄膜的放大橫截面SEM圖像。(k) 與(j)對應的孔隙率分析。

MXene/纖維素納米纖維（CNF）壓力傳感器的作用機制。(a) MXene薄膜、MXene/CNF薄膜和MXene/CNF多孔薄膜的X射線光電子能譜（XPS）圖。(b) Ti 2p的高分辨率光譜。(c) C 1s的高分辨率光譜。(d) MXene/CNF壓力傳感器的傳感機制。(e) MXene薄膜、MXene/CNF薄膜和MXene/CNF多孔薄膜的X射線衍射（XRD）圖。(f) 應力-應變曲線。(g) 楊氏模量。

MXene/纖維素納米纖維（CNF）多孔薄膜壓力傳感器的性能表征。(a) 不同質量比（5:1、8:1、10:1、12:1、15:1）下MXene/CNF的靈敏度測試。(b) 質量比為12:1的MXene/CNF的靈敏度分析。(c) 質量比為12:1的薄膜傳感器與泡沫傳感器的靈敏度曲線。(d) 伏安特性曲線。(e) 傳感器在不同頻率下的電流響應曲線。(f) 響應/恢復時間。(g) 傳感器在不同角度彎曲下的電流響應曲線。(h) 6000次循環的穩定性測試。(i) 性能比較。

MXene/纖維素納米纖維（CNF）壓力傳感器在人體應用中的演示。(a) 人體應用示意圖。(b) 脈搏監測。(c) 單個脈搏信號。(d, f, g) 通過聲音監測聲帶運動。(e) 人體模型。(h) 呼吸監測。(i) 手指按壓監測。(j) 手腕彎曲監測。(k) 肢體彎曲監測。

MXene/纖維素納米纖維（CNF）壓力傳感器的實際應用示例。(a) 柔性無線反饋系統。(b) 配備藍牙無線傳輸系統的MXene/CNF壓力傳感器測試圖。(c) 八種不同手勢的圖像。(d) 與(c)中各種手勢相對應的電壓響應信號。(e) 手勢識別的深度學習示意圖。(f) 在卷積神經網絡（CNN）學習框架下應用于9種不同手勢。(g) 訓練集的混淆矩陣圖。(h) 測試集的混淆矩陣圖。(i) 放置有不同質量物體的傳感器陣列圖像。(j) (i)中傳感器陣列對不同質量物體的電流響應信號。(k) 傳感器陣列應用于人體皮膚時的電流響應信號。

來源：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.159369