面向医疗监测的高灵敏传感衣来了!基于MXene研发双模式软传感器

虽然可以同时检测各种物理刺激的皮肤传感器在尖端的人机交互、机器人和医疗保健应用中具有相当的重要性，但它们仍然面临着使用传统活性材料的简易、可扩展和成本效益生产的挑战。新兴的二维过渡金属碳化物Ti3C2Tx MXene具有良好的热电性能、类似金属的导电性和亲水表面，有望解决这些问题。研究设计了一种类似皮肤的多功能传感器，通过用MXene片装饰弹性和多孔基板来精确检测和区分温度和压力刺激，而不会产生串扰。由于热电和导电MXene与隔热、弹性和多孔基板的结合，集成了高效的塞贝克效应和压阻效应，因此所制成的传感器不仅具有超低检测极限(0.05 K)、高信噪比和出色的温度检测循环稳定性，而且具有高灵敏度、快速响应时间和出色的压力检测耐久性。基于令人印象深刻的双模传感特性和独立的温度和压力检测，创建了多模输入终端和电子皮肤，在机器人和人机交互应用中显示出巨大的潜力。这项工作提供了一种可扩展的多功能触觉传感器制造技术，用于精确检测和区分温度和压力刺激。

创新点

1. 利用MXene材料Ti3C2Tx制作了温度-压力双模式传感器。这是首次探索MXene的热电温度传感应用潜力,拓宽了MXene的应用范围。

2. 通过在互斥的弹性聚二甲基硅氧烷海绵基底上沉积MXene薄片,制备出了高性能的温度-压力双模式传感器。海绵基底提供了良好的热绝缘和弹性支撑,与MXene的热电导电性能相结合,实现了双模式传感。

3. 该传感器显示出色的传感性能,包括极低的温度检测限(0.05 K)、高灵敏度、快速响应、出色的稳定性等。尤其是温度检测极限低于大多数报道的热电传感器。

4. 该传感器可以同时检测温度和压力刺激,并将其转换为独立的电压和电阻信号,实现了无串扰的双参数检测。微观计算揭示了其信号解耦机理。

5. 在该传感器的基础上,制作了电子皮肤和多模式人机交互终端,展示了MXene双模式传感器在先进应用中的潜力。

6. MXene的易加工性使其可以与多种廉价基底结合,实现大规模低成本制备高性能双模式传感器。这对MXene的大规模应用具有重要意义。

总体来说,这项工作开拓了MXene在双模式传感领域的新应用,并实现了高性能、可扩展的双模式温度-压力传感器的制备,具有重要的科学价值和应用前景。

图文介绍

图1. MCP泡沫的制造示意图

图1. MCP泡沫的制造示意图

图2. 对不同温度梯度下传感器的温度和电位分布的模拟

图3. 仿真结果显示了在不同压力下的传感器的应力分布

图4. 模拟了在压力和温度刺激下传感器的电位分布

图5. 使用MCP传感器阵列模拟皮肤进行动态温度?压力传感的演示

图6. MXene功能化前后不同低成本底物的照片和SEM图像

总结

为了实现简便、可扩展和经济有效的集成温度?压力传感的皮肤样传感器的生产，我们使用Ti3C2Tx MXene作为单一活性材料，在多孔和弹性衬底的帮助下制备了多功能MCP传感器。MCP传感器具有高度连续的MXene网络和多孔结构，结合了高效的热电和压阻特性，并对温度变化和压力刺激高度敏感。MCP传感器具有令人印象深刻的传感性能，包括高信噪比、超低检测限（0.05 K）、优异的温度检测循环稳定性、高灵敏度、快速响应时间和优异的压力检测耐久性。MCP传感器对温度和压力的传感功能是相互独立的，理论计算揭示了这种信号解耦现象的潜在机制。此外，利用双模传感机制，利用MCP传感器创建了电子皮肤和多模输入终端，并开发了一种机器学习算法来训练和区分人机?交互输入终端的输入信息，实现了100%的高精度。本研究旨在拓宽MXene的使用方式，它在双模温度?压力传感应用中表现出远远优越的加工能力。

* 文献

来源：https://doi.org/10.1021/acsnano.3c04650

来源：北科材料科学前沿