西南交通大学杨维清课题组 Adv. Funct. Mater：多维感知–MXene基柔性多功能微力传感器

【引言】

柔性可穿戴电子设备在人体健康监测，智能机器人，人机界面等领域发挥着越来越重要的作用。其中，在体积有限的前提下实现更多信息的感知便是这类设备的一个追求目标。现有的多功能检测的方式一般是将拥有不同传感能力的传感器机械的整合，通过分别检测对应的信号实现的。在电子设备小型化，柔性化，可穿戴的发展趋势下，这种传统的方式在体积越来越有限的电子设备中难以实现。所以在紧凑设计单体结构的器件上实现多种信号的检测便是一种发展方向。

MXene是一种新型的二维材料，它是由过渡族金属形成的碳氮化物。它是通过利用HF刻蚀掉前驱体材料MAX中的金属“A”，形成MXene材料。刻蚀过后的MXene呈现一种手风琴状的层片状结构，同时具有良好的导电性。在压力作用下，MXene层片状的间距发生变化使得材料本身电导率也随之发生变化，这种特性使得其成为一种优异的压阻敏感性材料。

【成果简介】

在西南交通大学材料学院杨维清教授和青年教师邓维礼的指导下，课题组学生高育育和闫成利用这种MXene材料以及微结构限域效应的设计，研制了一种具有多功能检测能力的微力传感器。研究结果表明，在外力作用下，MXene内部的层片间距以及MXene颗粒之间的间距都会产生相应的压缩，这种相互之间的挤压使得MXene材料构成敏感层的电导率产生改变，从而使其电阻值随之发生变化。为进一步提升MXene在压力下的形变空间，研究者利用微沟道结构的限域作用，使得MXene在器件中的分布形成了三维立体堆叠结构。实验证明在这种可压缩材料和沟道限域效应的协同作用下，器件的检测灵敏度可达99.5 kPa^-1，,最低可以实现9 Pa超低压强的检测,同时具有极短的响应时间（4 ms）,并且在10000周的循环寿命测试后，压力检测性能几乎没有衰减。此外，该传感器能够实现对人体脉搏，喉咙微动，物体加速度甚至声音信号的检测，展示了该传感器的超高灵敏度。这种单结构的设计思路够在实现多功能检测的同时有效的降低传感元件在电子器件中的体积占比，为未来传感器的开发提供了一种新的思路。相关研究成果已发表在Wiley旗下期刊Advanced Functional Materials（DOI:10.1002/adfm.201909603）上。

【图文导读】

Figure 1 器件概览

a.器件结构图
b.微沟道结构的白光干涉图
c.阵列化器件

Figure 2 器件工作机理探究

a.MXene工作机理
b.不同深度沟道下所制备器件的性能表征
c.不同深度沟道下的SEM图及MXene在沟道中受压FEA结果

Figure 3 器件基础电学性能表征

a.将微小物体放在器件上
b.器件在9Pa 压强下对应的传感信号
c.器件响应时间信号
d.器件串联LED，在不同压力下的亮度
e.循环寿命测试

Figure 4 器件多功能化测试

a.测试人体体征信号
b.测试人说话时喉咙的微动信号
c.测试手腕处脉搏信号
d-e)测试近距离下不同声音的响应信号
f.测试振动平板上的响应信号

论文地址：DOI:10.1002/adfm.201909603，https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201909603。

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