研究目的与背景

连柔性压力传感器在柔性电子皮肤、医疗诊断、人机交互等领域有广泛应用。

制造具有高性能的多孔结构压力敏感层成为研究热点。

研究内容与成果

1.新型多孔复合结构

提出基于真空过滤和酸碱中和反应的方法快速制备具有表面补丁状突起和多孔复合结构的机械敏感增强结构。

关键特征：使用MXene 2D材料作为导电层，纤维素纳米纤维（CNF）作为添加剂。

2.压力传感器性能

高灵敏度（21.457 kPa⁻⊃1;）。

宽检测范围（0.11–11.022 kPa）。

快速响应/恢复时间（41.84 ms/20.82 ms）。

优异的稳定性和循环重复性（高达6000次）。

3.压力传感器阵列与电子皮肤

压力传感器阵列可检测压力分布，模拟电子皮肤功能。

4.小型化柔性无线反馈系统

开发配备五个压力传感器的小型化柔性无线反馈系统。

功能：低功耗传输、实时显示、无线传输。

5.手势识别

使用检测到的压力作为输入，借助卷积神经网络（CNN）模型实现9种手势的准确识别（98.22%）。

实验技术与方法

使用磁控溅射技术在PI膜基底上制备指间电极。

通过真空过滤和酸碱中和反应制备多孔复合结构。

应用与展望

展示了智能柔性压力传感器系统在人机交互和医疗诊断等领域的巨大潜力。

为未来智能可穿戴传感器的生产提供参考。

图解

(a) 多孔MXene/纤维素纳米纤维（CNF）薄膜的制备方案(b) MXene/CNF压力传感示意图

MXene纳米片的形态与结构表征：(a, b) 单层MXene纳米片的高分辨率透射电子显微镜（TEM）图像，显示其长度约为550纳米。(c) 单层MXene纳米片的高分辨率原子力显微镜（AFM）图像，表明其厚度约为1.3纳米。(d, e) MXene纳米片的元素映射图（Ti、O、C、F）。(f, g) 生物显微镜下（4倍放大）的MXene/纤维素纳米纤维多孔薄膜的表面视图。(h) I，MXene/CNF致密薄膜的横截面扫描电子显微镜（SEM）图像。II，MXene/CNF多孔薄膜的横截面SEM图像。(i) 与(h)对应的孔隙率分析。(j) I，MXene/CNF致密薄膜的放大横截面SEM图像。II，MXene/CNF多孔薄膜的放大横截面SEM图像。(k) 与(j)对应的孔隙率分析。

MXene/纤维素纳米纤维（CNF）压力传感器的作用机制。(a) MXene薄膜、MXene/CNF薄膜和MXene/CNF多孔薄膜的X射线光电子能谱（XPS）图。(b) Ti 2p的高分辨率光谱。(c) C 1s的高分辨率光谱。(d) MXene/CNF压力传感器的传感机制。(e) MXene薄膜、MXene/CNF薄膜和MXene/CNF多孔薄膜的X射线衍射（XRD）图。(f) 应力-应变曲线。(g) 杨氏模量。

MXene/纤维素纳米纤维（CNF）多孔薄膜压力传感器的性能表征。(a) 不同质量比（5:1、8:1、10:1、12:1、15:1）下MXene/CNF的灵敏度测试。(b) 质量比为12:1的MXene/CNF的灵敏度分析。(c) 质量比为12:1的薄膜传感器与泡沫传感器的灵敏度曲线。(d) 伏安特性曲线。(e) 传感器在不同频率下的电流响应曲线。(f) 响应/恢复时间。(g) 传感器在不同角度弯曲下的电流响应曲线。(h) 6000次循环的稳定性测试。(i) 性能比较。

MXene/纤维素纳米纤维（CNF）压力传感器在人体应用中的演示。(a) 人体应用示意图。(b) 脉搏监测。(c) 单个脉搏信号。(d, f, g) 通过声音监测声带运动。(e) 人体模型。(h) 呼吸监测。(i) 手指按压监测。(j) 手腕弯曲监测。(k) 肢体弯曲监测。

MXene/纤维素纳米纤维（CNF）压力传感器的实际应用示例。(a) 柔性无线反馈系统。(b) 配备蓝牙无线传输系统的MXene/CNF压力传感器测试图。(c) 八种不同手势的图像。(d) 与(c)中各种手势相对应的电压响应信号。(e) 手势识别的深度学习示意图。(f) 在卷积神经网络（CNN）学习框架下应用于9种不同手势。(g) 训练集的混淆矩阵图。(h) 测试集的混淆矩阵图。(i) 放置有不同质量物体的传感器阵列图像。(j) (i)中传感器阵列对不同质量物体的电流响应信号。(k) 传感器阵列应用于人体皮肤时的电流响应信号。

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