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