由于在人類保健、電子皮膚和人工智能互動方面的潛在應用，柔性和可穿戴壓力傳感器在消費電子領域獲得了極大的歡迎。MXene由于其高導電性和可控制的層間空間，被認為是最理想的候選傳感材料之一。然而，MXene材料的易氧化特性大大限制了傳感器設備的靈敏度和可靠性，特別是在潮濕的氣候條件下。因此，下一代可穿戴電子設備非常需要制造具有高靈敏度、快速響應能力、優良耐久性和防水的MXene壓力傳感器。

據麥姆斯咨詢報道，西安工程大學楊杰/王琛教授研究團隊通過簡單有效的納米纖維素插層和氟改性策略，利用獨立的疏水性細菌纖維素（Bacterial Cellulose，BC）/Ti3C2Tx MXene混合薄膜（HBT）作為傳感層，制造了一種高靈敏度和防水的柔性壓力傳感器。獲得的壓力傳感器具有高靈敏度（65.5 /kPa）、快速響應（50ms）、寬線性傳感范圍（0.002-30kPa）、低檢測限（0.57Pa）和超過50,000次循環的優異重復性。同時，由于HBT薄膜的高疏水性表面，即使多次浸入水中，也能很好地保持其出色的傳感特性。受益于優異的傳感性能和防水性，HBT傳感器可作為可穿戴式壓力傳感器，監測人類的全方位生理運動。這項工作為設計具有高可靠性的MXene壓力傳感器提供了一個新的途徑，并證明了HBT傳感器在便攜式生物醫學電子領域的應用前景。相關研究以“Water-Tolerant MXene Epidermal Sensors with High Sensitivity and Reliability for Healthcare Monitoring”為題發表在ACS Applied Materials & Interfaces期刊上。

研究人員首先制造了一個防水和高靈敏度的HBT柔性壓力傳感器，并利用簡單有效的PFDTMS改性方法，使HBT薄膜富含疏水的表面特性。

圖1 HBT混合膜的制造過程

圖2 HBT薄膜的材料表征

a, b）HBT復合膜的光學照片；c-f）表面（c）、截面（d，e）SEM顯微圖像和元素分布（f）。

其次，研究人員利用BC納米纖維在MXene中的插層提供了一個有效的緩沖區，增強了層間分離，并賦予HBT壓力傳感器高靈敏度（65.5 /kPa）、快速響應和恢復率（50:48 ms）、低檢測限（0.57Pa）和50,000次循環的長期運行穩定性。研究結果表明，HBT傳感器在監測全范圍的人類生理運動（包括觸摸、肢體手勢、交談、面部表情和小鼠振動）方面表現出理想的壓力感應行為和出色的防水性能。

圖3 HBT傳感器的壓力傳感性能

a）HBT壓力傳感器靈敏度曲線；b）傳感器在微小壓力小的實時電流變化；c）傳感器檢測限；d）響應、恢復時間；e）循環穩定性。

圖4 HBT傳感器的防水特性

a）BT和HBT柔性壓力傳感器在水中浸泡前、后的實時電流變化曲線對比；b-c）HBT傳感器水中浸泡后的靈敏度曲線（b）和循化壽命（c）。

綜上所述，通過簡單有效的疏水修飾策略，成功地創建了一個帶有BC和MXene的防水壓力傳感器組件。由于BC納米纖維素在MXene夾層中的優化設計，HBT壓力傳感器實現了高靈敏度、快速響應、超低檢測限，以及50,000次響應行為后的卓越循環穩定性。此外，氟功能化使傳感器表面具有優異的疏水性和高抗水性。因此，HBT壓力傳感器即使在經歷了反復的水浸泡后，仍能保持較高的傳感性能和耐久性。基于出色的傳感和防水性能，制備的HBT傳感器可以作為一個有效的可穿戴式傳感器，即使在潮濕的環境中也能顯示出對人類全范圍生理運動的良好監測能力。這項工作為具有高可靠性的防水壓力傳感器的設計提供了新的見解，并表明HBT傳感器具有在醫療電子、電子皮膚和人機界面中的應用潛力。

圖5 HBT柔性壓力傳感器用于人體運動信號監測

a）觸摸信號；b）膝蓋彎曲信號；c）發音信號；d）腕部脈搏信號；e）運動前、后出汗狀態下的面部表情識別。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1021/acsami.2c03731

審核編輯 ：李倩