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提升电子皮肤传感性能的关键策略

来源：上海幂方电子科技有限公司 更新时间：2025-06-23 08:00:22 阅读量：82
导读：研究背景具有高灵敏度、便携性和可折叠性的电子皮肤在人工智能、人机交互、健康监测、软体机器人和疾病检测等方面的应


研究背景

具有高灵敏度、便携性和可折叠性的电子皮肤在人工智能、人机交互、健康监测、软体机器人和疾病检测等方面的应用获得了极大关注。柔性压力传感器通常由柔性基底、活性层、以及导电电极组成。开发这种传感器的基本要求是相当大的弯曲应变、高灵敏度、低驱动电压、快速响应时间和出色的稳定性。活性层的结构和形态被认为是改善柔性设备的压敏反应的关键因素。除了压敏材料的设计外，覆盖传感膜两个相对面的电极也是决定柔性设备寿命的关键因素。这种电极必须在弯曲周期内与传感薄膜兼容，并保持其高导电性。因此，更好地适应器件变形的活性层和具有高导电性的柔性电极，是下一代柔性电子器件不可缺少的组成部分。


成果简介

MXenes是一类新兴的二维过渡金属碳化物和氮化物，其具有出色的导电性、机械灵活性和水分散性，已被广泛用于柔性电子。吉林大学韩炜教授和半导体所沈国震研究员等人报道了MXene材料在电子皮肤的电极和活性层中的应用。相关研究工作以“Controlled Assembly of MXene Nanosheets as an Electrode and Active Layer for High-Performance Electronic Skin”为题发表在Advanced Functional Materials期刊上。


研究亮点

1. 利用真空过滤技术，使几层MXene电极被集成到三维聚丙烯腈（PAN）网络的顶部和底部表面，形成一个稳定的电子皮肤。
2. 采用Ti3C2Tx MXene电极制造的柔性装置表现出优异的性能，具有104.0 kPa-1的高灵敏度，30/20 ms的快速响应/恢复时间，以及1.5 Pa的低检测限。
3. 该柔性压力传感器表现出强大的机械稳定性，可以经受住240次弯曲循环，可以像七巧板或折纸一样放大或折叠，并从二维结构转变为三维结构；此外，它可以检测到人类肌肉的微小运动，如与声音产生相应的运动和手指弯曲时的激烈运动。


图文解读

图1| 基于MXene/PAN的柔性压力传感器的制造过程和工作机制。


图2| 三维多孔结构的MXene/PAN复合膜的材料表征。


图3| 基于MXene的柔性压力传感器的压敏性能测试。


图4| 传感性能测试。


图5| 基于MXene/PAN的柔性压力传感器的应用和展示。


总结展望

综上所述，作者开发了一种基于MXene/PAN的柔性压力传感器，采用MXene电极。与基于其他电极的传感器相比，该柔性压力传感器不仅大大改善了压敏反应，而且还表现出良好的循环稳定性（超过10 000次）、快速响应时间、低检测限和高稳定性。所制造的柔性Ti3C2TX/PAN复合膜可用作压力传感器，准确而快速地监测人类的生理活动，由于其快速响应和高稳定性，使其适用于语音识别和脉冲监测等应用。本研究中所展示的基于MXene/PAN的柔性压力传感器的高性能，突出了其在智能柔性系统中的巨大应用潜力，包括软体机器人、仿生机器人、触觉反馈系统和生物医学设备。此外，受折纸启发的折叠装置消耗的空间较小，因此适合于特殊应用：这种紧凑的设计提高了可穿戴电子设备的多样性和便携性。这项研究为MXenes和聚合物纤维复合结构作为传感材料提供了一个新的应用前景，以改善可穿戴电子设备的传感性能和机械性能。


文献链接

Controlled Assembly of MXene Nanosheets as an Electrode and Active Layer for High-Performance Electronic Skin
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视频号：#柔性电子那些事

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