基于MXene_rGO复合电极的柔性压力传感器的制备及性能研究.pdfVIP

摘要

柔性压力传感器因其在可穿戴设备、健康监测、人机交互等领域中的潜在应用而备受关

注。其中，压阻式压力传感器是柔性压力传感器的一个重要分支。灵敏度和线性工作范围是

压阻式压力传感器的主要性能指标。然而，高灵敏度和宽传感区间通常是不兼容的，这使得

制备高性能柔性压阻式压力传感器仍然是一个巨大的挑战。为了改善这一问题，通常从材料

的选择和压阻式压力传感器的结构设计来考虑。二维石墨烯因其独特的原子结构和尺寸特性，

具有优异的物理和化学特性，可以利用其良好的表面亲水性，大的比表面积的优点来组装成

通用导电结构的电极。尽管二维石墨烯基压力传感器易于实现高灵敏度和快速响应，适合于

检测微小形变，但在强压力下无法有效实时的工作，从而导致实际应用中仍有其局限性。类

似石墨烯，MXene是一种新型的二维层状过渡金属碳化物/氮化物材料，具有优异的力学性能、

大的比表面积、良好的亲水性和高电导率等优点。且MXene通常由多种元素组成，从而可以

调节其物理和化学特性。然而，MXene本身存在一定的脆性，基于MXene的压力传感器不具

备良好的弹性以及无法承受较大的压力。根据生物相似相容性原理，结合二者的优点，构建

石墨烯与MXene的复合电极，设计调控其结构，是进一步提高复合电极性能的一种非常有效

的途径。基于此，本文的具体工作如下：

（1）通过调整传感材料，优化电极结构，采用高效、精准的激光直写技术制备的新型的

MXene/还原氧化石墨烯（MXene/rGO）复合电极，用于柔性非对称压阻式压力传感器。受益

于MXene/rGO复合电极的层层交联结构，所提出的柔性MXene/rGO非对称式压力传感器表

现出优异的压力传感性能，如高的灵敏度（2.35kPa−1，0-250Pa），低的检测极限（约2.9Pa），

快速的响应和恢复时间（0.132s），优越的稳定性（超过1000个循环）。同时，设计的柔性

MXene/rGO非对称式压力传感器可以实时检测身体的生理活动，如脉搏跳动、声音振动、手

指弯曲和呼吸运动。此外，由4×4相同的MXene/rGO非对称式压力传感器集成的压力传感

器阵列具有良好的多点识别功能。

（2）通过高效的水热合成法和新颖的闪光瞬时辐射还原法，开发了一种新颖的三维多孔

MXene/rGO复合泡沫，并将其作为压阻式传感材料用于柔性压力传感器。与传统的还原方法

相比，这种闪光瞬时辐射还原法可以有效地将MXene纳米片与rGO纳米片紧密连接，从而

使所设计的三维多孔骨架结构的MXene/rGO复合泡沫具有强的机械弹性和高导电性。实验结

果表明，所设计的柔性MXene/rGO泡沫基压力传感器具有优越的压阻特性，包括高的灵敏度

（3.75kPa−1），宽的工作压力范围（0-28kPa），超低的检测极限（约1.5Pa），快速的响应/恢

复时间（20/40ms），强的稳定性（超过2000个工作周期）。同时，柔性压力传感器具有精确

检测人体的细微活动（脉搏、发声、呼吸等）和大关节（膝盖、手指、肘部、手腕等）形变运

动的优越功能。此外，还成功地制作了一个4×4像素的矩阵MXene/rGO泡沫基压力传感器

阵列（可以实现静态和动态响应），用于不同触摸模式下的多点识别。

本文开发的柔性MXene/rGO非对称式压力传感器、柔性MXene/rGO泡沫基压力传感器

在可穿戴电子产品、健康监测、人机交互、电子皮肤等领域具有潜在的应用前景。同时，本

文开发的MXene/rGO复合电极，为低成本、可持续、大规模生产石墨烯复合材料用于其他微

纳器件提供了一个新的途径。

关键词:还原氧化石墨烯，MXene，复合电极，激光直写，闪光瞬时辐射，压力传感器

Abstract

Flexiblepressuresensorshavereceivedconsiderableattentionduetotheirpotentialapplications

inwearabledevices,healthmonitoring,human-computerinteractionandotherfields.Amongthem,

piezoresistivepressuresensorsareanimportantbranchof