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  近年來，柔性壓力傳感器在電子皮膚、人機(jī)界面、生物醫(yī)學(xué)監(jiān)測、醫(yī)療器械和智能機(jī)器人等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，大多數(shù)柔性壓力傳感器無法同時(shí)獲得高靈敏度與寬的壓力檢測范圍。同時(shí)，常用傳感器中的關(guān)鍵部件大多是不可生物降解的，這也造成了環(huán)境污染問題。所以研制兼具高靈敏度和寬檢測范圍的低成本綠色環(huán)保型柔性壓力傳感器仍是一大挑戰(zhàn)。

  河北工業(yè)大學(xué)楊麗副研究員課題組與美國賓州州立大學(xué)程寰宇教授課題組在《ACS Applied Materials Interfaces》上發(fā)表了題為“Wearable Pressure Sensors Based on MXene/Tissue Papers for Wireless Human Health Monitoring”的論文，該研究受到國家自然科學(xué)基金的支持。紙是一種具有天然纖維多孔特性、柔性環(huán)保和可再生的材料，因此該論文基于日常的打印紙作為傳感器柔性襯底，將面巾紙浸泡在MXene溶液中構(gòu)筑多孔超靈敏傳感層，制備了三明治結(jié)構(gòu)的柔性壓阻式紙基壓力傳感器（MTP pressure sensor），該傳感器兼具超高靈敏度、寬檢測范圍、綠色環(huán)保、可回收與低成本特性，同時(shí)與信號處理、無線傳輸模塊集成制備了無線呼氣智能檢測口罩，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測由于阿片類藥物過量、肺纖維化及其他心肺疾病導(dǎo)致的呼吸異常，實(shí)現(xiàn)呼吸疾病的早期預(yù)警。

  傳感器的性能：利用MXene良好的導(dǎo)電性和紙巾的天然多孔結(jié)構(gòu)特性，傳感器可達(dá)到509.5 kPa^-1的超高靈敏度，檢測范圍為0-100 kPa、檢測限低至1 Pa、高壓力下（225kPa）對于微小壓力（0.92 kPa）的精確檢測以及快速響應(yīng)與出色的循環(huán)特性，如圖1所示。

圖1. MTP傳感器的性能. (a) MTP傳感器在不同壓力下的I-V曲線；(b) MTP傳感器的靈敏度曲線；(c) MTP傳感器與現(xiàn)有文獻(xiàn)中傳感器的靈敏度與檢測范圍對比；(d) MTP傳感器在0.5 - 100 kPa循環(huán)加載/卸載下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線；(e) MTP傳感器在0.05 - 0.2Hz頻率循環(huán)加載/卸載4 kPa壓力的相對電流響應(yīng)曲線；(f) MTP傳感器對1 Pa微小壓力的相對電流響應(yīng)曲線；(g) 在MTP傳感器上預(yù)先放置一個(gè)磚塊（≈2.25 Kg）并分別在磚塊上放置不同數(shù)量的螺母（≈9.2 g）實(shí)物示意；(h) MTP傳感器在高壓（225 kPa）下檢測微小壓力增量（0.92、1.84、2.76kPa）的相對電流變化；(i) MTP傳感器在0-100 kPa范圍高達(dá)10,000次循環(huán)響應(yīng)。

  傳感器的應(yīng)用：該傳感器作為可穿戴設(shè)備可用于人體生理信息（呼吸、脈搏和血壓等）與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（識別站立、走路和跳躍等）的精確實(shí)時(shí)識別（圖2）；將多個(gè)傳感器組成傳感器陣列可用于空間壓力分布的實(shí)時(shí)檢測（圖3）；通過將MTP傳感器、信號處理和無線通信模塊集成在口罩上，構(gòu)建了無線呼吸智能檢測系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測正常呼吸、深呼吸和呼吸暫停等不同狀態(tài)的呼吸信號（圖4）。

圖2. MTP傳感器在人體生理信息監(jiān)測以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)識別中的應(yīng)用. (a) MTP傳感器生理信息監(jiān)測應(yīng)用示意圖；(b) MTP傳感器檢測帕金森靜態(tài)震顫（5 Hz）；(c) 檢測5Hz模擬震顫局部放大圖；(d) MTP傳感器放在鞋墊上識別站立、行走和跳躍三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；(e) MTP傳感器貼在頸部監(jiān)測發(fā)聲時(shí)喉部的肌肉運(yùn)動(dòng)；(f) MTP傳感器監(jiān)測運(yùn)動(dòng)前后的脈搏信號；(g - i) MTP傳感器用于監(jiān)測實(shí)時(shí)血壓信號；(j) MTP傳感器測量血壓值與商用血壓計(jì)檢測值對比。

圖3. 可用于空間壓力分布檢測的MTP傳感器陣列. (a) MTP傳感器陣列實(shí)物圖；(b) 兩個(gè)砝碼（5g和10g）放在傳感器陣列不同的位置；(c ) 傳感器陣列檢測砝碼位置空間壓力分布柱狀圖；(d) 傳感器陣列檢測3D打印數(shù)字（ “1”，“9”，“0”和“4”）壓力分布；(e) 3D打印數(shù)字壓力分布強(qiáng)度圖；(f) 3D打印數(shù)字空間壓力分布柱狀圖。

圖4. 構(gòu)建的無線呼吸智能檢測系統(tǒng). (a) 受試者佩戴呼吸監(jiān)測口罩及各部分模塊圖片；(b - c)無線呼吸監(jiān)測系統(tǒng)工作流程示意圖；(d) 無線監(jiān)測運(yùn)動(dòng)前后的呼吸信號；(e) MTP傳感器檢測呼吸原理示意圖；(f ) 實(shí)時(shí)監(jiān)測深呼吸狀態(tài)。

  傳感器的回收利用：利用稱量紙作為封裝層構(gòu)建了基于MXene/Tissue的全紙基柔性壓力傳感器，由于基底層、傳感層與封裝層均為可降解紙基材料，通過燃燒、超聲和干燥等處理成功實(shí)現(xiàn)了銀叉指電極的回收利用，最大限度的利用稀有金屬材料，實(shí)現(xiàn)了電子產(chǎn)品的可持續(xù)發(fā)展，如圖5所示。

圖5. 全紙基MTP壓力傳感器中銀叉指電極回收流程. (a) 銀叉指電極回收流程示意圖；印刷在紙上的銀叉指電極(b)燃燒前和(c)燃燒后的圖像；在(d)分離和(e)用乙醇收集破碎的銀叉指電極后，(f)超聲和(g)干燥溶液得到銀粉。

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c22001