Με την αυξανόμενη δημοτικότητα των έξυπνων φορητών συσκευών, απαιτούνται επειγόντως ευέλικτοι αισθητήρες πίεσης υψηλής απόδοσης σε διάφορα πολύπλοκα σενάρια εφαρμογών. Οι υπάρχοντες εύκαμπτοι αισθητήρες πίεσης αντιμετωπίζουν μια τεράστια πρόκληση, δηλαδή, πρέπει να διατηρούν υψηλή ευαισθησία σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών, το οποίο είναι κρίσιμο για τις εφαρμογές τους σε σκληρά περιβάλλοντα.
Με βάση τις παραπάνω προκλήσεις, ο ακαδημαϊκός Nan Zewen του Πανεπιστημίου Tsinghua, ο ερευνητής Zhang Xin του Τεχνολογικού Πανεπιστημίου της Wuhan και άλλοι συνεργάστηκαν για να αναφέρουν έναν υψηλής απόδοσης ευέλικτο πιεζοαντιστατικό αισθητήρα που βασίζεται σε τρισδιάστατο δίκτυο MXene/PEI, ο οποίος μπορεί να εφαρμοστεί σε ευρεία θερμοκρασία εύρος (από θερμοκρασία υγρού αζώτου έως 150 ° C). Τα σχετικά ερευνητικά αποτελέσματα δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Advanced Science με τίτλο «3D MXene-Based Flexible Network for High-Performance Pressure Sensor with a Wide Temperature Range».
Το PEI είναι ένα άμορφο θερμοπλαστικό πολυμερές με αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες, εξαιρετική αντοχή σε εφελκυσμό και εξαιρετική σταθερότητα διαστάσεων. Έχει δείξει μεγάλες δυνατότητες εφαρμογής στον αεροδιαστημικό τομέα. Επιπλέον, οι δεσμοί αιθέρα που περιέχουν PEI δείχνουν μεγάλη ευελιξία και δυνατότητα επεξεργασίας και μπορούν να κατασκευάσουν διαφορετικές μικρο- και μακροδομές μέσω διαφόρων φυσικών διεργασιών. Από την άλλη πλευρά, το αναδυόμενο νανο-φύλλο MXenes έχει μεταλλική αγωγιμότητα, εξαιρετική μηχανική αντοχή και καλή υδροφιλία και μπορεί να αντέξει ορισμένες χαμηλές θερμοκρασίες (κάτω από - 200 ℃) και υψηλή θερμοκρασία (πάνω από 400 ℃). Είναι κατάλληλο για την κατασκευή φορητού αισθητήρα πίεσης με χρήση δικτύου ινών PEI υπό αντίξοες συνθήκες.
Μέσω της διαδικασίας ηλεκτροϊνοποίησης στρώμα προς στρώμα του PEI, ένα τρισδιάστατο δίκτυο MXene/PEI προετοιμάστηκε για τη βελτίωση της απόδοσης ανίχνευσης σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών. Παρασκευάστηκε διασυνδεδεμένο δίκτυο 3D ινών MXene/PEI παρόμοιο με τον ιστό αράχνης και επιστρώθηκαν νανονιφάδες MXene στην επιφάνεια κάθε νανοσύρματος PEI. Αυτό το τρισδιάστατο δίκτυο MXene/PEI επωφελείται από τη μεγάλη παραμόρφωση υπό την επίδραση εξωτερικών δυνάμεων και βελτιώνει την αισθητική απόδοση των πιεζοαντιστικών αισθητήρων σε υψηλές θερμοκρασίες. Επιπλέον, ένα εξαιρετικά λεπτό στρώμα PEI συναρμολογείται μεταξύ του δικτύου MXene/PEI και του εύκαμπτου ηλεκτροδίου ως διαχωριστικό στρώμα, το οποίο μπορεί να ενισχύσει περαιτέρω την αγώγιμη διαδρομή υπό εξωτερική παραμόρφωση. Ο εύκαμπτος πιεζοαντιστατικός αισθητήρας έχει εξαιρετική ευαισθησία, σύντομο χρόνο απόκρισης/ανάκτησης, χαμηλό όριο ανίχνευσης και καλή αντοχή σε υψηλή θερμοκρασία σε μεγάλο εύρος θερμοκρασιών (από υγρό άζωτο έως 150 ° C) και έχει πιθανή αξία εφαρμογής σε ανθρώπινες δραστηριότητες, παρακολούθηση της υγείας, συστοιχία κατανομής πίεσης και αλληλεπίδραση ανθρώπου-υπολογιστή.
Σχήμα 1 α) Σχηματικό διάγραμμα διαδικασίας προετοιμασίας πιεζοαντιστατικού αισθητήρα MPP. β) SEM εικόνα και κατανομή μεγέθους των νανονιφάδων Ti3C2TX MXene. γ) Εικόνα AFM του νανοτσιπ MXene. Η κατανομή ύψους δείχνει ότι το πάχος του νανο φύλλου είναι ≈ 1,74 nm. δ) Εικόνα TEM νανο-φέτας MXene. Το αντίστοιχο μοτίβο περίθλασης ηλεκτρονίων επιλεγμένης περιοχής φαίνεται στην εικόνα. ε) Διαγράμματα XRD νανοφύλλων Ti3AlC2 MAX και Ti3C2TX MXene. στ) Εικόνες SEM δικτύου ινών MXene/PEI ζ) Φάσματα υπερύθρων μετασχηματισμού Fourier (FTIR) δικτύου ινών PEI, δικτύου ινών Ti3C2TX MXene και MXene/PEI. η) τρισδιάστατο διάγραμμα δομής δικτύου ινών MXene/PEI.
Σε αυτή την εργασία, οι ερευνητές ετοίμασαν έναν πιεζοαντιστατικό αισθητήρα υψηλής ευαισθησίας που βασίζεται σε τρισδιάστατο δίκτυο MXene/πολυαιθεριμιδίου. Ο αισθητήρας έχει εξαιρετικά υψηλή ευαισθησία σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών (80 kPa − 1 στους − 5 ℃, 156 kPa − 1 σε θερμοκρασία δωματίου και 20 kPa − 1 στους 150 ℃), ένα χαμηλό όριο ανίχνευσης 9 Pa, ένα γρήγορο χρόνος απόκρισης 163 ms και μακροχρόνια αντοχή. Έχει περισσότερους από 10000 κύκλους σε θερμοκρασία δωματίου, 2000 κύκλους στους 100 ° C και 500 κύκλους στους - 5 ° C
Εικόνα 2 Ο μηχανισμός ανίχνευσης του πιεζοαντιστικού αισθητήρα MPP. α) Μοντέλο ανίχνευσης πίεσης αισθητήρα MPP. Β-στ) In situ SEM εικόνες δικτύου ινών MXene/PEI υπό διαφορετικές συνθήκες συμπίεσης.
Ο αισθητήρας πίεσης μπορεί να παρακολουθεί διαφορετικές ανθρώπινες δραστηριότητες σε πραγματικό χρόνο, να ανιχνεύει την κατανομή της πίεσης και να χρησιμοποιείται για την αλληλεπίδραση ανθρώπου-υπολογιστή. Μπορεί επίσης να αντιδράσει με ευαισθησία σε εξωτερικά μηχανικά ερεθίσματα σε υψηλή θερμοκρασία (150 ° C) και χαμηλή θερμοκρασία (υγρό άζωτο). Επιπλέον, το δίκτυο ινών έχει καλή ικανότητα θέρμανσης Joule, η οποία μπορεί να φτάσει τους 78 ° C σε τάση 12 V. Ως εκ τούτου, το ευέλικτο δίκτυο οπτικών ινών MXene/PEI έχει ευρείες προοπτικές εφαρμογής στον τομέα των ευέλικτων φορητών ηλεκτρονικών συσκευών και των ατομικών συστημάτων θέρμανσης υπό σκληρές συνθήκες.
Σχήμα 3 Απόδοση ανίχνευσης πιεζοαντιστατικού αισθητήρα MPP. α) Τρέχουσα απόκριση Δ Η σχέση μεταξύ I/Io και χρόνου. β) Για αισθητήρες MXene/PEI με διαφορετικές συγκεντρώσεις MXene, η σχετική μεταβολή του ρεύματος με την αλλαγή του φορτίου πίεσης（ Δ I/Io). γ) Ο χρόνος απόκρισης (163 ms) και ο χρόνος ανάκτησης (123 ms) του αισθητήρα MPP σε ταχύτητα συμπίεσης 200 mm s − 1. δ) Η δοκιμή αντοχής του αισθητήρα κάτω από 10 000 συνεχείς κύκλους φόρτωσης-εκφόρτωσης. ε) Δυναμική ρεολογική συμπεριφορά του δικτύου ινών MXene/PEI στους -120 έως 200 ° C. στ) Καμπύλη τάσης-παραμόρφωσης δικτύου ινών MXene/PEI και ζ) ευαισθησία του αισθητήρα MPP υπό διαφορετικές συνθήκες θερμοκρασίας από θερμοκρασία δωματίου έως 150 °C. η) Ο αισθητήρας MPP έχει απόδοση κυκλικής πιεζοαντιστικής αίσθησης 2000 κύκλων στους 100 ° C. i) Σύγκριση ευαισθησίας και εύρους ανίχνευσης διαφορετικών πιεζοαντιστικών αισθητήρων.
Εφαρμογή αισθητήρα MPP
Ο πιεζοηλεκτρικός αισθητήρας MXene/PEI έχει τα πλεονεκτήματα της υψηλής ευαισθησίας και της γρήγορης απόκρισης και είναι κατάλληλος για παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο της ανεπαίσθητης πίεσης και των διαφορετικών ανθρώπινων δραστηριοτήτων. Το όριο ανίχνευσης του πιεζοαντιστικού αισθητήρα είναι ένας από τους πιο κρίσιμους δείκτες απόδοσης. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 4α, ο αισθητήρας μπορεί να ανιχνεύσει τη μικρή πίεση σόγιας (9 Pa) και 1 γραμμάριο (44 Pa). Επιπλέον, εύκαμπτοι αισθητήρες μπορούν να προσαρτηθούν σύμφωνα με τους ανθρώπινους μύες. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 4β, μπορεί να καταγραφεί η ελάχιστη μυϊκή κίνηση της διόγκωσης του μάγουλου. Στο Σχήμα 4γ, ο αισθητήρας στερεώνεται απευθείας στο δέρμα του καρπού ενός ενήλικα αρσενικού για να παρακολουθεί τον παλμό σε πραγματικό χρόνο και μπορεί να διακρίνει καθαρά την κυματομορφή, η οποία έχει μεγάλες προοπτικές εφαρμογής στη βιοϊατρική παρακολούθηση και κλινική διάγνωση σε πραγματικό χρόνο.
Λόγω της ευελιξίας του, ο πιεζοηλεκτρικός αισθητήρας MPP μπορεί επίσης να στερεωθεί σφιχτά σε ανθρώπινες αρθρώσεις. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 4δ, ο αισθητήρας μπορεί να ανιχνεύσει την κίνηση κάμψης και ευθυγράμμισης του δείκτη σε πραγματικό χρόνο. Ο αισθητήρας δείχνει επίσης υψηλή ευαισθησία στην παρακολούθηση του κύκλου κάμψης και έκτασης των ανθρώπινων αρθρώσεων, όπως οι καρποί, οι αγκώνες, οι αστραγάλοι και τα γόνατα. Στο Σχήμα 4στ, ο αισθητήρας δείχνει επίσης μια γρήγορη απόκριση στο χτύπημα των δακτύλων υψηλής συχνότητας. Στην εξαιρετικά χαμηλή θερμοκρασία κοντά στη θερμοκρασία υγρού αζώτου, το τρέχον σήμα ανταποκρίνεται καλά στην αλλαγή του βάρους του κυπέλλου. Το ευρύ φάσμα θερμοκρασιών λειτουργίας δείχνει τη δυνατότητα εφαρμογής του αισθητήρα στον αεροδιαστημικό τομέα.
Εικόνα 4 Εφαρμογή πιεζοαντιστικού αισθητήρα MPP. α) Καμπύλη απόκρισης πίεσης μικρών αντικειμένων που παρέχεται από σόγια (9 Pa) και βάρος 1 g (44 Pa), β) διόγκωση μάγουλου, γ) παλμός καρπού (η μεγεθυσμένη εικόνα είναι ένα μόνο σήμα παλμού που περιέχει τη χαρακτηριστική κορυφή που ονομάζεται P - κύμα, κύμα Τ και κύμα D), δ) κάμψη των δακτύλων, ε) αιώρηση του αγκώνα, στ) χτύπημα με το δάχτυλο και ζ) διατήρηση του κυπέλλου νερού σε διαφορετικές θερμοκρασίες από RT έως 80 ° C. η) Η απόδοση αίσθησης του πιεζοαντιστικού αισθητήρα MPP σε εξαιρετικά χαμηλή θερμοκρασία (υγρό άζωτο).
Το Διαδίκτυο των Πραγμάτων (LoT) είναι ο πυρήνας της εποχής της πληροφορίας και αποτελείται από μια ποικιλία αισθητήρων. Προκειμένου να μελετηθεί περαιτέρω η εφαρμογή του στο πεδίο LoT, ο πιεζοαντιληπτικός αισθητήρας MPP συνδέεται στο σύστημα Bluetooth. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 5α, το σύστημα μπορεί να μετατρέψει το αντιληπτό σήμα πίεσης σε σήμα ραδιοηλεκτρομαγνητικού κύματος. Στη συνέχεια, η αλλαγή του ρεύματος μπορεί να παρακολουθηθεί και να καταγραφεί στο κινητό τηλέφωνο. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 5β, η διάταξη αισθητήρων μπορεί να ποσοτικοποιήσει την κατανομή πίεσης παρακολουθώντας την ένταση ρεύματος κάθε σημείου pixel για να προσδιορίσει τη συγκεκριμένη θέση των σκακιστών. Επιπλέον, ο εξαιρετικά ευέλικτος αισθητήρας είναι εγκατεστημένος στο πόδι του ρομπότ, όπως φαίνεται στο Σχήμα 5γ. Όταν το ρομπότ κουνάει το χέρι του για να περπατήσει, ο αισθητήρας παράγει ένα σήμα απόκρισης.
Εικόνα 5 α) Ο πιεζοηλεκτρικός αισθητήρας MPP είναι συνδεδεμένος σε ένα κύκλωμα που περιέχει μια μονάδα Bluetooth, η οποία μεταδίδει ασύρματα το σήμα του χτυπήματος του δακτύλου στο κινητό τηλέφωνο. β) Τοποθετήστε τα πιόνια σκακιού σε διάταξη εικονοστοιχείων πιεζοαντιστατικού αισθητήρα 4 × 4 MPP για να ανιχνεύσετε την αντίστοιχη κατανομή πίεσης. γ) Ο πιεζοηλεκτρικός αισθητήρας MPP παρακολουθεί την κίνηση του ρομπότ σε πραγματικό χρόνο. δ) Όταν εφαρμόζεται διαφορετική πίεση στον πιεζοαντιστατικό αισθητήρα MPP, η απόκριση φωτεινότητας του LED αλλάζει. ε) Σχηματικό διάγραμμα δικτύου ινών MXene/PEI προσαρτημένο στην επιφάνεια του δέρματος για θέρμανση joule. στ) Κατανομή θερμοκρασίας δικτύου ινών MXene/PEI με συγκέντρωση 0,8 mg mL − 1 υπό διαφορετικές τάσεις λειτουργίας. ζ) Υπέρυθρη θερμική εικόνα δικτύου ινών MXene/PEI με συγκέντρωση 0,8 mg mL − 1 όταν η τάση αυξάνεται σταδιακά από 0 σε 12 V.
