ACS Sensors：分层自组装蜂窝结构柔性压力传感器阵列

摘要：目前，柔性压力传感器的范围正在迅速发展，包括自供电传感器、水凝胶压力传感器、织物传感器等。它们已被证明具有优异的传感性能，广泛应用于人类健康监测和运动监测。在各种基材中，海绵因其高孔隙率和表面积而脱颖而出。与聚氨酯海绵相比，三聚氰胺海绵（MS）具有更精细的结构

背景介绍

目前，柔性压力传感器的范围正在迅速发展，包括自供电传感器、水凝胶压力传感器、织物传感器等。它们已被证明具有优异的传感性能，广泛应用于人类健康监测和运动监测。在各种基材中，海绵因其高孔隙率和表面积而脱颖而出。与聚氨酯海绵相比，三聚氰胺海绵（MS）具有更精细的结构、更低的密度和更密集的孔隙，是制备柔性传感器的优越材料。

柔性可穿戴压力传感器中常见的导电材料包括MXene、炭黑（CB）、碳纳米管和石墨烯。其中，CB因其稳定的导电性和可用性而被广泛使用。柔性材料，如紫外线粘合剂、水凝胶和硅弹性体（如硅橡胶（SR）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）），通常用于压阻传感器。SR具有优异的机械性能、弹性、可重复性、温度稳定性和生物相容性，使其成为可穿戴设备的理想选择。然而，它的低化学活性和与导电材料的极性差异会产生微弱的相互作用，这使得有效地整合它们变得具有挑战性。解决这个问题是该领域的一个关键挑战。

本文亮点

1. 本工作使用多巴胺改性的三聚氰胺海绵（MS）通过逐层自组装技术制备了炭黑（CB）/MX烯硅橡胶（SR）@MS柔性压力传感器（CMSM）的蜂窝结构。使用SR作为粘合剂构建蜂窝结构不仅提高了传感器的机械性能，还为CB/MXene提供了更多的附着位点，增强了导电网络的稳定性。

2. 蜂窝结构CMSM柔性压力传感器具有高灵敏度（7.44 kPa–1）、宽检测范围（0–240 kPa）、短响应/恢复时间（150 ms/180 ms）和优异的稳定性。

3. 基于6单元CMSM传感器阵列开发了一种灵活的智能鞋垫，实现了足底压力检测。通过将ResNet-50神经网络算法与不同姿势下的足底压力数据相结合，实现了16种人体运动姿势的识别，准确率为90.63%。

图文解析

图1. （a）蜂窝结构CMSM柔性压力传感器制造工艺示意图。（b）MS、（c）PDA-MS和（d）CB/MXE/MS的SEM。（e）CB/MCEne/MS的EDS。（f）在SR/石脑油溶液中浸泡后的CB/MXE/MS的SEM。（g，h）蜂窝结构CMSM海绵的SEM。（i）支撑在叶子上的导电海绵的图像。

图2. （a） CMSM海绵压力传感器的仿真电路。（b） CMSM海绵骨架在（i）原始状态、（ii）小压力状态和（iii）大压力状态下的概念模型。（c） CMSM传感器和海绵骨架等效电路在（i）原始状态、（ii）小压力状态和（iii）大压力状态下的响应趋势。

图3. （a） CMSM传感器的相对电阻变化与压力增加之间的关系。（b） CMSM传感器在不同压力下的I-V曲线。（c，d）CMSM传感器在不同压力下的响应曲线。（e） CMSM传感器随压力变化的电流曲线。（f）阶跃压力下CMSM传感器的电阻响应。（g） CMSM传感器的响应/恢复时间。（h） CMSM传感器在不同压力下的检测效果。（i）泄压后阻力变化曲线。