目前，由于物联网和未来电子皮肤等微型智能设备领域的快速发展，许多研究人员对柔性压力传感器引起了极大的研究兴趣。柔性压力传感器具有柔韧性好、重量轻、能够满足实时健康监测应用的需求。研究人员主要利用传统的压力传感机制（压阻式、电容式、压电式等）来提升压力传感器的综合性能，如灵敏度、检测范围和稳定性。然而，由于机制本身的特性，这些传感器仍有许多限制。近年来，虽然已经做出了许多努力来构建多功能柔性压力传感设备，以实现未来的可穿戴电子设备，但绿色安全、经济高效、自供电的集成压力传感系统仍然具有挑战性。
鉴于此，华中科技大学刘逆霜副教授设计和开发了一种全固态压力传感rGM（rGO/GO/PVA 纳米纤维/MXene）系统，该系统将机械刺激转化为离子传输通道的变化和将其编码为具有水合GO的两个电极之间测量的电位差，从而产生电位传导行为以及可编程的稳定电压和电流。当遇到稳定的机械压力时，自供电rGM传感器可产生0.58 V的输出开路电压和3.2 µA cm –2的短路电流密度。rGM传感器具有超宽的检测范围（0.7 Pa-1300 kPa）、高稳定性（5000次循环后保持95%的性能）、高可调性，意味着rGM传感器可以提供实时监测针对人体生理信号，无需外接电源，对医疗有广泛的影响。这项工作提出了一种基于机械电位转导（MPT）机制的新设计，该设计将显着简化制造过程，同时提高未来电子设备和智能系统的性能。相关工作以“An Ion Channel-Induced Self-Powered Flexible Pressure Sensor Based on Potentiometric Transduction Mechanism”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》上。
机械电位转导（MPT）机制设计
基于MPT的压力传感器的制备过程及机理如图1所示。作者采用MXene和rGO作为两个有源电极。选择GO作为压力传感层/固体电解质。通过真空辅助过滤将制备的MXene和GO分散体过滤成多层MXene膜和GO膜。然后在MXene膜上电纺一层聚乙烯醇（PVA）纳米纤维隔离层。最后组装了rGO/GO/PVA纳米纤维/Mxene。该方案组装的传感器重量轻，成本低、制作简单、电极通用性强，可广泛应用于大规模制作。此外，rGM压力传感器系统可以在给予外部刺激的同时输出电压信号和电流信号，保证设备的功能。
图1机械电位转导机制
GO作为固体电解质/压力传感层的特性和GO传感器的响应行为
GO薄膜显示出良好的层状结构，有利于水分子的嵌入和压力传感（图2）。在rGM中的两个电极和GO固体电解质之间形成了原电池系统。不施加压力时，GO内阻较高，离子扩散较小，系统保持稳定的低电位。当施加压力时，GO层间距减小，导致离子扩散增加。结果表明具有优异离子传输性能的水合GO (15 wt%) 不仅可以用作压力传感层，还可以用作基于MPT的压力传感器的固体电解质。通过在水合GO和氧化还原反应的两个电极之间测量的PD，外部机械压力被编码为输出电信号。rGM传感器的输出信号完全自产生，无需外接电源，因此传感器具有自供电的传感特性，这可以大大简化设备的操作和测量电路。更重要的是，这种MPT机制能够检测静态和动态机械刺激并加以区分，并且具有良好的响应性能、优异的可调性和电极选择的通用性（图3）。
图2 GO膜作为固体电解质/压力传感层的特性
图3基于GO的rGM传感器的响应行为
rGM压力传感器的传感性能和应用
作者设计了一个由四个串联/并联rGM传感器和一个无源电流表组成的完整电路（图4）。当遇到稳定的机械压力时，自供电rGM传感器可产生0.58 V的输出开路电压和3.2 µA cm–2的短路电流密度。rGM传感器具有超宽的检测范围（0.7 Pa-1300 kPa），并且在5000次循环后具有5%的超低电位消耗。将纸屑放在rGM压力传感器的表面，以获得微小的压力响应信号（图5）。该设备具有超宽的压力响应（0.7 Pa–1300 kPa）。为了验证设备的脉搏监测能力，将rGM压力传感器放置在四名成年人的手腕上，以实时检测微小的径向脉搏波。结果证明rGM传感器可作为可穿戴柔性电子设备，准确监测人体脉搏，包括脉搏间隔和每个脉搏的三个峰值。
图4 rGM压力传感器的传感性能
图5传感器的应用
小结：作者设计了一种基于MPT机制的离子通道诱导自供电柔性压力传感器rGM。该传感器具有高可调性和良好的稳定性。机理研究表明，具有优异离子传输性能的水合GO (15 wt%) 不仅可以用作压力传感层，还可以用作基于MPT的压力传感器的固体电解质。rGM传感器的输出信号完全自产生，无需外接电源，因此传感器具有自供电的传感特性，这可以大大简化设备的操作和测量电路。更重要的是，这种MPT机制能够检测静态和动态机械刺激并区分它们。传感器在检测各种机械刺激方面的几种特殊应用，包括对纸屑的极弱压力监测和对不同人体脉搏的准确监测。这项工作中提出的这种自供电传感方法通过简化制造/操作和增强功能实现了前所未有的经济效率，为创建一系列新的智能电子设备和系统开辟了巨大的机会。
全文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202108856
来源：高分子科学前沿
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