具有宽压力范围和近线性响应的柔性MXene/MoS?/LIG压力传感器

《IEEE Sensors Letters》：Flexible MXene/MoS2/LIG Pressure Sensor With Extended Pressure Range and Near-Linear Response

　　

摘要：

能够在宽广的压力范围内保持稳定电响应的柔性压力传感器在实际应用中仍具有挑战性。本工作采用飞秒激光诱导碳化策略，开发了一种基于MXene/MoS₂/激光诱导石墨烯（LIG）的柔性压力传感器。该传感器具有从20到1700 kPa的宽广压力感知范围，达到了兆帕级水平，并展现出近似线性的响应（R² = 0.97），最大灵敏度为0.42 kPa^?1。该器件还实现了快速响应（20.5 ms）和恢复（30.32 ms），具有稳定的动态输出和超过1800次循环的可靠循环性能。此外，该传感器能够在人体运动监测和简单编码方案等应用中产生可区分的电信号。这些结果表明，所提出的策略为开发适用于中高压感知场景的柔性压力传感器提供了一种有效的方法。

I. 引言

能够在宽广的压力范围内，特别是中高压条件下，保持稳定电响应的柔性压力传感器在实际应用中仍面临挑战 [1], [2], [3]。尽管目前报道的许多柔性压力传感器主要用于可穿戴应用和低压感知（通常低于100 kPa），但新兴应用，如机器人触觉感知 [4]、物体操控 [5] 和界面力监测 [6]，对传感器提出了更宽感知范围和在较大接触力下可靠性能的要求。在这些场景中，传感器需要在更宽的压力范围内提供一致的电信号输出，此时结构变形和导电通路的演变变得更加复杂。为应对这些挑战，已探索了多种材料体系用于柔性压力传感器。MXene [7] 和MoS₂ [8] 等二维材料展现出吸引人的特性，包括高电导率 [9]、可调层间相互作用 [10] 和机械柔韧性 [11]，使其适合构建响应性导电网络。然而，单一材料体系往往不足以同时实现稳定的电响应和宽广压力范围内的稳定性能。此外，激光诱导石墨烯（LIG）凭借其多孔结构、大比表面积、优异的电导率以及互联的导电框架，因便于高效的应力传递和宽广压力范围内的稳定电响应，成为一种有前景的平台 [12], [13]。与常规激光加工相比，飞秒激光加工由于其超快能量沉积和减小的热效应，具有更高的精度和更好的微结构形成控制能力，因此更适合构建在扩展压力条件下具有稳定响应的导电网络。