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  近年來，柔性壓力傳感器在電子皮膚、人機界面、生物醫學監測、醫療器械和智能機器人等領域得到了廣泛應用。然而，大多數柔性壓力傳感器無法同時獲得高靈敏度與寬的壓力檢測范圍。同時，常用傳感器中的關鍵部件大多是不可生物降解的，這也造成了環境污染問題。所以研制兼具高靈敏度和寬檢測范圍的低成本綠色環保型柔性壓力傳感器仍是一大挑戰。

  河北工業大學楊麗副研究員課題組與美國賓州州立大學程寰宇教授課題組在《ACS Applied Materials Interfaces》上發表了題為“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基金的支持。紙是一種具有天然纖維多孔特性、柔性環保和可再生的材料，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溶液中構筑多孔超靈敏傳感層，制備了三明治結構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、綠色環保、可回收與低成本特性，同時與信號處理、無線傳輸模塊集成制備了無線呼氣智能檢測口罩，可以實時監測由于阿片類藥物過量、肺纖維化及其他心肺疾病導致的呼吸異常，實現呼吸疾病的早期預警。

  傳感器的性能：利用MXene良好的導電性和紙巾的天然多孔結構特性，傳感器可達到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與出色的循環特性，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傳感器與現有文獻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循環加載/卸載下的動態響應曲線；(e) MTP傳感器在0.05 - 0.2Hz頻率循環加載/卸載4 kPa壓力的相對電流響應曲線；(f) MTP傳感器對1 Pa微小壓力的相對電流響應曲線；(g) 在MTP傳感器上預先放置一個磚塊（≈2.25 Kg）并分別在磚塊上放置不同數量的螺母（≈9.2 g）實物示意；(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10,000次循環響應。

  傳感器的應用：該傳感器作為可穿戴設備可用于人體生理信息（呼吸、脈搏和血壓等）與運動狀態（識別站立、走路和跳躍等）的精確實時識別（圖2）；將多個傳感器組成傳感器陣列可用于空間壓力分布的實時檢測（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，構建了無線呼吸智能檢測系統，可以實時監測正常呼吸、深呼吸和呼吸暫停等不同狀態的呼吸信號（圖4）。

圖2. MTP傳感器在人體生理信息監測以及運動狀態識別中的應用. (a) MTP傳感器生理信息監測應用示意圖；(b) MTP傳感器檢測帕金森靜態震顫（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、行走和跳躍三種運動狀態；(e) MTP傳感器貼在頸部監測發聲時喉部的肌肉運動；(f) MTP傳感器監測運動前后的脈搏信號；(g - i) MTP傳感器用于監測實時血壓信號；(j) MTP傳感器測量血壓值與商用血壓計檢測值對比。

圖3. 可用于空間壓力分布檢測的MTP傳感器陣列. (a) MTP傳感器陣列實物圖；(b) 兩個砝碼（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打印數字（ “1”，“9”，“0”和“4”）壓力分布；(e) 3D打印數字壓力分布強度圖；(f) 3D打印數字空間壓力分布柱狀圖。

圖4. 構建的無線呼吸智能檢測系統. (a) 受試者佩戴呼吸監測口罩及各部分模塊圖片；(b - c)無線呼吸監測系統工作流程示意圖；(d) 無線監測運動前后的呼吸信號；(e) MTP傳感器檢測呼吸原理示意圖；(f ) 實時監測深呼吸狀態。

  傳感器的回收利用：利用稱量紙作為封裝層構建了基于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現了銀叉指電極的回收利用，最大限度的利用稀有金屬材料，實現了電子產品的可持續發展，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