0 引 言
随着物联网、 人工智能技术以及仿生机器人等前沿科技领域的快速发展， 可穿戴柔性传感器展现出广阔的应用前景
［1］。其中， 柔性压力传感器因其独特的感知机制备受关注， 可将外部实时压力、 物体形变等机械刺激转化为电信号进行稳定输出
［2］。柔性压力传感器通过不同的响应机制可分为压阻式、 电容式、 摩擦电式以及压电式等
［3-6］。其中， 柔性压阻式压力传感器因其独特的工作原理和优异的传感性能， 在众多领域均展现出显著的优势
［7］。
近年来， 二维材料的新发现为柔性传感器领域注入了新的活力
［8］。其中， MXene凭借其独特的金属导电性和可调的层间结构， 使其成为优异的敏感层材料之一
［9］。在外力作用下， MXene的层间电子通道可通过结构形变实现动态响应。然而， MXene纳米片的自堆叠效应和氢键导致层间间距受限， 使得电子通道变化幅度不足， 很大程度上影响了MXene基压敏层传感性能的进一步提升
［10］。PEDOT： PSS（聚3，4-乙烯二氧噻吩： 聚苯乙烯磺酸盐）作为一种高性能导电高分子材料， 具有高导电性、 优异的柔韧性和机械稳定性
［11］。MXene与PEDOT： PSS的复合是一种高效的性能优化策略， 通过界面机械联锁效应， 可显著提高复合材料的整体电导率与机械强度。
压阻式压力传感器的压敏层影响着传感器的性能指标， 研发兼具高灵敏度和宽检测范围的压敏层至关重要。目前， 研究人员已开发出众多压敏层微观结构， 如圆锥结构、 球结构、 褶皱结构。然而， 多孔结构的制备却比较单一。汪海船等
［12］使用冷冻干燥和模板辅助的方法制备了性能优异的多孔结构压敏层。多孔结构压敏层因其独特的孔隙拓扑和丰富的导电通路， 赋予了传感器优异的传感特性， 解决了传统薄膜材料检测范围低和灵敏度不足的问题
［13］。然而， 多孔结构压敏层的制备普遍繁琐且耗时， 难以满足日常所需
［14］； 其次， MXene二维纳米片的自堆叠结构和较弱的机械强度导致纯MXene薄膜难以形成大范围电阻变化， 严重影响压力传感器的传感性能。
本文提出了 一种通过离子插层和化学反应相结合的方法来构建层间可调谐MXene/PEDOT： PSS多孔复合网络结构压敏层。通过PEDOT： PSS与MXene的结合， 增加了压敏层复合材料的机械强度与电导率。此外， 通过K+插层在MXene纳米片上， 可以进一步扩大层间间距， 从而减少MXene纳米片之间的氢键和范德华力， 从根本上维护了孔隙结构的完整性。
1 敏感材料制备与表征
1.1 敏感材料制备
高纯度Ti3AlC2粉末（400 mesh）， 购自莱州凯烯陶瓷材料有限公司。水性聚氨酯分散体， 化学试剂LiF和HCI均购自Sigma-Aldrich。PEDOT： PSS水分散液， Clevios PH1000， 固含量1.3%， 购自Heraeus GmbH。氢氧化钾（KOH）， 分析纯， 购自Sigma-Aldrich。所有实验用水均为去离子水。
1.1.1 MXene制备
首先， 准确称取1 g LiF， 将20 mL HCl（6 mol/L）缓慢倒入装有LiF的容器内， 混合并充分搅拌20 min以制得HF和LiCl溶液； 其次， 将1 g Ti
3AlC
2粉末缓慢且均匀地加入HF溶液中； 然后， 在40 ℃的恒温环境下持续磁力搅拌48 h， 待反应结束后， 进一步使用去离子水反复洗涤最终反应后的混合物， 直至上清液pH值达到6； 随后， 将洗净沉淀物分散在去离子水中， 在Ar气流下的冰浴中超声处理2 h； 最后， 将上述溶液转移至离心管中， 在3 500 r/min转速下离心30 min， 收集上清液， 得到最终的MXene纳米片分散液
［15］。如
图 1 所示， 该MXene纳米片分散液具有良好的丁达尔效应。
1.1.2 复合压敏材料的制备
1） 将制备好的MXene纳米片分散液和PEDOT： PSS溶液均加入适量去离子水， 使其稀释至1 mg/mL， 然后取5 mL MXene分散液和1 mL PEDOT： PSS溶液混合， 超声分散30 min。最后， 加入0.5 g KOH粉末使其充分溶解， 超声处理20 min， 最终得到KOH-MXene/PEDOT： PSS混合水溶液。
2） 将制备好的KOH-MXene/PEDOT： PSS混合水溶液缓慢倒入真空抽滤装置中， 抽滤KOH-MXene/PEDOT： PSS混合溶液并在真空环境下干燥（40 ℃）。待缓慢干燥后， 将其迅速转移至HCl溶液中， 使MXene纳米片层之间残留的KOH与HCl进行充分化学反应。在反应过程中， 所产生的能量将致密的层状结构变为表面突起的多孔结构。复合压敏材料实物图如
图 2（a） 所示。如
图 2（b） 所示， 将多孔结构压敏层放置于生物显微镜下放大， 可见反应后形成表面突起的多孔结构。此外， 生成的KCl会进一步附着在MXene纳米片中， 削弱MXene纳米片之间的范德华力和氢键并撑开层间间距。将制备的MXene/PEDOT： PSS复合压敏材料从HCl溶液中缓慢取出， 并在室温环境下充分干燥。待干燥完成后， 具有K
+插层的多孔结构MXene/PEDOT： PSS就被成功制备。
1.2 敏感材料表征
为深入探究 MXene/PEDOT： PSS 复合压敏材料中多孔结构的形成机制， 采用扫描电子显微镜对MXene/PEDOT： PSS复合压敏材料的横截面进行观测， 如
图 3 所示。
从
图 3（a） 中可以清晰看出MXene/PEDOT： PSS致密薄膜的层状堆叠结构， 从而证明MXene纳米片的微观形态。随后， MXene/PEDOT： PSS致密薄膜经过强烈的化学反应后， 其有序的层状堆叠结构形成大规模的多孔复合结构。如
图 3（c） 所示， 与反应前的致密薄膜相比， 反应后的 MXene/PEDOT： PSS 薄膜展现出明显且尺寸各异的孔隙结构。
进一步对相应截面的孔隙率进行精确测定， 结果如
图 3（b） 和 （d） 所示， 致密薄膜的孔隙率仅为2.82 %， 而多孔薄膜的孔隙率大幅提升至13.79 %， 可以看出反应前后孔隙率的显著变化。
2 传感器制备与测试
2.1 压力传感器制备
首先， 采用磁控溅射技术在经过表面预处理的柔性PI薄膜基底上溅射一层50 nm镍； 然后， 溅射1 μm的铜功能层， 从而制备出柔性叉指电极。随后， 将预先制备的多孔网络结构压敏层薄膜（
图 4（a））切割成尺寸为0.75 cm×1 cm， 厚度为6 μm的矩形试样， 确保其能完整覆盖叉指电极； 最后， 采用热压封装工艺， 利用聚酰亚胺薄膜对传感器进行全封闭封装， 确保器件的机械稳定性和环境适应性， 如
图 4（b） 所示。
2.2 压力传感器工作原理
压力传感器的工作原理如
图 5 所示： 在初始状态下， 三维多孔网络结构的压敏层呈现高度发达的孔隙结构， 相邻MXene纳米层间保持较大层间距。当外界压力作用时， 多孔网络结构发生弹性形变， 孔隙率显著降低且层间距进一步压缩， 促使MXene纳米层间形成更多导电通路， 从而使载流子在MXene纳米层间高效迁移， 最终导致传感器电阻值呈现数量级的显著下降。
2.3 传感器的性能测试
传感器标定与测试平台可以明确传感器的性能指标
［16］， 本文测试平台主要包括压力试验机、 高精度数字万用表、 电源以及上位机
［17］。性能测试具体步骤如下： 首先， 使用医用胶带对柔性压力传感器进行固定， 电源提供1 V的电压对测试平台进行供电， 产生的电信号变化通过上位机软件进行实时监测并记录
［18］。
灵敏度与检测范围作为柔性传感器的核心性能指标， 在压阻式传感体系中， 压敏层微观结构对灵敏度的调控起着决定性作用
［19］。相较于传统的层状致密结构（
S3=1.213 kPa
-1（0.01~26.880 kPa），
S4=0.236 kPa
-1（26.880~93.593 kPa））， 多孔压敏层凭借其独特的三维网络孔隙结构， 在相同压力作用下可产生更为显著的电阻响应变化。为系统揭示柔性压力传感器的灵敏度响应规律， 搭建了高精度压力测试平台。将传感器置于压力试验机正下方， 采用阶梯式加载方式开展全量程灵敏度测试。实验结果表明： 当施加的压力缓慢增加到12.240 kPa时灵敏度抵达了阈值， 然后， 在12.240~93.593 kPa之间略有增加。如
图 6 所示， 灵敏度曲线表现出两段较为平整的线性曲线， 相应的灵敏度值分别为12.808 kPa
-1和0.397 kPa
-1， 压力检测范围为93.593 kPa。该研究结果为多孔结构传感器的量程扩展与灵敏度优化提供了重要的实验依据。
为验证该柔性压力传感器在实时监测领域的适用性， 本文采用动态压力加载系统对多孔结构柔性压力传感器的响应特性开展系统性测试
［19］。测试结果如
图 7 所示， 响应时间为64 ms， 恢复时间为83 ms。这种快速响应特性归因于多孔压敏层的弹性机制： 当压力卸载时， 三维孔隙结构能够迅速恢复形变， 有效减少迟滞效应。其良好的响应时间特性赋予了传感器实时感知的强大功能。
为系统验证多孔结构柔性压力传感器的长期可靠性与循环稳定性， 本文采用单轴伺服电动缸作为动力装置， 搭建了高精度循环加载实验平台
［20］。结果表明： 传感器展现出良好的可重复性， 可经受4 000 次循环加载和卸载实验。在单轴电机的冲击作用下， 各时间段的电流信号变化无明显差异， 如
图 8 所示。这表明该传感器的性能稳定， 未出现因循环次数增加而导致的性能波动。这些实验结果充分证明， 该柔性压力传感器能够在人体长期可靠地运行， 为后续实际应用提供了坚实的数据支撑与性能保障。
2.4 传感器应用测试
为深入探究该压力传感器在可穿戴电子设备中的广阔应用前景， 本文实施了一系列肢体运动检测实验
［21］。如
图 9（a） 所示， 当手指轻轻触动压力传感器时， 其内部独特的多孔结构孔隙会相应减小。这一微观结构的改变会进一步引发压力传感器电阻值的变化， 从而实现对外部微弱压力的有效感知与信号转换。此外， 将压力传感器贴附在人体关节处， 相应部位的动态变化均能被精准捕捉与记录， 如
图 9（b）~（d） 所示。这些详实的数据与直观的图示充分显示了该压力传感器在可穿戴设备应用场景中所具备的卓越性能与潜力。
为进一步全面且精准地评估该传感器在检测微弱压力时的性能表现， 本文开展了一项针对性实验。在语音康复工程领域， 针对语音障碍群体的精准语音识别始终是极具挑战性的研究课题。本文创新性地提出一种基于喉部微应变监测的语音识别方法， 利用压阻式传感器对声带振动的高灵敏度响应特性， 实现对不同语音信号的非侵入式检测。
当声带振动时， 这一细微的颤动会使压力传感器的电阻发生微小变化。
如
图 10 所示， 该传感器能够迅速且准确地检测到不同单词（Application、 Hello、 Pressure、 Sensor）的高低音变化， 并且表现出显著的重复性。这一实验成果表明， 该压力传感器具备语音检测和识别能力， 凸显了其在可穿戴设备应用场景中， 针对语音监测方面的巨大优势与潜力。本研究为语音障碍的早期诊断与个性化康复训练提供了全新的技术路径。未来可通过优化传感器阵列布局、 融合深度学习算法， 进一步提升复杂语音场景下的识别精度。
3 结 论
本文通过离子插层和薄膜内强烈化学反应的方法， 扩大了MXene纳米片的层间间距， 使得致密的MXene/PEDOT： PSS薄膜有序展开为多孔网络结构薄膜， 从而制备了一种新型多孔结构压敏层。实验结果表明， 该多孔结构柔性压力传感器展现出极其优异的灵敏度性能， S1=12.808 kPa-1（0.01~12.240 kPa）， S2=0.397 kPa-1（12.240~93.593 kPa）， 良好的响应时间（64 ms）/恢复时间（83 ms）以及重复性（4 000 次）。此外， 该柔性压力传感器可以准确检测并识别不同单词引起的声部运动以及肢体运动。因此， 具有多孔结构的MXene/PEDOT： PSS柔性压力传感器在语音识别、 运动监测等健康管理领域的实际应用提供了重要技术支撑。
国家科技重大专项资助项目(J2022-V-0005-0031)
国家自然科学基金资助项目(52105594)
山西省重点研发计划资助项目(20210302124274)
京公网安备11010202008535号
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