超薄电子皮肤（e-skins，也称表皮电子或电子纹身）的快速发展为可直接佩戴于皮肤的柔性可拉伸监测设备开拓了新的应用领域。这类电子皮肤设备可用于假肢及康复治疗、光遗传学、人机界面、游戏中的人机交互，以及医疗领域的诊断工具等。
电子皮肤需要具有大响应范围、高灵敏度的薄且柔韧的压力传感器。压力传感器的压敏性能通常可以通过持久性或稳定性、响应度或恢复率、检测范围及灵敏响应等几个基本特性来评价，这也为压力传感器的功能设计提供了参考依据。在这些特性之中，检测范围和灵敏响应是影响压力传感器性能的两个关键因素。
据麦姆斯咨询报道，来自吉林大学和中国科学院的研究人员开发了一种基于MXene（二维过渡金属碳（氮）化物）的新方法，来设计电子皮肤的压力传感器材料，以满足上述两个关键要求。
他们的研究成果发表在ACS Applied Materials & Interfaces期刊上，题为《MXene/ZIF-67/polyacrylonitrile（PAN）Nanofiber Film for Ultra-sensitive Pressure Sensors》，据该论文报道，研究人员在PDMS（聚二甲基硅氧烷）和铜电极之间夹了一层导电的MXene/ZIF-67（沸石咪唑酯骨架-67）/PAN（聚丙烯腈）薄膜，制造出一种超灵敏的柔性压力传感器。
受益于纳米纤维薄膜独特的粗糙性多孔结构和稳定的三维（3D）导电网络，研究人员开发的压力传感器能够同时获得宽检测范围（0-100 kPa）和高灵敏度（62.8 kPa⁻¹），该传感器还显示出强大的机械稳定性（超过10,000个周期）和极短的响应（10毫秒）或恢复时间（8毫秒）。
（a）低压到高压范围内的压力响应图；（b）MXene/PAN传感器在不同压力水平下的灵敏度图
（a、b）MXene/ZIF-67/PAN薄膜的光学照片及其机械柔韧性展示；（c、d、e）MXene/ZIF-67/PAN薄膜的机械强度测试
MXene/ZIF-67/PAN薄膜在10,000次重复加载/卸载过程中的SEM图像
如下图所示，为了制造电子皮肤压力传感器，该研究团队首先通过在柔性PAN纳米纤维上原位嵌入MOF（金属有机框架）颗粒，获得了具有粗糙结构的柔性纳米纤维薄膜。
MXene/ZIF-67/PAN的制备及其器件结构：（a）MXene/ZIF-67/PAN纳米纤维示意图；（b）MXene/ZIF-67/PAN薄膜基压力传感器的工作机理
将MXene纳米片与这些薄膜结合，形成了三维导电网络结构。正如科研人员在论文中指出，得益于这种MXene/ZIF-67/PAN薄膜独特的粗糙结构，通过施加力能使其更好地连接导电通道，这有助于集成的柔性传感器的超高灵敏度响应和更大检测范围。
该研究团队总结其科研成果时表示，出色的压力传感性能，加上卓越的生物相容性和高柔韧性等鼓舞人心的优势，使该传感器在柔韧性和可穿戴健康设备方面极具竞争力。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c24655
延伸阅读：
《电子皮肤贴片技术及市场-2021版》
《印刷和柔性传感器技术及市场-2021版》
《印刷和柔性电子材料-2021版》
《可穿戴技术及市场-2021版》
《可穿戴传感器技术及市场-2020版》
