基于MXene薄膜的纹身式柔性应变传感器研究

作     者：丁美希 

作者单位：北方工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵全亮;苏德志

授予年度：2024年

学科分类：07[理学] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 070205[理学-凝聚态物理] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：MXene材料 MXene/PEDOT:PSS纳米薄膜 柔性应变传感器 纹身干电极 

摘      要：随着可穿戴电子设备的快速发展,纹身式柔性应变传感器因其良好的柔韧性、延展性、高导电性、高灵敏度、高皮肤适应性等特点被广泛关注。应变传感器的类型按照应用材料来分类,大致分为:碳基材料、复合材料和液态金属材料等。这些材料具有柔韧性好、导电性高、易于设计等特点,但是制备柔性纹身式应变传感器还存在器件导电性较差、工艺复杂、整体尺寸较厚以及皮肤适应性差等问题,限制了柔性纹身式应变传感器的发展。 本文为克服纹身式柔性应变传感器现有的问题,在材料选择、复合薄膜的制备工艺及传感器分形设计等方面进行了优化,研制了一种基于MXene薄膜的纹身式柔性应变传感器,并从材料及其制备工艺流程、传感器件的分形结构设计、传感性能及应用分析等方面进行研究。具体工作如下: （1）以TiAl C材料为前驱体MXA相,用氢氟酸做刻蚀剂制备MXene材料。对比超声剥离法和破碎剥离法制备的材料性能,最终确定使用超声剥离法制备少层MXene纳米片,并基于马兰戈尼效应自组装MXene纳米薄膜。 （2）通过向MXene材料中混合PEDOT:PSS来提高材料的导电性和稳定性,并基于MXene/PEDOT:PSS纳米薄膜制备了纹身式柔性应变传感器,通过湿转印的方法转移到人体皮肤上。对应变传感器的性能进行测试分析,结果表明应变传感器在0.6%应变下的灵敏度为3.88,当受到0.9%应变时,相对电阻变化率约为0.12%,可承受5000次循环测试,具有较好的灵敏度和耐久度。 （3）应用湿转印法还制备了一种基于MXene/PEDOT:PSS纳米薄膜的纹身干电极,通过与商业凝胶电极测试人体心电信号的结果进行对比,导电性能一致,解决了凝胶电极因长时间水分蒸发产生的移位、皮肤阻抗增加等问题。还对人体肌电信号进行检测分析,结果表明了MXene/PEDOT:PSS纹身干电极具有较好的稳定性和可靠性。