Dengan semakin populernya perangkat cerdas yang dapat dipakai, sensor tekanan berkinerja tinggi yang fleksibel sangat dibutuhkan dalam berbagai skenario aplikasi yang kompleks. Sensor tekanan fleksibel yang ada menghadapi tantangan besar, yaitu, sensor tersebut harus mempertahankan sensitivitas tinggi dalam rentang suhu yang luas, yang sangat penting untuk penerapannya di lingkungan yang keras.
Berdasarkan tantangan di atas, Akademisi Nan Zewen dari Universitas Tsinghua, peneliti Zhang Xin dari Universitas Teknologi Wuhan, dan lainnya bekerja sama untuk melaporkan sensor piezoresistif fleksibel berkinerja tinggi berdasarkan jaringan MXene/PEI tiga dimensi, yang dapat diterapkan pada suhu yang luas. kisaran (dari suhu nitrogen cair hingga 150 ° C). Hasil penelitian terkait dipublikasikan di jurnal Advanced Science dengan judul "Jaringan Fleksibel Berbasis MXene 3D untuk Sensor Tekanan Berkinerja Tinggi dengan Rentang Suhu Lebar".
PEI adalah polimer termoplastik amorf dengan ketahanan suhu tinggi, kekuatan tarik yang sangat baik, dan stabilitas dimensi yang sangat baik. Ini telah menunjukkan potensi penerapan yang besar di bidang kedirgantaraan. Selain itu, PEI yang mengandung ikatan eter menunjukkan fleksibilitas dan kemampuan proses yang tinggi, serta dapat membangun struktur mikro dan makro yang berbeda melalui berbagai proses fisik. Di sisi lain, lembaran nano MXenes yang muncul memiliki konduktivitas logam, kekuatan mekanik yang sangat baik dan hidrofilisitas yang baik, serta dapat menahan suhu rendah tertentu (di bawah -200 ℃) dan suhu tinggi (di atas 400 ℃). Sangat cocok untuk membuat sensor tekanan yang dapat dipakai menggunakan jaringan serat PEI dalam kondisi buruk.
Melalui proses electrospinning lapis demi lapis PEI, jaringan MXene/PEI tiga dimensi disiapkan untuk meningkatkan kinerja penginderaan dalam rentang suhu yang luas. Jaringan serat 3D interkoneksi MXene/PEI mirip dengan jaring laba-laba telah disiapkan, dan serpihan nano MXene dilapisi pada permukaan setiap kawat nano PEI. Jaringan MXene/PEI tiga dimensi ini mendapat manfaat dari deformasi besar akibat pengaruh gaya eksternal, dan meningkatkan kinerja penginderaan sensor piezoresistif pada suhu tinggi. Selain itu, lapisan PEI ultra-tipis dipasang antara jaringan MXene/PEI dan elektroda fleksibel sebagai lapisan pengatur jarak, yang selanjutnya dapat meningkatkan jalur konduktif di bawah deformasi eksternal. Sensor piezoresistif fleksibel memiliki sensitivitas yang sangat baik, waktu respons/pemulihan yang singkat, batas deteksi yang rendah, dan daya tahan yang baik pada suhu tinggi dalam rentang suhu yang luas (dari nitrogen cair hingga 150 ° C), dan memiliki nilai penerapan potensial dalam aktivitas manusia, pemantauan kesehatan, susunan distribusi tekanan dan interaksi manusia-komputer.
Gambar 1 a) Diagram skema proses preparasi sensor piezoresistif MPP. b) Gambar SEM dan distribusi ukuran nanoflakes Ti3C2TX MXene. c) Gambar AFM chip nano MXene. Distribusi ketinggian menunjukkan bahwa ketebalan lembaran nano adalah ≈ 1,74 nm. d) Gambar TEM irisan nano MXene. Pola difraksi elektron area yang dipilih ditunjukkan pada ilustrasi. e) Diagram XRD dari nanosheet Ti3AlC2 MAX dan Ti3C2TX MXene. f) Gambar SEM dari jaringan serat MXene/PEI g) Spektrum Fourier transform inframerah (FTIR) dari jaringan serat PEI, Ti3C2TX MXene dan jaringan serat MXene/PEI. h) Diagram struktur 3D jaringan serat MXene/PEI.
Dalam karya ini, para peneliti menyiapkan sensor piezoresistif sensitivitas tinggi berdasarkan jaringan MXene/polieterimida tiga dimensi. Sensor ini memiliki sensitivitas ultra-tinggi dalam rentang suhu yang luas (80 kPa − 1 pada − 5 ℃, 156 kPa − 1 pada suhu kamar, dan 20 kPa − 1 pada 150 ℃), batas deteksi rendah sebesar 9 Pa, kecepatan deteksi yang cepat waktu respons 163 ms, dan daya tahan jangka panjang. Ia memiliki lebih dari 10.000 siklus pada suhu kamar, 2000 siklus pada 100 °C, dan 500 siklus pada −5 °C.
Gambar 2 Mekanisme penginderaan sensor piezoresistif MPP. a) Model penginderaan tekanan sensor MPP. Bf) Gambar SEM in situ dari jaringan serat MXene/PEI dalam kondisi kompresi berbeda.
Sensor tekanan dapat melacak berbagai aktivitas manusia secara real time, mendeteksi distribusi tekanan, dan digunakan untuk interaksi manusia-komputer. Ia juga dapat bereaksi secara sensitif terhadap rangsangan mekanis eksternal pada suhu tinggi (150 ° C) dan suhu rendah (nitrogen cair). Selain itu, jaringan fiber memiliki kapasitas pemanasan Joule yang baik, yaitu dapat mencapai 78°C pada tegangan 12 V. Oleh karena itu, jaringan serat MXene/PEI yang fleksibel memiliki prospek penerapan yang luas di bidang perangkat elektronik fleksibel yang dapat dipakai dan sistem pemanas pribadi dalam kondisi yang sulit.
Gambar 3 Kinerja penginderaan sensor piezoresistif MPP. a) Respon saat ini Δ Hubungan antara I/Io dan waktu. b) Untuk sensor MXene/PEI dengan konsentrasi MXene yang berbeda, perubahan arus relatif seiring dengan perubahan beban tekanan（ Δ I/Io)。 c) Waktu respons (163 ms) dan waktu pemulihan (123 ms) dari sensor MPP pada kecepatan kompresi 200 mm s − 1. d) Uji ketahanan sensor di bawah 10.000 siklus bongkar muat terus menerus. e) Perilaku reologi dinamis jaringan serat MXene/PEI pada - 120 hingga 200 °C. f) Kurva tegangan-regangan jaringan serat MXene/PEI dan g) sensitivitas sensor MPP pada kondisi suhu berbeda dari suhu kamar hingga 150 °C. h) Sensor MPP mempunyai kinerja penginderaan piezoresistif siklik sebanyak 2000 siklus pada suhu 100°C. i) Perbandingan sensitivitas dan jangkauan penginderaan dari berbagai sensor piezoresistif.
Penerapan sensor MPP
Sensor piezoresistif MXene/PEI memiliki keunggulan sensitivitas tinggi dan respons cepat, serta cocok untuk pemantauan real-time terhadap tekanan halus dan berbagai aktivitas manusia. Batas deteksi sensor piezoresistif adalah salah satu indikator kinerja paling penting. Seperti terlihat pada Gambar 4a, sensor dapat mendeteksi tekanan kecil pada kedelai (9 Pa) dan 1 gram (44 Pa). Selain itu, sensor fleksibel dapat dipasang secara sesuai pada otot manusia. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4b, pergerakan otot minimum tonjolan pipi dapat direkam. Pada Gambar 4c, sensor dipasang langsung pada kulit pergelangan tangan pria dewasa untuk memantau denyut nadi secara real time, dan dapat dengan jelas membedakan bentuk gelombang, yang memiliki prospek penerapan yang bagus dalam pemantauan biomedis dan diagnosis klinis real-time.
Karena fleksibilitasnya, sensor piezoresistif MPP juga dapat dipasang erat pada sendi manusia. Seperti terlihat pada Gambar 4d, sensor dapat mendeteksi gerakan menekuk dan meluruskan jari telunjuk secara real time. Sensor tersebut juga menunjukkan sensitivitas tinggi untuk memantau siklus fleksi dan ekstensi sendi manusia, seperti pergelangan tangan, siku, pergelangan kaki, dan lutut. Pada Gambar 4f, sensor juga menunjukkan respons cepat terhadap ketukan jari berfrekuensi tinggi. Pada suhu sangat rendah mendekati suhu nitrogen cair, sinyal arus merespons dengan baik terhadap perubahan berat cangkir. Kisaran suhu pengoperasian yang luas menunjukkan potensi penerapan sensor di bidang kedirgantaraan.
Gambar 4 Penerapan sensor piezoresistif MPP. a) Kurva respon tekanan benda kecil yang diberikan oleh kedelai (9 Pa) dan berat 1 g (44 Pa), b) tonjolan pipi, c) denyut pergelangan tangan (gambar yang diperbesar adalah sinyal pulsa tunggal yang mengandung puncak karakteristik yang disebut P - gelombang, gelombang T dan gelombang D), d) menekuk jari, e) mengayunkan siku, f) mengetuk jari, dan g) menjaga gelas air pada suhu yang berbeda dari RT hingga 80°C. h) Kinerja penginderaan sensor piezoresistif MPP pada suhu sangat rendah (nitrogen cair).
Internet of Things (LoT) adalah inti dari era informasi dan terdiri dari berbagai sensor. Untuk mempelajari lebih lanjut penerapannya di bidang LoT, sensor piezoresistif MPP dihubungkan ke sistem Bluetooth. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5a, sistem dapat mengubah sinyal tekanan yang dirasakan menjadi sinyal gelombang radio elektromagnetik. Kemudian perubahan arus dapat dimonitor dan dicatat di ponsel. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5b, susunan sensor dapat mengukur distribusi tekanan dengan memantau intensitas arus setiap titik piksel untuk menentukan posisi spesifik pemain catur. Selain itu, sensor yang sangat fleksibel dipasang pada kaki robot, seperti terlihat pada Gambar 5c. Saat robot mengayunkan lengannya untuk berjalan, sensor menghasilkan sinyal respons.
Gambar 5 a) Sensor piezoresistif MPP dihubungkan ke sirkuit yang berisi modul Bluetooth, yang secara nirkabel mengirimkan sinyal ketukan jari ke telepon seluler. b) Tempatkan bidak catur pada susunan piksel sensor piezoresistif 4 × 4 MPP untuk mendeteksi distribusi tekanan yang sesuai. c) Sensor piezoresistif MPP memonitor gerak robot secara real time. d) Ketika tekanan berbeda diterapkan pada sensor piezoresistif MPP, respons kecerahan LED berubah. e) Diagram skema jaringan serat MXene/PEI yang menempel pada permukaan kulit untuk pemanasan joule. f) Distribusi suhu jaringan serat MXene/PEI dengan konsentrasi 0,8 mg mL − 1 pada tegangan operasi berbeda. g) Citra termal inframerah jaringan serat MXene/PEI dengan konsentrasi 0,8 mg mL − 1 ketika tegangan meningkat secara bertahap dari 0 hingga 12 V.
