可降解压阻式传感器

定义与用途

可降解压阻式传感器是一种以可降解材料为主体、基于压阻效应将压力或形变转换为电阻变化的器件。用于呼吸监测时，传感器将呼吸相关的周期性机械作用转换为电阻信号，从而记录呼吸频率与波形。

核心结构与材料

器件采用异质层级组装策略，形成多层结构：

• 导电层：由MXene与纤维素纳米纤维复合而成。MXene为二维过渡金属碳化物/氮化物，具有高电导率；纤维素纳米纤维提供可降解骨架与柔性。二者复合形成导电网络。
• 增强层：明胶层，用于增强力学性能并与导电层形成界面耦合。
• 整体结构：圆柱可定制结构，即器件可制成圆柱形，且结构尺寸可按应用需求定制。

压阻原理与界面耦合机制

压阻效应指材料受力后电阻发生变化。对于该传感器，电阻变化主要源于导电网络在形变下的接触状态改变。

• 当传感器受拉伸或压缩时，MXene/纤维素纳米纤维导电层内导电颗粒间距变化，导致导电通路数量改变，电阻随之变化。
• 明胶增强层与导电层之间通过氢键结合，形成界面耦合。氢键在形变时断裂与重组，产生层间能量耗散，可缓冲外界扰动，使导电网络在多重扰动下保持稳定。
• 界面耦合与能量耗散有助于维持导电网络稳定；具体抗扰性能仍需在规定条件下实验验证。

符号与单位

• 电阻 $R$，单位欧姆（$\mathrm{\Omega }$）。
• 电阻变化率 $\mathrm{\Delta }R\mathrm{/}{R}_0$，无量纲，其中 $R_0$ 为初始电阻，$\mathrm{\Delta }R$ 为电阻变化量。
• 应变 $\epsilon$，无量纲，常用百分比表示。
• 灵敏度可用灵敏度系数 $GF=(\mathrm{\Delta }R\mathrm{/}{R}_0)\mathrm{/}\epsilon$ 描述，无量纲。

适用范围

该传感器适用于可穿戴呼吸监测，包括临床健康监测与日常呼吸监测。其可降解特性减少电子废弃物，但需注意工作环境湿度与温度范围，避免超出材料稳定区间。