安徽大学岳阳/王思亮等: 自供电柔性单片式3D集成触觉传感阵列

研究背景

随着柔性电子器件逐渐向微型化和便携化发展，如何在有限的空间内将能量存储/供给单元(如微型超级电容器、微型电池)与能量消耗单元(如压力传感器)集成在一起，成为研究热点。这种集成在二维平面上具有简便、兼容和可靠的优势，但在进一步扩展到阵列结构时，会出现占用面积大、连接复杂、空间利用率低等问题，与柔性电子追求的高集成度和小型化目标相矛盾。随着集成电路加工接近物理极限，3D 集成(通过垂直堆叠功能单元)被提出作为突破摩尔定律的途径。应用于柔性电子时，三维单片集成不仅能显著减少占用空间，还能缩短信号传输路径、降低能耗。但在柔性环境下，不同材料间兼容性差、界面层过多、结构稳定性不足，严重限制了三维单片集成的实现。

Flexible Monolithic 3D‑Integrated Self‑Powered Tactile Sensing Array Based on Holey MXene Paste

Mengjie Wang, Chen Chen, Yuhang Zhang, Yanan Ma*, Li Xu*, Dan-Dan Wu, Bowen Gao, Aoyun Song, Li Wen, Yongfa Cheng, Siliang Wang*, Yang Yue*

Nano-Micro Letters (2026)18: 68

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01924-9

本文亮点

1. 单片式三维集成设计：提出了基于多孔 MXene 浆料的柔性单片 3D 集成触觉传感系统，每个垂直单元同时具备微型超级电容器和压力传感功能，从根本上减少界面失配并增强机械稳定性。

2. 规模化制造与优异性能：通过刮刀涂覆与压印工艺实现大面积制备，器件展现出优异柔韧性、低功耗、快速响应和长期稳定运行，证明了体系的可扩展性与实用潜力。

3. 智能化应用示范：将传感阵列集成至智能门禁系统，结合深度学习算法，能够基于用户独特的按压行为实现精准身份识别，展现出在人机交互与个性化电子设备领域的应用前景。

内容简介

柔性电子器件在实现单片式三维(3D)集成方面面临重大挑战，包括材料兼容性、结构稳定性及可扩展制造工艺。受人体皮肤触觉感知机制启发，安徽大学岳阳、王思亮副教授&湖北汽车工业学院徐利、马亚楠教授团队报道了一种基于多孔 MXene 浆料的柔性单片式 3D 集成触觉传感系统，其中每个垂直单体单元同时兼具微型超级电容器与压力传感器的功能。MXene 的平面介孔结构显著提升离子可及性，抑制纳米片自堆叠现象，使多孔 MXene 兼具传感材料、活性电极与导电互连功能，从而大幅降低界面失配并增强机械稳健性。此外，采用刮刀涂覆与压印工艺制备出的大尺寸器件展现出卓越的机械柔韧性、低功耗特性、快速响应能力及长期稳定运行性能。作为概念验证应用，将传感阵列集成至智能门禁系统，通过深度学习技术基于用户独特的按压行为实现了精准的身份识别。本研究为设计高度集成、智能灵活的电子系统开辟了前景广阔的途径，可推动先进人机交互与个性化电子设备的发展。

图文导读

I 单片 3D 集成的柔性触觉传感

如图1所示，所提出的垂直一体化单元(VOU)能够同时实现微型超级电容器和压力传感器的功能。与传统的平面集成和二维垂直集成方式相比，VOU 显著减少了垂直方向的界面数量，从而缩短了互连路径、降低能耗并提升了集成度，使器件阵列的构建更加简便高效。同时，其设计灵感来源于皮肤的触觉感知机制：外部刺激可触发离子通道打开并产生跨膜电位，刺激消失后离子被泵回而恢复电位。这种高效、低能耗的生物感知模式被成功借鉴到 VOU 中，使其具备高灵敏度和低功耗的柔性触觉传感特性，为构建新一代高集成度、智能化的柔性电子系统提供了新思路。

图1. 面向柔性触觉传感系统的 VOU 单片3D集成。

II Holey MXene 浆料的总体研究

图2. Holey MXene 浆料的总体研究。

本研究通过控制层间力导致的轻微絮凝现象，成功制得了可用于不同制造工艺的 Holey MXene 浆料。借助刮刀涂覆和压印工艺，该研究不仅能在基底上快速构建柔性器件单元，还能实现规模化拓展，例如在整张 A4 纸上均匀涂覆并保持良好导电性。随后，通过激光刻蚀和压印方法，可制备出多种定制化电极图案(如叉指形、太极形、螺旋形)，并组装成 4×4 或 3×3 阵列的三维集成传感系统。在机理方面，揭示了浆料形成过程与双电层(EDL)理论的联系。MXene在去离子水中因 –OH 基团电离带负电(ζ电位约–51 mV)，表现出强静电斥力而稳定分散；当逐步引入H⁺后，表面 –OH 电离被抑制，表面电荷密度下降，ζ电位减小至 –28 mV，导致双电层被压缩，静电斥力减弱，范德华作用占主导，最终产生轻微絮凝并形成可加工的浆料。

III VOU 的稳定性测试

图3. VOU 的稳定性测试。

微型超级电容器(MSCs)因易于集成和优异的电化学性能，常被用于柔性压力传感器供能。但传统对称型微型超级电容器(CSMSCs)存在严重的自放电问题，导致电压不稳定，不利于可穿戴器件的长期运行。相比之下，锌离子微型超级电容器(ZIMSCs)依靠 Zn2⁺ 的价态转变有效抑制自放电：在充电过程中 Zn2⁺ 迁移至负极并被还原为 Zn 原子，而在开路条件下中性 Zn 原子无法迁移，从而抑制了电压衰减。实验证明，以多孔 MXene 为基础构筑的 VOU-ZIMSCs 在 240 h后仍保持良好性能，自放电速率仅为 1.875 mV h⁻1，优于多数已报道工作。此外，VOU-ZIMSC 在 8 万次循环后仍具长期稳定性，电容保持率达 92%。器件采用 CNF 隔膜和 PET 封装，增强了机械稳健性；SEM 结果显示其在应力和弯曲条件下仍能保持表面结构完整。进一步的降解实验表明，多孔 MXene 溶液 18 天内可完全降解，MXene 纸在添加 5% H₂O₂ 后 72 h内完全降解，仅残留 TiO₂ 纳米颗粒，凝胶层也能在 3 h内迅速消失。这些结果表明，该器件不仅具备优异的抗自放电和循环稳定性，还具有良好的环境降解性与生物相容性。

IV VOU 的稳定性测试

图4. VOU 的传感性能。

VOU 的传感性能研究建立了一套包括力传感器、步进电机、转换平台和电压表的测试系统。为了提升灵敏度，采用通过砂纸模塑得到表面微结构的凝胶电解质来降低初始电压，同时在 MXene 中引入面内介孔以增加活性位点和离子可达性，从而改善电化学与传感性能。这种多孔设计不仅适合构建单片式三维垂直集成结构，还能同时实现超级电容和压力传感双功能，减少界面失配、缩短信号传输路径、降低能量损耗并增强机械强度。随着压力增加，器件阻抗明显下降，模拟结果表明电解质与电极接触面积增大，转化为更强的电极/电解质相互作用并提升输出电压。通过不同目数砂纸调控电解质粗糙度，可改善器件的开关比、线性度和检测范围；当砂纸目数增大时，接触面积饱和延迟，检测范围也扩大。使用 2000 目砂纸的 VOU 在不同压力、速度和频率下均表现出快速稳定的响应，响应/恢复时间约50–60 ms，远低于多数已报道压力传感器。I–V 曲线表现出良好的欧姆接触，V–T 曲线则能区分不同压力。凭借材料匹配与结构设计，器件展现出优异的传感机制与性能。在驱动 LED 灯实验中，随着压力增加亮度逐渐增强且无需外接电源，显示出在高度集成电子器件中的潜力。最后，基于多孔MXene 浆料制备的 3×3 单片三维集成阵列可精确区分不同位置的压力分布。

V 触觉传感+用户识别：单片 3D 系统实践

图5. 单片 3D 触觉传感里的用户识别应用。

VI 总结

本文围绕柔性电子器件在单片式三维集成方面所面临的材料兼容性、结构稳定性以及可扩展制造等难题展开研究。受皮肤触觉感知机制的启发，研究团队提出并实现了一种基于多孔 MXene 浆料的柔性单片式三维集成触觉传感系统。该系统的独特之处在于，每个垂直单元同时兼具微型超级电容器和压力传感器的功能，实现了能量存储与信号感知的高度融合。通过在 MXene 中引入平面介孔结构，有效避免了纳米片堆叠并显著提升离子可及性，使其能够同时充当传感材料、活性电极与导电互连，从而减少界面失配并提升机械稳健性。此外，研究采用刮刀涂覆与压印工艺制备出大面积器件，展现出优异的柔性、低功耗、快速响应和长期稳定性。作为应用验证，团队将该传感阵列集成至智能门禁系统，并结合深度学习算法，实现了基于用户独特按压行为的精准身份识别。整体来看，本研究通过仿生设计与 MXene 功能化的结合，提出了一条突破柔性传感器多功能集成瓶颈的新路线，并展现出在智能人机交互和个性化电子设备中的广阔应用前景。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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