自驅(qū)動(dòng)傳感貼片成功解決集成度低與能量供給受限等問(wèn)題

隨著柔性可穿戴電子的快速發(fā)展，能夠準(zhǔn)確快速響應(yīng)身體健康信號(hào)變化的便攜式傳感器具有廣闊的應(yīng)用前景，受到了國(guó)內(nèi)外科研學(xué)者的廣泛關(guān)注。然而，現(xiàn)有的單一傳感器受限于能量供給問(wèn)題，限制了其在電子皮膚等領(lǐng)域的應(yīng)用。一方面，考慮到制備工藝簡(jiǎn)單成本低等優(yōu)勢(shì)，基于壓阻原理的應(yīng)力傳感器能夠有效感知形變，但是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈敏度較低;另一方面，采用超級(jí)電容器等微能源器件作為供能元件，但多為分離結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)集成度較低。因此，如何制備相匹配的微能源系統(tǒng)，更好的應(yīng)用于可穿戴領(lǐng)域與健康監(jiān)測(cè)方面，是一個(gè)亟待解決的巨大挑戰(zhàn)。

北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院微納電子學(xué)研究院張海霞教授課題組基于多孔CNT-PDMS導(dǎo)電彈性體，將制備得到的壓阻應(yīng)力傳感器與微型超級(jí)電容器相結(jié)合，提出了一種具有能量存儲(chǔ)與應(yīng)力監(jiān)測(cè)功能的一體式自驅(qū)動(dòng)傳感貼片，成功解決了集成度低與能量供給受限等問(wèn)題。相關(guān)研究成果以“All-in-one piezoresistive-sensing patch integrated with micro-supercapacitor”為題，發(fā)表于納米科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域重要期刊Nano Energy上，博士研究生宋宇為論文第一作者，張海霞教授為通訊作者。

該一體式自驅(qū)動(dòng)傳感貼片為上下結(jié)構(gòu)，上部分由微型超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能器件，下部分為壓阻式應(yīng)力傳感器作為功能器件，兩者均采用多孔CNT-PDMS導(dǎo)電彈性體作為電極材料。其中，多孔CNT-PDMS彈性體通過(guò)“溶液-揮發(fā)”方式制備，并借助于糖粉誘導(dǎo)產(chǎn)生多孔結(jié)構(gòu)，同時(shí)具有良好的機(jī)械魯棒性與電學(xué)穩(wěn)定性。對(duì)于功能器件，壓阻傳感器展現(xiàn)出了極高的靈敏度與穩(wěn)定性，其力學(xué)性能與壓阻性能之間具有一定的關(guān)聯(lián)，并可以通過(guò)調(diào)控器件孔徑、孔隙率、組成成分進(jìn)一步優(yōu)化其工作性能。對(duì)于能量存儲(chǔ)器件，微型超級(jí)電容器采用叉指結(jié)構(gòu)，借助于多孔導(dǎo)電彈性體比表面積大及電導(dǎo)性高等優(yōu)勢(shì)，展現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性與電化學(xué)性能，并在彎曲及按壓狀態(tài)下仍可以穩(wěn)定工作。將壓阻傳感器與微型超級(jí)電容器組裝得到一體式智能貼片，可以在用戶(hù)認(rèn)證與安全通訊等方面作為3D touch使用，并進(jìn)一步封裝成傳感陣列，具有靜態(tài)應(yīng)力傳感與動(dòng)態(tài)軌跡識(shí)別的功能。因此，通過(guò)集成化一體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與通用工藝性能優(yōu)化，這種自驅(qū)動(dòng)智能貼片在智能能量系統(tǒng)與人機(jī)交互等領(lǐng)域具有巨大潛力。