一種集成了摩擦電效應與熱電轉(zhuǎn)換效應的柔性自供電溫壓一體化電子皮膚

1、研究背景：

近年來，隨著未來社會智能化程度的發(fā)展，電子皮膚作為未來可穿戴電子設備網(wǎng)絡中的核心，具備多功能、超薄、低功耗甚至零功耗、良好的靈活性與生物相容性具有重要意義。為了實現(xiàn)多功能的電子皮膚，多種類型的傳感器被集成在了柔性基底上。然而，隨著多種傳感器的集成，使得整個電子皮膚系統(tǒng)的耗能顯著增加。目前的剛性電力單元限制了電子皮膚的超薄厚度和柔性，需要頻繁充電和更換電池。此外，大多數(shù)多功能電子皮膚都是基于對具有不同功能的單個傳感器的簡單集成。這種多單元傳感器成本和體積的增加限制了它們的應用。在單一器件上實現(xiàn)多功能感知是開發(fā)多功能電子皮膚的一種有效解決方法，該方法避免了復雜的制造過程與昂貴的成本。但是其機制復雜，多個傳感信號往往耦合在一起，給信號識別帶來了極大難度。

2、成果簡介：

近期，蘇州大學功能納米與軟物質(zhì)研究院孫旭輝教授團隊提出了一種集成了摩擦電效應與熱電轉(zhuǎn)換效應的柔性自供電溫壓一體化電子皮膚。該電子皮膚能夠同時感應出溫度與壓力刺激，并且將壓力和溫度刺激分別轉(zhuǎn)換為兩個獨立的電壓信號。該電子皮膚的溫度傳感通過自然溫度梯度實現(xiàn)自供電，最小分辨率為0.5 K，靈敏度達到220 μV/K?；谀Σ岭姷淖怨╇?a href="http://www.ttokpm.com/tags/壓力傳感器/" target="_blank">壓力傳感器可以在寬范圍內(nèi)（1 Pa - 100 kPa）檢測壓力，最高靈敏度達到1.394 V/kPa。此外，在開發(fā)的一體化器件中，PEDOT:PSS摻雜MCNTs組成的復合薄膜同時作為溫度傳感層與電極層，水平方向上的熱電偶薄膜對溫度具有敏感性，而基于摩擦電的自驅(qū)動壓力傳感器對垂直方向上的壓力具有敏感性。通過器件結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設計實現(xiàn)了溫度與壓力傳感信號的分離，因此不需要開發(fā)額外的算法或者進行復雜的解耦計算。更為重要的是，所有這些傳感功能不需要外部電源即可實現(xiàn)，并且能保持相當好的穩(wěn)定性。我們的工作為無源多功能電子皮膚的發(fā)展提供了一個很有前途的原型，它在柔性可穿戴設備和人工智能感知中具有巨大的應用潛力。

該工作以”Energy Autonomous Electronic Skin with Direct Temperature-Pressure Perception”為題發(fā)表在Nano Energy上，文章第一作者是蘇州大學碩士研究生陳云峰。該研究得到國家自然科學基金委的支持。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107273

3、論文圖解：

柔性自供電溫壓雙功能電子皮膚（STPES）傳感機制

柔性自供電溫壓雙功能電子皮膚（STPES）傳感性能

柔性自供電溫壓雙功能電子皮膚（STPES）對加載-卸載壓力和溫度刺激循環(huán)的響應

柔性自供電溫壓雙功能電子皮膚（STPES）在模擬人機交互場景中的演示

4、總結(jié)與展望：

為了構(gòu)建一種柔性電子皮膚具備多功能傳感信號的有效分離以及相應的能源可持續(xù)性，本論文提出了多效應耦合多功能電子皮膚的概念；通過開發(fā)低功耗，甚至能源自主的多功能電子皮膚來提升實用性；對多效應耦合的機理進行深入研究來提升多功能電子皮膚的傳感性能；避免解耦多功能電子皮膚傳感信號，有效分離不同傳感信號。通過自驅(qū)動效應耦合構(gòu)建自驅(qū)動多功能電子皮膚傳感系統(tǒng)，為推動電子皮膚集成化、實際應用發(fā)展提供了有效思路。我們的工作為無源雙參數(shù)電子皮膚提供了一個很有前途的原型，它在柔性可穿戴設備和人工智能感知中具有巨大的應用潛力。

審核編輯 ：李倩