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石墨烯联盟|纳米发电机，实现高灵敏、自供电触觉传感器，助力电子皮肤的发展


表皮电子器件是一类典型的可伸缩传感器 ， 需要具有类似于皮肤的柔软性和质感等优异性能 。 摩擦电纳米发电机（TENG）可以通过从周围环境中收集机械能来驱动电子系统 ， 具有自供电的传感功能、环保和低成本低优点 。 现有的可拉伸TENG是由相对复杂工艺或结构制备的可拉伸电极构成 ， 或者是将纳米管、石墨烯等导电填料嵌入弹性体基底中 。 其中 ， 导电填料的渗透网络存在以下一些缺点：（1）现有方法难以获得具有高拉伸性和优异电导率的电极；（2）需要将电极增厚以为获得高导电性 ， 在一定程度上影响了整个装置的透明性、粘合性和舒适性 。 因此 ， 下一代皮肤状TENG需要一种新型的可拉伸超薄电极 。 目前 ， 可拉伸的TENG在透明度、可洗性、高灵敏度和长期耐用性方面仍然面临挑战 。

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本文插图

近日 ， 中科院北京纳米能源与系统研究所的王中林院士（通讯作者）团队报道了一种可伸缩、耐清洗且超薄仿造皮肤的摩擦电纳米发电机（SI-TENG） ， 其可以收集人体运动能量 ， 并作为一种高度敏感的自供电触觉传感器 。 通过优化的材料选择和结构设计 ， SI-TENG有高可拉伸性（≈800％）、超薄性（≈89 μm）和轻便性（≈0.23 g）等优点 ， 其能在不影响人体皮肤接触的情况下与人体皮肤相适应 。 通过热塑性聚氨酯（TPU）的同步静电纺丝和银纳米线（AgNWs）的电喷涂 ， 制造了可拉伸的复合电极 ， 该电极由AgNWs与TPU纳米纤维网络均匀缠绕而成 。 在施加力为8 N和1 Hz的负载频率时 ， 接触面积为2×2 cm2的SI-TENG的开路电压（Voc）、短路电流（Isc）和功率密度可以分别达到95 V、0.3 μA和6 mW m-2 。 通过集成信号处理电路 ， SI-TENG具有出色能量收集和自供电感应能力 ， 可用于检测人类动作的触觉传感器阵列 。 因此 ， SI-TENG在人机界面和安全系统领域有着广泛的应用前景 。
SI-TENG的制备与表征
由纳米复合膜组装的单电极模式SI-TENG的基本结构：在顶层 ， 改性的表面PDMS薄膜用作起电层；在中间层 ， AgNWs被均匀地分布在整个TPU纳米纤维网络中 ， 用作可拉伸电极；在底层 ， 商业化VHB作为结构支撑和保护层 。 面积为4 cm×4 cm的SI-TENG的厚度仅为89 μm、重量仅为230 mg 。 SI-TENG具有出色的光学透明性 ， 可以直接看到传感器下方的皮肤 。 SI-TENG与自然皮肤和曲面形成紧密、舒适和共形的附着 。 此外 ， SI-TENG在附着并多次拉出物体时表现出稳定的性能 ， 可以进行拉伸、扭曲和弯曲等复杂的机械变形 。

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图1、SI-TENG的结构设计
工作机制与输出性能
SI-TENG的工作机理与摩擦起电和静电感应相结合 。 当活动对象与介电层（PDMS薄膜）接触时 ， 带电过程发生在界面 ， 并且在两个接触之间产生相同数量、极性相反的电荷 。 对于SI-TENG的电气输出性能 ， 不同厚度（25、50、100、200和300 μm）的PDMS薄膜 ， 其Voc ， Isc和Qsc的输出性能先增加 ， 后随着PDMS薄膜厚度的增加而降低 。 其中 ， 厚度为50 μm的PDMS薄膜使SI-TENG具有最佳的电气输出性能（Voc: 35 V ， Qsc: 13 nC和Isc: 0.08 μA） 。 比较由各种粗糙表面PDMS制成SI-TENG的电气输出性能 。 其中 ， 厚度为3 nm Ti掩模的SI-TENG具有最高输出性能 。

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图2、SI-TENG的工作机理和输出性能
耐洗性和传感性表征
作者检测了不同清洗次数（10-40 min）下的输出电压 ， 评估SI-TENG的耐洗性 。 在整个清洗实验过程中 ， 输出电压没有明显的变化 。 当施加压力保持恒定时 ， 出现均匀且可重复的方波形状的输出电压信号 。 当施加压力达到6 KPa时 ， 相应的电压信号输出也会增加 ， 在65 V达到饱和 。 需注意 ， 曲线表现出两个不同的区域 。 在低压区域（0-1.6 KPa）中 ， SI-TENG表现出良好的线性响应 ， 压力敏感度为9.973 mV Pa-1 ， 而在高压区域（>1.6 KPa）中 ， 压力敏感度为0.538 mV Pa-1 。 因此 ， SI-TENG在低压区域（<1.6 KPa）更灵敏 。

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图3、SI-TENG的稳定性和灵敏度
可拉伸性表征
SI-TENG被横向拉伸至200％ ， 具有出色的机械性能 。 通过应力应变仪进行精确的长度控制 ， 测试SI-TENG和复合电极的拉伸应变能力 。 该电极具有高拉伸性（580％）和相对稳定的电阻（在100％应变下从5到732 Ω） 。 在不同拉伸状态下 ， 接触面积为1 cm×2 cm的SI-TENG的输出性能随拉伸应变从0％到150％的增加而增加 。 在30％拉伸应变时 ， 连续运行10万次后 ， 输出电压没有明显变化 ， 证明SI-TENG具有优异的拉伸性 。
【石墨烯联盟|纳米发电机，实现高灵敏、自供电触觉传感器，助力电子皮肤的发展】
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图4、SI-TENG的可拉伸性
探究应用价值
自供电游戏控制器由9个具有3×3阵列的传感单元组成 ， 包括PDMS电气化层、TPU/AgNWs电极层、VHB绝缘层、TPU/AgNWs屏蔽层和VHB/TPU基板层 。 将SI-TENG与信号处理电路集成在一起 ， 开发了一种皮肤游戏控制器的传感系统 。 游戏控制器系统由三个主要部分组成：具有3×3感应阵列的SI-TENG、信号处理电路和基于Labview程序的计算机 。 手指轻轻触摸传感器后 ， 不同的输出电压将根据机械搅拌而变化 。 因此 ， 开发的自供电类皮肤游戏控制器在自动控制、人机界面等领域具有巨大潜力 。

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图5、SI-TENG作为游戏的触觉传感器
总之 ， 作者设计的可拉伸、超薄、可清洗且高度敏感的SI-TENG ， 实现了800％的应变、总厚度约为89 μm 。 此外 ， SI-TENG具有恒定的防水性能、高透射率和超高压力灵敏度 。 因此 ， 对于自供电传感系统或作为下一代可穿戴电子设备的能源供应体 ， 具有广阔的应用前景 。
来源：高分子科学前沿


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