超薄可拉伸自供电触觉传感阵列新策略

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超薄可拉伸自供电触觉传感阵列新策略

2021.2.03

　　研究亮点

　　1.开发了超薄海绵PDMS纳米发电机作为自发电传感器；

　　2.常温下高通量集成高透明性的银纳米线电极；

3.实现了阵列化可拉伸纳米发电机在规模化触觉传感的高灵敏应用。

　　研究背景

　　柔性可拉伸的摩擦电纳米发电机（flexible

　　and stretchable triboelectric nanogenerator, FS-TENG），可作为能量收集器来收集日常生活中的机械能，以及作为自供电的触觉传感器对生理活动进行健康监测，在可穿戴电子设备和人机交互界面领域具有较高的研究价值和广阔的应用前景。但是，目前仍然存在两个问题限制了FS-TENG的发展和应用：（1）电学输出性能低；（2）难以实现大面积可扩展的器件制备。前者主要是由于摩擦起电效率和静电感应效率较低造成的。根据摩擦发电的机理，研究人员通常设计表面粗糙的摩擦层以增加摩擦时的接触面积，从而提高表面摩擦电荷的产生，最终实现器件输出性能的提高。但是这种方法见效甚微。至于器件的大面积、可扩展性问题，FS-TENG主要受限于大尺寸图案化的柔性电极的制备。

　　成果简介

　　鉴于此，香港城市大学于欣格教授团队、电子科技大学于军胜教授团队合作介绍了一种结合材料设计和结构优化的方案，同时解决了上述两个问题。该方案中，刮涂制备了海绵结构的聚二甲基硅氧烷（PDMS）海绵作为摩擦层，喷涂制备了高导电性（方阻低至几十W/）、高透明(透过率高达75%)的不同几何形状的银纳米线作为电极，实现了超薄、柔性可拉伸的皮肤一体式的纳米摩擦发电机。由于PDMS海绵的表面粗糙以及可压缩性高，海绵结构的FS-TENG电学输出远高于对照器件。此外，作者展示了该海绵结构FS-TENG多种应用场景：（a）电子鞋垫。可用于检测行走、跳跃、跑步等不同的运动状态；（b）遍布全手的触觉传感手套。可用于速识别接触物体；（c）用于压力映射的21´21 cm2的大面积触觉传感器阵列。实现了高分辨率感应和可忽略的信号串扰。本工作中介绍的材料和器件，对高灵敏性、可拉伸器件、柔性传感阵列的实现提出了有效的解决方案，有望实现低成本规模化的电子皮肤的应用。

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