一種具有能量存儲與應力監測功能的一體式自驅動傳感貼片

隨著柔性可穿戴電子的快速發展，能夠準確快速響應身體健康信號變化的便攜式傳感器具有廣闊的應用前景，受到了國內外科研學者的廣泛關注。然而，現有的單一傳感器受限于能量供給問題，限制了其在電子皮膚等領域的應用。

一方面，考慮到制備工藝簡單成本低等優勢，基于壓阻原理的應力傳感器能夠有效感知形變，但是傳統結構靈敏度較低；另一方面，采用超級電容器等微能源器件作為供能元件，但多為分離結構，系統集成度較低。因此，如何制備相匹配的微能源系統，更好的應用于可穿戴領域與健康監測方面，是一個亟待解決的巨大挑戰。

近日，北京大學信息科學技術學院微納電子學研究院張海霞教授課題組基于多孔CNT-PDMS導電彈性體，將制備得到的壓阻應力傳感器與微型超級電容器相結合，提出了一種具有能量存儲與應力監測功能的一體式自驅動傳感貼片，成功解決了集成度低與能量供給受限等問題。相關研究成果以“All-in-one piezoresistive-sensing patch integrated with micro-supercapacitor”為題，發表于納米科學技術領域重要期刊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。

該一體式自驅動傳感貼片為上下結構，上部分由微型超級電容器作為儲能器件，下部分為壓阻式應力傳感器作為功能器件，兩者均采用多孔CNT-PDMS導電彈性體作為電極材料。其中，多孔CNT-PDMS彈性體通過“溶液-揮發”方式制備，并借助于糖粉誘導產生多孔結構，同時具有良好的機械魯棒性與電學穩定性。

對于功能器件，壓阻傳感器展現出了極高的靈敏度與穩定性，其力學性能與壓阻性能之間具有一定的關聯，并可以通過調控器件孔徑、孔隙率、組成成分進一步優化其工作性能。對于能量存儲器件，微型超級電容器采用叉指結構，借助于多孔導電彈性體比表面積大及電導性高等優勢，展現出良好的循環穩定性與電化學性能，并在彎曲及按壓狀態下仍可以穩定工作。

將壓阻傳感器與微型超級電容器組裝得到一體式智能貼片，可以在用戶認證與安全通訊等方面作為3D touch使用，并進一步封裝成傳感陣列，具有靜態應力傳感與動態軌跡識別的功能。因此，通過集成化一體式結構設計與通用工藝性能優化，這種自驅動智能貼片在智能能量系統與人機交互等領域具有巨大潛力。

相關研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金等資助。