隨著柔性可穿戴電子的快速發(fā)展，能夠準確快速響應(yīng)身體健康信號變化的便攜式傳感器具有廣闊的應(yīng)用前景，受到了國內(nèi)外科研學者的廣泛關(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，考慮到制備工藝簡單成本低等優(yōu)勢，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)測方面，是一個亟待解決的巨大挑戰(zhàn)。

近日，北京大學信息科學技術(shù)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(yīng)力傳感器與微型超級電容器相結(jié)合，提出了一種具有能量存儲與應(yīng)力監(jiān)測功能的一體式自驅(qū)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(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)動傳感貼片為上下結(jié)構(gòu)，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(yīng)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(fā)”方式制備，并借助于糖粉誘導產(chǎn)生多孔結(jié)構(gòu)，同時具有良好的機械魯棒性與電學穩(wěn)定性。

對于功能器件，壓阻傳感器展現(xiàn)出了極高的靈敏度與穩(wěn)定性，其力學性能與壓阻性能之間具有一定的關(guān)聯(lián)，并可以通過調(diào)控器件孔徑、孔隙率、組成成分進一步優(yōu)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(jié)構(gòu)，借助于多孔導電彈性體比表面積大及電導性高等優(yōu)勢，展現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性與電化學性能，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(tài)應(yīng)力傳感與動態(tài)軌跡識別的功能。因此，通過集成化一體式結(jié)構(gòu)設(shè)計與通用工藝性能優(yōu)化，這種自驅(qū)動智能貼片在智能能量系統(tǒng)與人機交互等領(lǐng)域具有巨大潛力。

相關(guān)研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金等資助。