一种集成了摩擦电效应与热电转换效应的柔性自供电温压一体化电子皮肤

1、研究背景：

近年来，随着未来社会智能化程度的发展，电子皮肤作为未来可穿戴电子设备网络中的核心，具备多功能、超薄、低功耗甚至零功耗、良好的灵活性与生物相容性具有重要意义。为了实现多功能的电子皮肤，多种类型的传感器被集成在了柔性基底上。然而，随着多种传感器的集成，使得整个电子皮肤系统的耗能显著增加。目前的刚性电力单元限制了电子皮肤的超薄厚度和柔性，需要频繁充电和更换电池。此外，大多数多功能电子皮肤都是基于对具有不同功能的单个传感器的简单集成。这种多单元传感器成本和体积的增加限制了它们的应用。在单一器件上实现多功能感知是开发多功能电子皮肤的一种有效解决方法，该方法避免了复杂的制造过程与昂贵的成本。但是其机制复杂，多个传感信号往往耦合在一起，给信号识别带来了极大难度。

2、成果简介：

近期，苏州大学功能纳米与软物质研究院孙旭辉教授团队提出了一种集成了摩擦电效应与热电转换效应的柔性自供电温压一体化电子皮肤。该电子皮肤能够同时感应出温度与压力刺激，并且将压力和温度刺激分别转换为两个独立的电压信号。该电子皮肤的温度传感通过自然温度梯度实现自供电，最小分辨率为0.5 K，灵敏度达到220 µV/K。基于摩擦电的自供电压力传感器可以在宽范围内（1 Pa - 100 kPa）检测压力，最高灵敏度达到1.394 V/kPa。此外，在开发的一体化器件中，PEDOT:PSS掺杂MCNTs组成的复合薄膜同时作为温度传感层与电极层，水平方向上的热电偶薄膜对温度具有敏感性，而基于摩擦电的自驱动压力传感器对垂直方向上的压力具有敏感性。通过器件结构的创新设计实现了温度与压力传感信号的分离，因此不需要开发额外的算法或者进行复杂的解耦计算。更为重要的是，所有这些传感功能不需要外部电源即可实现，并且能保持相当好的稳定性。我们的工作为无源多功能电子皮肤的发展提供了一个很有前途的原型，它在柔性可穿戴设备和人工智能感知中具有巨大的应用潜力。

该工作以”Energy Autonomous Electronic Skin with Direct Temperature-Pressure Perception”为题发表在Nano Energy上，文章第一作者是苏州大学硕士研究生陈云峰。该研究得到国家自然科学基金委的支持。

原文链接：

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

3、论文图解：

柔性自供电温压双功能电子皮肤（STPES）传感机制

柔性自供电温压双功能电子皮肤（STPES）传感性能

柔性自供电温压双功能电子皮肤（STPES）对加载-卸载压力和温度刺激循环的响应

柔性自供电温压双功能电子皮肤（STPES）在模拟人机交互场景中的演示

4、总结与展望：

为了构建一种柔性电子皮肤具备多功能传感信号的有效分离以及相应的能源可持续性，本论文提出了多效应耦合多功能电子皮肤的概念；通过开发低功耗，甚至能源自主的多功能电子皮肤来提升实用性；对多效应耦合的机理进行深入研究来提升多功能电子皮肤的传感性能；避免解耦多功能电子皮肤传感信号，有效分离不同传感信号。通过自驱动效应耦合构建自驱动多功能电子皮肤传感系统，为推动电子皮肤集成化、实际应用发展提供了有效思路。我们的工作为无源双参数电子皮肤提供了一个很有前途的原型，它在柔性可穿戴设备和人工智能感知中具有巨大的应用潜力。

审核编辑 ：李倩