高可压缩性自驱动健康监测系统取得新进展
【引言】
随着柔性可穿戴电子的快速发展，研究者在不断追寻匹配的能量单元与功能器件，而考虑到实际的应用情况，可穿戴设备已经不仅仅需要满足柔性轻便等基本特点，更需要在非平面与有限空间内保持稳定工作的能力，因而具有一定的可压缩能力对整个系统显得尤为重要。但是，现有的大部分功能器件无法在应变情况下稳定工作，并且当应力过大情况时还容易失去原有的功能。一方面，考虑到制备工艺简单成本低等优势，压阻传感器被广泛应用于人体动作监测，但是传统的结构对于小应变灵敏度不够，仍存在一定得制约。而另一方面，为了持续稳定的供能，传统的超级电容器虽然具有良好的电化学性能，但是无法满足较大应变下稳定工作的需求。因此，如何制备具有可压缩性的自驱动集成电子系统，并应用可穿戴领域与健康监测方面，是一个亟待解决的巨大挑战。
【成果简介】
近日，北京大学微电子学研究院张海霞教授（通讯作者）等人在材料领域顶尖期刊Small上发表了题为“Highly-Compressible Integrated Supercapacitor-Piezoresistance-Sensor System with CNT-PDMS Sponge for Health Monitoring”的研究进展，报道了一种基于多孔海绵结构的可压缩超级电容器-压阻传感器自驱动系统，博士研究生宋宇为论文第一作者。
该团队通过制备多孔海绵结构，并将其分别应用于压阻传感器与可压缩超级电容器中，通过直接贴附于人体表面，得到可用于人体健康监测的自驱动可穿戴系统。一方面，这种多孔海绵结构具有较高的灵敏度，能够对较大范围的应力应变进行多次稳定测试，对人体各个部位多种形变进行准确识别；另一方面，利用多孔海绵结构导电性良好以及机械性能优异等优势，组装成可压缩超级电容器，可以在较大应变的情况下保持稳定的电化学性能，持续稳定为自驱动系统供能。通过可压缩超级电容器驱动压阻传感器，这种集成的自驱动系统可以应用于人体各个部位，对语音识别、运动状态以及呼吸情况进行稳定测试，在实时健康监测以及主动式人机交互等领域具有潜在的应用前景。
【图文导读】
图1 高可压缩超级电容器-压阻传感器系统示意图及制备表征
(a)基于CNT-PDMS多孔海绵的高可压缩超级电容器-压阻传感器系统示意图。
(b)CNT-PDMS海绵的制备工艺流程图。
(c)多孔PDMS海绵的SEM图像。
(d)多孔CNT-PDMS海绵的SEM图像。
图2 多孔海绵的制备表征与应力应变特性
(a-c)方糖、PDMS海绵和CNT-PDMS海绵的实物图与接触角。
(d-e)在不同浓度的CNT溶液滴涂过程中，电阻和海绵质量变化随滴涂次数的变化。
(f)多次滴涂后，CNT-PDMS海绵电阻的稳定性分布。
(g)不同应变下，CNT-PDMS海绵的应力应变曲线变化图。
(h)相同应变下，PDMS海绵与CNT-PDMS海绵应力应变曲线对比。
(i)多次压缩情况下，CNT-PDMS海绵电阻的循环稳定性。
图3 基于CNT-PDMS海绵的压阻传感器性能表征
(a)压阻传感器应力监测模型图，显示导电骨架的接触面积随应力应变的变化。
(b)使用推拉力计对压阻传感器进行相关测试。
(c)不同压阻传感器在不同压缩应力下的电阻响应。
(d)不同压缩应力下压阻传感器的电流-电压曲线。
(e)压阻传感器的应力响应曲线。
(f)不同应力下多次压缩释放过程的电阻响应曲线。
(g)不同应变下多次压缩释放过程的电阻响应曲线。
(h)不同应变下的电阻响应变化曲线。
图4 可压缩超级电容器电化学性能表征
(a)可压缩超级电容器在压缩释放过程的抗压能力示意图。
(b)循环伏安图。
(c)体积比电容随扫描速率变化图。
(d-e)可压缩超级电容器循环伏安图与体积比电容随不同压缩比例变化图。
图5 可压缩自驱动系统用于可穿戴式健康监测
(a)通过可压缩超级电容器驱动压阻传感器，贴附于人体喉咙表面用于监测人体喉部动作。
(b-c)发出不同单词或者喝水时记录的压阻传感器电阻响应。
(d)可压缩自驱动系统贴附于腿部用于监测人体运动状态。
(e)人体走路、慢跑以及快跑时记录的自驱动系统电流变化。
(f)通过自驱动系统检测人体呼吸状态原理图。
(g-h)人体运动之后以及睡眠状态下记录的自驱动系统电流变化。
【小结】
本文采用简单快速的方法制备一种多孔海绵结构，分别应用于压阻传感器与可压缩超级电容器中，并集成为一种可压缩式自驱动系统。通过对糖模具进行倒膜并滴涂碳纳米管溶液，形成的多孔CNT-PDMS海绵具有较高的电导率与较好的机械强度。因而得到的压阻传感器具有较高的灵敏度并可以监测各种应力信号，同时可压缩超级电容器能够在较大的应变下保持稳定的工作性能。这种可压缩集成系统可以不受工作环境的制约，贴附于人体各个部位，通过可压缩超级电容器进行能量供给，驱动压阻传感器高效稳定工作，对人体各种动态进行监测，在识别人体生理运动和实时健康监测方面有着巨大的应用潜力。
文章链接：Highly Compressible Integrated Supercapacitor–Piezoresistance-Sensor System with CNT–PDMS Sponge for Health Monitoring (Small. 2017, DOI:10.1002/smll.201702091)
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201702091/full
