一种具有能量存储与应力监测功能的一体式自驱动传感贴片

随着柔性可穿戴电子的快速发展，能够准确快速响应身体健康信号变化的便携式传感器具有广阔的应用前景，受到了国内外科研学者的广泛关注。然而，现有的单一传感器受限于能量供给问题，限制了其在电子皮肤等领域的应用。

一方面，考虑到制备工艺简单成本低等优势，基于压阻原理的应力传感器能够有效感知形变，但是传统结构灵敏度较低；另一方面，采用超级电容器等微能源器件作为供能元件，但多为分离结构，系统集成度较低。因此，如何制备相匹配的微能源系统，更好的应用于可穿戴领域与健康监测方面，是一个亟待解决的巨大挑战。

近日，北京大学信息科学技术学院微纳电子学研究院张海霞教授课题组基于多孔CNT-PDMS导电弹性体，将制备得到的压阻应力传感器与微型超级电容器相结合，提出了一种具有能量存储与应力监测功能的一体式自驱动传感贴片，成功解决了集成度低与能量供给受限等问题。相关研究成果以“All-in-one piezoresistive-sensing patch integrated with micro-supercapacitor”为题，发表于纳米科学技术领域重要期刊Nano Energy上，博士研究生宋宇为论文第一作者，张海霞教授为通讯作者。

该一体式自驱动传感贴片为上下结构，上部分由微型超级电容器作为储能器件，下部分为压阻式应力传感器作为功能器件，两者均采用多孔CNT-PDMS导电弹性体作为电极材料。其中，多孔CNT-PDMS弹性体通过“溶液-挥发”方式制备，并借助于糖粉诱导产生多孔结构，同时具有良好的机械鲁棒性与电学稳定性。

对于功能器件，压阻传感器展现出了极高的灵敏度与稳定性，其力学性能与压阻性能之间具有一定的关联，并可以通过调控器件孔径、孔隙率、组成成分进一步优化其工作性能。对于能量存储器件，微型超级电容器采用叉指结构，借助于多孔导电弹性体比表面积大及电导性高等优势，展现出良好的循环稳定性与电化学性能，并在弯曲及按压状态下仍可以稳定工作。

将压阻传感器与微型超级电容器组装得到一体式智能贴片，可以在用户认证与安全通讯等方面作为3D touch使用，并进一步封装成传感阵列，具有静态应力传感与动态轨迹识别的功能。因此，通过集成化一体式结构设计与通用工艺性能优化，这种自驱动智能贴片在智能能量系统与人机交互等领域具有巨大潜力。

相关研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等资助。