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Alice Wonderlab最新成果: 高可压缩性自驱动健康监测系统 精选

已有 2550 次阅读 2017-8-11 21:42 |个人分类:科研心得|系统分类:科研笔记|关键词:超级电容 健康监测

【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研究小组在材料领域顶尖期刊Small》上发表了题为“Highly-CompressibleIntegrated Supercapacitor-Piezoresistance-Sensor System with CNT-PDMS Spongefor 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】

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。

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。

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。

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。

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 CompressibleIntegrated Supercapacitor–Piezoresistance-Sensor System with CNT–PDMS Spongefor Health Monitoring (Small. 2017, DOI:10.1002/smll.201702091)

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201702091/full




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