开发多功能、高灵敏度的传感器有利于促进柔性电子器件和人机交互系统的发展。研究人员正在致力于探索能够实现广泛的检测、多功能和低功耗的主动式传感材料。近年来，柔性传感器已被广泛应用于各种先进设备中，高灵敏度的柔性压力传感器对于实现灵敏和有效的检测至关重要。
近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士和孙其君研究员团队展示了一种多功能的离子凝胶纤维膜，用于构建离子电容式传感器和TENG，以实现多功能应用，包括应变映射、脉搏检测、动态监测和能量采集。所制备的离电传感器（iontronic sensor）具有稳定的良好灵敏度和可重复性，可以有效地检测人手腕处的脉搏波形，并能够通过电容式传感矩阵映射压力分布。离电TENG展示出54.56μW的最大峰值功率，可以很好地为便携式电子设备供电。此外，所制备的离电TENG阵列可以实现交互式、快速响应和精确的动态监测，这拓宽了对直接和有效的传感设备的探索。所展示的多功能离子凝胶纤维膜有望为生理检测、生物力学能量采集、人机交互和自供电监测系统提供一种出色的方案。该成果以“Versatile Ion-Gel Fibrous Membrane for Energy-Harvesting Iontronic Skin”为题发表在Advanced Functional Materials上。
图1. 离子凝胶纤维膜的结构和应用示意图。a）离子凝胶纤维膜的结构示意图。b）P(VDF-HFP）和[EMIM][TFSI]的化学结构。c）通过静电纺丝制备的离子凝胶纤维膜的照片。d–f）具有不同离子液体浓度的离子凝胶纤维膜的光学显微镜图像。g)基于多功能离子凝胶纤维膜的离子电子电容传感器和TENG的应用示意图。
随着浓度的增加，更多的离子液滴粘附在缠结的P(VDF-HFP)纤维上。在后续测试中，制备的不同离子溶液浓度和膜厚度的离子凝胶膜用来研究离电电容传感器的性能。
图2. 基于离子凝胶纤维膜的两种不同传感器的工作原理。a）离电电容器和b）TENG的工作机制。
图3. 离电电容传感器的传感特性。a）不同的离子液体浓度和b）不同厚度的离子凝胶纤维膜，比电容与频率的关系。c）传感器的归一化压力灵敏度。d）不同压力下的归一化电容变化。e）归一化电容随施加压力的变化。f）传感器的连续拉伸循环。g）传感器稳定性的表征。h）分别在不同温度下进行稳定性测试。i）传感器对施加应变的响应。
离电电容传感器在低压范围内表现出高灵敏度和高稳定性。
图4. 离电TENG的电学输出性能。a）离电TENG与丁腈接触过程的示意图。b）用于交互式控制的TENG触觉阵列的工作过程示意图。c）不同尺寸的离电TENG的电信号。离电TENG在接触分离模式下的的电学输出，包括d）ISC、e）VOC、和 f）QSC。g）连接不同外部负载时电流和电压之间的关系。h）瞬时功率作为外部负载电阻的函数。（i）离电TENG为不同的商用电容器充电曲线。
离电TENG的最大功率为54.5 μW，可用于能量采集和为商用电容器充电，通过与微控制器集成，可用于交互式的动态监测。
图5. 离电电容传感器和离电TENG的交互应用。a）4×4像素的传感矩阵和相应的应变传感分布。b）人体脉搏信号的检测波形。c）离电TENG阵列的电信号。d）由九个离电TENG组成的动态监测阵列的操作和轨迹示意图。e）离电TENG自供电系统的等效电路图。f）在离电TENG为电容器充电和为电子手表供电时对电容器电压进行实时测试。g）通过离子电子TENG为电子手表供电，以及（h）为温湿度计供电。
多功能离子凝胶纤维膜表现出优异的灵敏度和便利性，通过与微控制器集成，有望用于更简便、更复杂的柔性电子器件，如实时动态反馈系统、生物医学监测系统、离子传感器、人机界面、能量采集装置等。
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202303723
