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柔性压力传感器新思路:在纸基电池上开发,无需外部供电
来源:电子技术设计 发表于 2024/3/27

研究团队的设计思路是将化学电池直接设计成传感器,形成自供电压力传感器,从而减少传感器中的器件数量,降低电路的复杂性……


柔性和可穿戴的触觉传感器在健康监测、人机交互等领域的重要性日益凸显。传统的电阻式或电容式传感器虽然广泛应用,但其仍需外部电源持续供能,而压电式和摩擦电式传感器则仅对动态机械刺激做出响应。为了克服这些限制,研究人员一直在探索开发无需外部电源、能够同时监测动态和静态机械刺激的触觉传感器。


近日,中国科学院深圳先进技术研究院的研究团队提出了一种基于化学电池反应的自供电柔性触觉传感器,可用于动态和静态机械刺激检测。相关成果以“a self-powered flexible tactile sensor utilizing chemical battery reactions to detect static and dynamic stimuli”为题发表在《纳米能源》上。


研究团队的设计思路是将化学电池直接设计成传感器,形成自供电压力传感器,从而减少传感器中的器件数量,降低电路的复杂性,为此,该团队提出了一种简单的纸基夹层固态zn-mno2电池,来作为传感器的自供电电源。


固态zn-mno2电池具有成本低、环保、安全性高、锌含量丰富等优点,而随着印刷技术的进步,纸张由于其卓越的柔韧性、低功耗也成为了实现先进柔性电子设备的十分有前途的柔性基材。


具体结构上,研究团队采用双面胶(3m)框架隔离固态zn-mno2电池的正极和电解液,使其在初始阶段不接触,并具有自粘性,因此,传感器在无压力的情况下处于开路状态,无法输出电信号,待机功耗也最小。而随着外部负载的升高,电极与电解液的接触面积不断增大,会导致传感器的界面电阻减小,输出电流增大,利用这种机械信号到电信号的转换就可以测量动态/静态压力。


传感器的框架结构

据了解,固态zn-mno2电池的开路电压为1.29v,最高短路电流密度为2.8ma/cm2,完全可以满足小型电子器件的供电需求。同时,作为压力传感器而言,其具有较高的灵敏度,在0-25 kpa范围内平均为1.27 μa/kpa,在25-500 kpa范围内平均为0.14 μa/kpa,响应时间为42 ms,恢复时间为41 ms,最小压力分辨率达到数十帕斯卡。


传感器应用效果

据悉,这种纸基柔性器件具有电池和传感器的双重特性,可以作为柔性电源进行重复充电和放电,同时实现小型化、柔性、耐用的触觉传感特性。传感器的制备过程简单、环保,利用纸张作为柔性的基底材料,不仅成本低廉,具有可降解性,并且还能够制造成不同的形状和尺寸,未来有望在医疗保健、人机界面等各个领域得到广泛应用。

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