近年来，随着智能设备的不断发展，可穿戴电子设备呈现出巨大的市场前景。作为核心部件之一的柔性可穿戴电子传感器，以其装置的宽量程灵敏度、响应时间、便携性、使用舒适性和多功能集成等特点已经成为人们关注的热点，激发了国内外研究人员对柔性可穿戴电子传感器的研究和开发。
柔性传感器的优势让它有非常好的应用前景，包括在医疗电子、环境监测和可穿戴等领域。例如在环境监测领域，科学家将制作成的柔性传感器置于设备中，可监测台风和暴雨的等级；在可穿戴方面，柔性的电子产品更易于测试皮肤的相关参数，因为人的身体不是平的，柔性传感器可以有效利用这个优势实现对用户健康状态的实时监测。
在施加物体和皮肤之间的接触时，人类可以感知压力和温度并推断其材料特性。功能电子学的发展使我们能够实现人类皮肤某些触觉功能的策略。例如，我们已经在机器人技术和可穿戴式健康监测设备中实现了电子皮肤和柔性传感器，以检测周围环境中的应变，振动以及施加压力的方向。此外，还利用石墨烯通道来制作可拉伸的热敏电阻，并使用可拉伸的门控传感器来收集物体的温度。最近，使用铁电或有机热电材料的单个设备可以同时检测更多有趣的传感器。未来模仿人类皮肤特征的重要方向在于多功能感测的发展，尤其是在推测材料特性方面，而这一直是个挑战。
为了解决上述难题，近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士团队研究人员报道了一种由疏水膜和石墨烯/聚二甲基硅氧烷海绵组成的多功能传感器。
通过对海绵进行工程设计和优化，传感器的压力灵敏度达到15.22 kPa-1，响应时间小于74毫秒以及在超过3000次循环后仍具有很高的稳定性。在温度刺激的情况下，传感器通过热电效应显示1 K的温度感应分辨率。在与不同的扁平材料物理接触之后，该传感器可以基于接触感应带电产生输出电压信号。相应的信号又可以用来推断材料特性。这款多功能传感器的低成本和材料识别性能出色，为应对功能电子学的挑战提供了一种设计理念。这项工作以“Hierarchically patterned self-powered sensors for multifunctional tactile sensing”为题发表在国际顶级期刊《Science Advances》上。
图1 多功能传感器的结构和工作机理
该传感器主要由疏水性PTFE膜、双面胶带、石墨烯/PDMS海绵和两个Cu片组成。传感器设计包括两个垂直堆叠的有源部件，以实现对压力、温度和材料特性的独立识别。用作带电层的PTFE将通过胶带位于顶部Cu板上，该PTFE将与可感知物体的表面接触。与其他材料（例如聚氨酯，尼龙（聚酰胺）和聚对苯二甲酸乙二醇酯）相比，PTFE具有耐用性和防水性的优点。压力的感应机制是由于压阻感应，该感应利用电极与导电石墨烯/PDMS海绵之间的接触电阻。
图2 响应压力和温度的传感器的电气特性
图3 表征TENG的性能并从触觉感应的摩擦电信号中识别物体的材料
响应和恢复时间快于80毫秒，使传感器能够及时受到机械刺激。通过增加压力值，电流逐渐增加，显示出稳定且连续的波。在装卸测试中，传感器的电信号经过3000个循环后保持稳定，稳定的热电转换可以灵敏地检测温度变化。并且传感器具有出色的热稳定性，可以在不同条件下发挥出色的性能，使其适用于智能可穿戴元件以探测高温物体。
图4 传感器应用示例
综上所述，作者提出了一种使用疏水性PTFE膜和海绵状石墨烯/ PDMS复合材料制造多功能传感器的简单、低成本方法。利用复合材料的压阻特性和热电特性，这种传感器分别具有15.22 kPa-1和1 K的压力灵敏度和自供电温度感测精度，接触带电的使用可以对物体进行材料识别。这项工作为多功能传感器在可穿戴电子设备和机器人技术中提供了应用方法。
文献信息：
Hierarchically patterned self-powered sensors for multifunctional tactile sensing. (Science Advances, 2020, DOI:10.1126/sciadv.abb9083)
https://advances.sciencemag.org/content/6/34/eabb9083
文章来源：微算云平台
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