具有超宽检测范围的超级电容器型自供电碳纳米管/聚氨酯基压力传感器

《Sensors and Actuators A: Physical》：Supercapacitor-type self-powered carbon nanotube/polyurethane-based pressure sensors with an ultrabroad detection range

　　

阿里·穆罕默德·莫伊努鲁|邓志颖|徐颖|祖国清

上海同济大学材料科学与工程学院聚合物材料系跨学科材料研究中心，邮编201804，中国

摘要

具有宽检测范围的电化学类型自供电柔性压力传感器在可穿戴电子设备和软体机器人领域具有广阔的应用前景，但其制备是一个重大挑战。本文报道了一种基于高弹性碳纳米管（CNT）/聚氨酯泡沫复合电极和聚离子液体（PIL）离子凝胶电解质的一体化超级电容器型自供电压力传感器，该传感器结合了微结构的CNT/聚二甲基硅氧烷（PDMS）层。随着外部压力的增加，电极和电解质的电阻降低，输出电流增加，从而具备压力传感能力。得益于其独特的多层分级结构，这些传感器表现出自供电压力传感特性，压力检测范围为18 Pa-3.5 MPa，并具有良好的循环稳定性。我们证明了这些压力传感器可用于监测人体运动/生理信号以及机器人抓手的触觉感知。这些结果凸显了超级电容器型压力传感器在自供电电子设备（包括可穿戴传感器、电子皮肤和人机接口）中的应用潜力。

引言

由于先进压力传感器在医疗保健、机器人技术、环境监测和智能电子等领域具有广泛的应用，其发展已成为一个关键的研究领域。这些传感器在检测和量化机械应力方面发挥着重要作用，能够实现实时监测并在动态系统中提供反馈[1]、[2]、[3]、[4]。在医疗保健领域，柔性且可穿戴的压力传感器对于无创监测生命体征（如血压、呼吸频率和脉搏）至关重要[5]、[6]、[7]。在机器人技术中，它们对于触觉感知和人机交互不可或缺，可作为人工皮肤检测压力和纹理，从而实现更精确的机器人控制[8]、[9]、[10]。最近的传感器技术进展主要集中在提高性能的同时降低功耗。传统的压力传感器通常依赖电池或有线系统等外部电源，这限制了它们在偏远或难以到达地区的应用[11]、[12]。为了克服这些挑战，研究人员越来越多地致力于开发自供电压力传感器。诸如摩擦电纳米发电机（TENGs）和压电纳米发电机（PENGs）等自供电技术已经出现，它们可以将机械运动转化为电信号，从而无需外部电源[13]、[14]、[15]。然而，摩擦电或压电压力传感器通常无法检测静态信号。此外，还开发了基于离子梯度和压阻效应的自供电压力传感器[16]。最近，也报道了电化学类型的自供电压力传感器，如电池型一体化传感器[17]、[18]。电化学类型的压力传感器可以检测静态和动态信号。在我们之前的工作中，我们开发了具有高柔韧性和动态/静态压力传感能力的超级电容器型自供电压力传感器[19]。然而，所报道的超级电容器型压力传感器在0–500 kPa的压力范围内的灵敏度低于0.2 kPa^-1，这限制了它们的应用。

碳纳米管（CNTs）和聚氨酯泡沫（PUF）的结合已被证明是开发高性能自供电压力传感器的有效策略[20]、[21]、[22]、[23]。CNTs以其优异的导电性、机械强度和热稳定性而闻名，非常适合提高柔性传感器的传感性能[24]。PUF具有轻质、柔韧和弹性等优点，是触觉和可穿戴传感应用的理想材料[25]、[26]。它在受压时可以变形并恢复而不会显著退化，使其成为柔性压力传感器的合适候选材料[9]、[25]、[27]、[28]。CNTs和PUF的协同效应可以使压力传感器具备良好的柔韧性以及优异的传感性能，如快速响应、高灵敏度和耐用性[29]、[30]、[31]、[32]。此外，构建微结构表面已被证明是提高压力传感器灵敏度的有效方法[33]、[34]、[35]。

本文报道了基于高弹性CNT/PUF复合电极和聚离子液体（PIL）离子凝胶电解质的一体化超级电容器型自供电压力传感器，该传感器结合了微结构的CNT/PDMS层。得益于其独特的结构，这些传感器表现出自供电压力传感特性，压力检测范围为18 Pa-3.5 MPa，灵敏度提高，循环稳定性良好。我们证明了这些压力传感器可用于监测人体运动/生理信号以及机器人抓手的触觉感知。这些自供电压力传感器在可穿戴传感器、电子皮肤和人机接口方面具有广泛应用前景。

章节片段

材料

聚氨酯泡沫（PUF）由江苏华谊泡沫科技有限公司提供。多壁碳纳米管（MWCNTs）水分散液从Timesnano购买。N,N'-亚甲基双丙烯酰胺（MBA，99%）、1-乙烯基-3-丁基咪唑四氟硼酸盐（[VBIm][BF4]，99%）、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（[BMIm][BF4]，99%）和2-羟基-4'-（2-羟基乙氧基）-2-甲基丙酮（Irgacure-2959，98%）从Adamas Reagent有限公司购买。所有化学品均按原样使用。

CNT/PUF多孔电极和离子凝胶电解质的制备

PUF/CNT电极的制备过程如图1a所示。PUF以其轻质、柔韧和多孔结构而闻名，作为复合材料的机械支撑层。在制备过程中，PUF浸入CNTs分散液中。浸泡后，泡沫干燥，使CNTs在泡沫结构中形成导电网络。CNTs以其优异的机械强度和导电性而闻名，非常适合提高传感性能

结论

总之，我们介绍了一种基于高弹性CNT/PUF多孔电极和微结构CNT/PDMS层以及离子导电PIL离子凝胶电解质的高性能自供电超级电容器型压力传感器的设计和制备方法。多孔电极、微结构层和离子凝胶的电阻降低导致电化学传感器的输出电流增加，从而使它们具备自供电压力传感能力。

A.M.M负责制备、表征和撰写论文。Z.D.和Y.X参与了表征工作。G.Z.负责监督、资金提供和手稿修订。

徐颖：撰写 – 审稿与编辑，验证。 邓志颖：撰写 – 审稿与编辑，验证。 阿里·穆罕默德·莫伊努鲁：撰写 – 原稿撰写，资源获取，调查，数据分析，数据整理。 祖国清：撰写 – 审稿与编辑，可视化，验证，资金获取，概念构思。

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

本工作得到了国家自然科学基金（62374113）的支持。作者感谢同济大学材料科学与工程实验中心的支持。

支持信息包括SEM图像、压缩应力-应变曲线、电极的电学性能、凝胶电解质以及我们的传感器与已报道的自供电压力传感器的典型性能对比（PDF格式）可免费获取。

阿里·穆罕默德·莫伊努鲁在徐州工业大学获得了应用化学学士学位。目前，她在同济大学材料科学与工程学院郭国清教授的指导下攻读硕士学位。她的当前研究重点是柔性压力传感器。