自供電傳感
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2026-01-04
自供電傳感的實(shí)例教程
image_process=/format,webp/resize,w_219" alt="基于comsol的鋰電池疊片電化學(xué)耦合熱分析的圖1" width="219"></span></p><p><br></p><p> <img src="https://img.jishulink.com/upload/202012/03b6f11d1d224b0e917dfb3107ee9959.gif"> </p><p> 之前在NANO有一篇論文，描述了自供電運(yùn)動(dòng)傳感器仿真，采用了摩擦發(fā)電的原理：</p><p><span style="color: rgb(102, 102, 102); background-color: transparent;">摩擦納米發(fā)電機(jī)因其制備簡(jiǎn)單,瞬時(shí)功率大,成本低等優(yōu)勢(shì),在環(huán)境能量采集和自供電傳感器設(shè)計(jì)方面具有廣泛的應(yīng)用前景.為了激發(fā)學(xué)生對(duì)這一前沿領(lǐng)域的興趣和科研熱情,拓寬學(xué)生的知識(shí)面,該文設(shè)計(jì)了基于摩擦發(fā)電的高靈敏度自供電加速度傳感器.通過選取摩擦靜電序列差異較大的摩擦副材料,提高傳感器的輸出性能.金屬質(zhì)量塊置于摩擦副的上表面,通過響應(yīng)環(huán)境振動(dòng)信號(hào)來驅(qū)動(dòng)摩擦層進(jìn)行接觸分離運(yùn)動(dòng),使傳感器輸出與振動(dòng)信號(hào)振幅對(duì)應(yīng)的電信號(hào).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所研制的傳感器無需外界電源供電,其輸出靈敏度高達(dá)20.4 V/(m·s~(–2)),可廣泛用于實(shí)驗(yàn)室物品掉落,傾倒,人體摔倒等振動(dòng)信號(hào)檢測(cè).相關(guān)教學(xué)實(shí)驗(yàn)提高了學(xué)生的科研素養(yǎng),創(chuàng)新思維和工程實(shí)踐能力.
展開 2.3自供電MCP水凝膠傳感器的組裝和應(yīng)用
MCP水凝膠具有極佳的可拉伸性，類似皮膚的楊氏模量，導(dǎo)電性，抗干燥和抗凍性以及透明性，是可穿戴應(yīng)變傳感器制造的有希望的候選者。此外，與以前報(bào)道的可穿戴傳感器不同，MCP水凝膠可以實(shí)現(xiàn)自供電的應(yīng)變感應(yīng)。圖5a描繪了自供電基于水凝膠的壓力和應(yīng)變傳感器的組裝過程。詳細(xì)地，將鋅和銅片放在20 wt％MCP水凝膠的上表面和下表面，然后連接到電線。如圖5b和c所示，自供電傳感器可以通過相對(duì)電流的變化快速，穩(wěn)定地響應(yīng)壓力和應(yīng)變信號(hào)。
圖
5
a）由20 wt％MCP水凝膠組裝而成的自供電壓力和應(yīng)變傳感器的示意圖。傳感器相對(duì)于（b）壓縮和（c）應(yīng)變的相對(duì)電流變化。（d）壓縮和拉伸過程中電阻和電流變化的示意圖。（e）不同角度的手臂彎曲。（f）在
?
24°C時(shí)進(jìn)行壓力感應(yīng)。（g）自供電傳感器的應(yīng)變傳感穩(wěn)定性。
除了實(shí)現(xiàn)應(yīng)變感應(yīng)之外，水凝膠傳感器還可以在極端環(huán)境下為小型電子設(shè)備供電。
如圖6a所示，組裝了由8個(gè)水凝膠單元組成的自供電離子皮膚，并實(shí)現(xiàn)了約4.4 V的最大輸出電壓（圖6b）。離子皮膚可以很容易地為蜂鳴器供電（圖6c）并在-20°C和40°C下點(diǎn)亮LED燈泡（圖6d）。此外，離子皮膚還可以用作自供電運(yùn)動(dòng)感應(yīng)的大面積可穿戴傳感器（圖6e）。以上結(jié)果支持這樣的結(jié)論，即自供電傳感器可以應(yīng)用于各種極端和能源匱乏的環(huán)境。
圖
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（a）是使用自供電的MCP水凝膠基皮膚組裝而成的串聯(lián)電路的示意圖。（b）開路電壓隨水凝膠單位數(shù)量的串聯(lián)而變化。（c）離子皮膚激活蜂鳴器。（d）-20°C和40°C的離子皮膚照明小燈泡的照片。（e）自供電離子皮膚的應(yīng)變感應(yīng)過程。
【結(jié)論】
簡(jiǎn)而言之，成功設(shè)計(jì)并制造了以水果電池為靈感的經(jīng)濟(jì)型自供電水凝膠離子皮膚。
展開 PES在iHMI中的應(yīng)用
(a) PES檢測(cè)握力器握力的照片
(b) 不同握力下PES的短路電流輸出
(c) PES檢測(cè)書本開合狀態(tài)的照片
(d) 書本在不同開合狀態(tài)下PES的短路電流輸出
(e) 人機(jī)無線控制系統(tǒng)示意圖
(F) 基于PES的手勢(shì)遠(yuǎn)程控制的應(yīng)用
【小結(jié)】
研究者通過電紡絲的方法成功地制備了豇豆結(jié)構(gòu)PVDF/ZnO納米纖維，并展示了其作為柔性自供電壓電傳感器用于壓力傳感和彎曲運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用。所制備的PES在不需要外部電源的情況下既可以在壓力模式也可以在彎曲模式下工作，并具有良好的柔韌性和高靈敏度。通過監(jiān)測(cè)信號(hào)的無線傳輸，進(jìn)一步成功實(shí)現(xiàn)了從人類手指到機(jī)器人手掌自供電的實(shí)時(shí)手勢(shì)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。更重要的是，PES的優(yōu)異性能使其很容易地集成到測(cè)量系統(tǒng)中，在iHMI的物理信號(hào)監(jiān)測(cè)、手勢(shì)傳感等應(yīng)用方面具有巨大的應(yīng)用潛力。
來源：材料人
展開 作者的發(fā)現(xiàn)為下一代自供電電子產(chǎn)品提供了一個(gè)通用平臺(tái)。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1 :雙光柵圖案化高性能超柔性O(shè)PV的設(shè)計(jì)
圖2 :雙光柵圖案超柔性O(shè)PV的機(jī)械耐久性
圖3 :超柔性自供電集成器件的設(shè)計(jì)
圖4 :由自供電超柔性傳感器記錄的心臟信號(hào)
【總結(jié)】
該文的傳感器系統(tǒng)包括兩個(gè)組件:一個(gè)由柔性有機(jī)電子器件組成的模擬組件，用于檢測(cè)生物特征信號(hào)；一個(gè)由硅制成的數(shù)字組件，用于數(shù)據(jù)傳輸。在這項(xiàng)工作中，作者特別關(guān)注模擬組件，它顯示出非常穩(wěn)定的信號(hào)，并由超柔性有機(jī)光伏電池供電。因此，自供電模擬和數(shù)字組件的組合提供了一種實(shí)現(xiàn)獨(dú)立、完全自供電、可佩戴傳感器系統(tǒng)的方法。該工作可以從以前報(bào)道的超柔性O(shè)PVs的發(fā)展里程碑的背景來看:在這里，1D雙光柵圖案的高功率單位重量OPVs已經(jīng)與功能性電子器件相結(jié)合來制備自供電共形傳感器，并且解決了剛性O(shè)PVs和柔性O(shè)PVs之間的PCE差異。作者的方法為超柔性有機(jī)電源與功能性電子設(shè)備的集成開辟了道路，無需外部電源連接即可精確、靈敏、連續(xù)地采集生物信號(hào)
文獻(xiàn)鏈接：Self-powered ultra-flexible electronics via nano-grating-patterned organic photovoltaics, (Nature, 2018, DOI: 10.1038/ s41586-018-0536-x)
展開 近日，中科院大連化物所催化基礎(chǔ)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室二維材料化學(xué)與能源應(yīng)用研究組（508組）吳忠?guī)浹芯繂T團(tuán)隊(duì)與薄膜硅太陽電池研究組（DNL1606）劉生忠研究員團(tuán)隊(duì)合作，開發(fā)出一種水系MXene/PH1000雜化墨水，利用噴墨打印技術(shù)高精度、規(guī)?；苽涑龈唧w積容量的微型超級(jí)電容器，并構(gòu)建出平面全柔性自供電溫度傳感系統(tǒng)。
隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，便攜式和可穿戴微型電化學(xué)儲(chǔ)能器件不僅需要高的電化學(xué)性能，還要求具有柔性、長(zhǎng)壽命、可定制形狀以及與微電子兼容集成等特性。將產(chǎn)能、儲(chǔ)能和用能器件集成于一體，構(gòu)建自供電系統(tǒng)可以解決可再生能源發(fā)電間歇性的問題。目前，這類集成微系統(tǒng)大多采用多種制造技術(shù)，如光刻、激光切割、電沉積等，不能保證良好的兼容性和低成本。噴墨打印是一種高精度、非接觸、無需掩模板的打印技術(shù)，被認(rèn)為是一種可定制化設(shè)計(jì)智能柔性電子產(chǎn)品有前景的策略。然而，制備性能穩(wěn)定、可打印、環(huán)境友好的墨水仍具有挑戰(zhàn)。
近日，該合作團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種水系MXene/PH1000雜化墨水，具有高電導(dǎo)率、可調(diào)的粘度、卓越的打印性及長(zhǎng)期穩(wěn)定性，可同時(shí)作為高電容電極、高導(dǎo)電集流體、無金屬連接線和導(dǎo)電粘合劑。噴墨打印的微型超級(jí)電容器具有754 F/cm3的高體積電容量，5.4 V/cm2的高面電壓，60個(gè)串聯(lián)的無金屬集流體和連接線的微型超級(jí)電容器可以輸出高達(dá)36 V的電壓。此外，合作團(tuán)隊(duì)還在柔性襯底上打印微型超級(jí)電容器與溫度傳感器，同時(shí)與柔性硅薄膜太陽電池集成，構(gòu)建了全柔性自供電溫度傳感集成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度變化的即時(shí)監(jiān)測(cè)。該水系MXene雜化墨水為構(gòu)建可打印的自供電微系統(tǒng)開辟了新的途徑。
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自供電傳感的最新內(nèi)容
此外，利用TI-TENG作為自供電可穿戴傳感器和人機(jī)交互界面，開發(fā)了一種智能人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和戶外無線信號(hào)傳輸系統(tǒng)，可在戶外活動(dòng)中一鍵呼叫緊急救援。TI-Textile的大規(guī)模生產(chǎn)也為TENG提供了巨大的商業(yè)潛力，為多功能可穿戴設(shè)備的自供電傳感、能量收集和人機(jī)交互提供了新的研究方向。
這些氣凝膠纖維可以打結(jié)或編織成紡織品，在惡劣環(huán)境(-196 ~ 400°C)中使用，并表現(xiàn)出敏感的自供電傳感能力。這種開發(fā)氣凝膠纖維的方法擴(kuò)大了高性能聚合物纖維的應(yīng)用范圍，在未來可穿戴智能防護(hù)織物的應(yīng)用中具有很大的潛力。
隨著環(huán)境能量收集技術(shù)的研究與發(fā)展,自供電無線傳感器節(jié)點(diǎn)的出現(xiàn)可以在很大程度上緩解能量瓶頸并改善網(wǎng)絡(luò)性能[3,4,5,6,7]。文獻(xiàn)[5,6]提出利用傳感器所處環(huán)境的風(fēng)能和太陽能來為傳感器持續(xù)供電,卻忽略了能量采集的效率問題。文獻(xiàn)[7]提出利用風(fēng)致振動(dòng)的能量來驅(qū)動(dòng)傳感器運(yùn)行,但復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的能量損失和設(shè)備的穩(wěn)定性問題有待考證。
汽車自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)，英文縮寫是AFS（Adaptive Front Lighting System）.它是一種能夠自動(dòng)改變兩種以上的光型以適應(yīng)車輛行駛條件變化的前照燈系統(tǒng)，是國際上在車燈照明上的新技術(shù)之一，它的研發(fā)對(duì)汽車夜晚行車安全起到了很大的作用。
AFS是一個(gè)由傳感器組、傳輸通路、處理器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的系統(tǒng)。由于需要對(duì)多種車輛行駛狀態(tài)做出綜合判斷，客觀上決定了AFS是一個(gè)多輸入多輸出復(fù)雜的系統(tǒng)
這種創(chuàng)可貼不僅可以像傳統(tǒng)創(chuàng)可貼一樣用來療養(yǎng)傷口，還可以實(shí)現(xiàn)自供電的活動(dòng)傳感和人機(jī)互動(dòng)交流，為研發(fā)多功能傳感器件提供了一種廉價(jià)、方便和高效的方案，為可穿戴柔性智能電子器件的創(chuàng)新性發(fā)展開辟出廣闊發(fā)展空間。
眾所周知，傷后皮膚完整性、內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定和保護(hù)功能的恢復(fù)對(duì)人類的生命健康至關(guān)重要。并且對(duì)于慢性或非愈合性傷口，由于損傷部位的氧化應(yīng)激過多嚴(yán)重阻礙了愈合，需要長(zhǎng)期的治療和護(hù)理。傷口處活性氧（Reactie oxygen species，ROS）的大量積聚會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的炎癥反應(yīng)，降低內(nèi)源性干細(xì)胞和巨噬細(xì)胞對(duì)皮膚組織再生能力
當(dāng)液體與固體相接觸時(shí)，在二者的界面處會(huì)形成雙電層，這是電化學(xué)、微流體學(xué)和膠體化學(xué)等許多研究領(lǐng)域的基礎(chǔ)。近期的一些研究表明，在不同的環(huán)境刺激下，液固界面雙電層的動(dòng)態(tài)變化可以對(duì)外輸出電功，例如濕度變化、水蒸發(fā)發(fā)電等。此外，機(jī)械運(yùn)動(dòng)也可以引起固-液界面的動(dòng)態(tài)變化，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械能-電能的轉(zhuǎn)換。前期的一些工作報(bào)道了基于水滴與介電聚合物間動(dòng)態(tài)界面的發(fā)電器件
在心血管疾病領(lǐng)域，開發(fā)能夠長(zhǎng)期隨體預(yù)防、診斷和治療的可植入裝置是至關(guān)重要的，此類設(shè)備通過長(zhǎng)期記錄生理參數(shù)，提醒個(gè)人及醫(yī)生異常生理特征以及潛在健康風(fēng)險(xiǎn)。為了縮短心律失常的搶救時(shí)間和提高治療效率，對(duì)可植入器件提出了閉環(huán)監(jiān)測(cè)和精確控制的需求。光遺傳學(xué)因?yàn)榫哂屑?xì)胞選擇性、高時(shí)空準(zhǔn)確性和節(jié)律調(diào)控性等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是一種在大腦和心臟疾病等領(lǐng)域具有相當(dāng)前景的技術(shù)
同時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注了化學(xué)功能化策略在弱化固體材料和液體材料起電性能的最新進(jìn)展，并進(jìn)一步闡述了弱化固-液摩擦起電在自供電化學(xué)傳感、物理傳感、靜電效應(yīng)消除等方面應(yīng)用的重要意義。最后討論了當(dāng)前該領(lǐng)域內(nèi)化學(xué)功能化在固體表面改性和液體分子修飾方面存在的問題及挑戰(zhàn)。
柔性多功能光-電傳感材料在可視化傳感、健康監(jiān)測(cè)和自供電傳感中的應(yīng)用
如圖5，材料在可穿戴領(lǐng)域展示出廣泛的應(yīng)用前景，不僅可以準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)人體不同部位的脈搏，還可以從已得的脈搏信號(hào)中獲取并分析生理參數(shù)對(duì)人體進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)及評(píng)估。此外，電子皮膚通過明顯的熒光分布以及同步且準(zhǔn)確的彎曲傳感行為，可以清晰地分辨出手指的彎曲角度及不同手勢(shì)，實(shí)現(xiàn)其在可視化傳感方面的應(yīng)用。
