一种用于温度传感的自供电灵活透明智能贴片

前言

复杂功能集成到便携式平台中的可穿戴电子设备，因其在许多新应用中的潜在用途而得到了快速发展，例如人机界面设备和远程实时健康监控。在所有功能中，温度传感是可穿戴传感系统的重要组成部分，因为温度不仅是人体健康监控中的重要参数，也是周围环境监控中的重要参数。由于可穿戴电子设备需要在物体表面做出反应，因此设备的灵活性是一项基本要求。通过选择合理的材料，如银纳米线、碳纳米管和石墨烯，一系列可拉伸的温度传感器已经被展示出来。 这使得用户不可避免地要经常通过外部电源充电，这带来了很多不便。 如何集成可持续为传感系统提供能量的电源单元是可穿戴电子设备走向实用化的关键。在建立灵活的自供电传感系统的所有努力中，摩擦电纳米发电机(TENG)提供了一个潜在的解决方案，可持续地为电子系统发电，因为它可以连续地将机械能转化为电能。然而，由于内部电容依赖的输出特性，TENG通常具有非常大的阻抗，大约在100 MΩ 。这将导致对储能装置充电的低能量传输效率，因为它们通常具有相对低的阻抗。因此，需要一个合适的电源管理电路来调节产生的电能，以便可以有效地充电到储能装置。

研究内容

北京大学的研究人员开发了一种灵活透明的自供电温度传感智能贴片。三个功能部分巧妙地集成在一起:用于能量收集的单电极TEG、用于电源管理的柔性电路和用于温度绘图的基于还原氧化石墨烯(rGO)的传感阵列。基于简单的喷涂工艺，TENG和温度传感器可以集成到一个灵活的模板中。在电源管理电路(PMC)的调节下，从热电装置产生的电能可以有效地充电到电容器，然后电容器可以为温度传感器供电。由于rGO传感材料的高电阻，系统的功耗相当小。100低频的电容可以在105秒内充电到1伏，并驱动温度传感器连续工作100秒。这里开发的器件架构不仅避免了复杂的制造过程，而且为建立自供电传感系统提供了一种可行的方法。

实验方法

温度传感器和TENG是基于简单的喷涂工艺制造的，而电路是基于传统的柔性印刷电路板(FPCB)工艺制造的。附着在杯子上的成品装置，其显示了极好的灵活性。除了电源管理模块，PDMS部分显示了良好的透明度，这可以使设备下方的图片清晰可见。3D微结构在作为摩擦层工作时可以大大增加接触面积，从而提高输出性能。

制造过程

TENG的输出性能

温度传感器的传感性能。

传感系统和温度传感器矩阵的性能

结论

研究人员展示了一种灵活透明的自供电智能贴片，它通过简单的喷涂工艺将TENG和温度传感器阵列集成到一个基板上。先前描述的电源管理电路用于提高系统的充电效率。与传统电路相比，PMC可以在480秒的相同充电时间内将100低频电容的充电电压提高2.08倍。由于温度传感器的高电阻，充电至1伏的100低频电容可以驱动传感器连续工作至少100秒。这项工作表明了一种使用纳米材料生产灵活的自供电传感系统的简便制造工艺。附加的传感器和通信单元可以很容易地集成到补丁中，以实现未来的远程健康监测或人机界面。

https://doi.org/10.1063/1.5134526。