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首页 > 学术中心 > 行业资讯 > 青岛大学龙云泽教授ACS Nano:基于压电纳米发电机的仿生单电子皮肤单元
 

青岛大学龙云泽教授ACS Nano:基于压电纳米发电机的仿生单电子皮肤单元

 
发布日期:2018-08-28
 

最近,基于单电极的摩擦电传感器TENG(STENG)将可以两个电极减少到一个,其降低了电子皮肤的复杂性。但是,TENG基电子皮肤更适用于动态追踪,却无法提供有关温度的信息。实际上,单电极传感器依赖于电荷转移,大多数纳米发电机都可以实现。所以基于压电纳米发电机(PENG)传感器也将实现单电极组态。作为优良的高分子压电材料,聚偏二乙烯氟化物(PVDF)具有柔韧性、低密度、低热性导电性和高化学稳定性,这些特性与人体皮肤想吻合。凭借其压电性,PVDF可以用于触觉传感器阵列、低价应变计和轻量级音频传感器。电纺 PVDF超薄光纤没有常规极化条件下直接用于发电和传感。静电纺丝有利于制备大规模纤维膜,有利于规模化生产这种电子皮肤。

    近日,青岛大学龙云泽教授团队在著名国际期刊ACS Nano发表题目为“Bionic Single-Electrode Electronic Skin Unit Based on Piezoelectric Nanogenerator”的文章。该研究基于静电纺PVDF纳米纤维的单电极压电纳米发电机(SPENG),其可以在一个单元上实现压力的稳态传感和冷/热传感。单电极配置引入稳态传感,当压力保持不变时,会有电压输出,当压力消失时,电压消失;这个压电电压仅取决于压力而且传感器区域改变时不会改变。而且,冷和热传感显示脉冲信号,因此可以很容易地分离压力信号。用氧化铟锡(ITO)玻璃很容易地实现透明的传感器的透明界面。研究者测试了电子皮肤压力、温度传感性能和映射。因此,使用成本效益的PVDF和非常简单的静电纺丝法可大规模的制备PVDF纳米纤维,由此构建的电子皮肤可用于机器人的功能系统。


图1.制作单电极电子皮肤。(a)制造工艺流程。(b)静电纺丝过程中PVDF分子结构的变化。(c)使用手持式静电纺丝装置制造电子皮肤的过程的照片。


图2.两种不同形式的电子皮肤的结构和属性。(a) 金电极上的电子皮肤的照片。 (b) PVDF膜的SEM图像和纳米纤维直径分布图。(C) 使用ITO电极的电子皮肤。(d) 具有ITO电极的e-皮肤的UV.vis吸收光谱。


图3.单电极皮肤的工作机制。(a) 电子皮肤的结构和原理。(b,c) 当装置施加冲击和释放应变时,由于压电效应引起的电信号。(d,e) 应用弯曲和不弯曲时的装置,由于压电效应引起的电信号。(f,g) 由于加热和冷却时器件的热电效应引起的电信号。(h,i) 计算电偶极子变化前后的电位分布。


图4.不同条件下电子皮肤的开路电压信号:(a) 0.1 Hz以下的重复压缩冲击,(b) 相同的压力下,不同的膜面积,(c) 具有相同的膜面积,压力不同,(d) 在反复压缩下冲击60分钟,(e) 0.8赫兹反复弯曲和不弯曲。(f) 在相同的对比温度下施加相同的温度。(g) 在不同的初始温度下施加相同的温度梯度。 (h) 不同条件下PVDF的I.V曲线温度。


图5.(a,b,c)手、脚跟和关节模仿拍桌子、走路、跑步和不同频率的电子皮肤的照片弯曲和相应的输出电压。(d) 模拟用带有电子皮肤的手触摸并移开热水杯(约87°C)和相应的输出电压。

 
 
 

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