研究團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)思路是將化學(xué)電池直接設(shè)計(jì)成傳感器，形成自供電壓力傳感器，從而減少傳感器中的器件數(shù)量，降低電路的復(fù)雜性……

柔性和可穿戴的觸覺傳感器在健康監(jiān)測、人機(jī)交互等領(lǐng)域的重要性日益凸顯。傳統(tǒng)的電阻式或電容式傳感器雖然廣泛應(yīng)用，但其仍需外部電源持續(xù)供能，而壓電式和摩擦電式傳感器則僅對動(dòng)態(tài)機(jī)械刺激做出響應(yīng)。為了克服這些限制，研究人員一直在探索開發(fā)無需外部電源、能夠同時(shí)監(jiān)測動(dòng)態(tài)和靜態(tài)機(jī)械刺激的觸覺傳感器。

近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于化學(xué)電池反應(yīng)的自供電柔性觸覺傳感器，可用于動(dòng)態(tài)和靜態(tài)機(jī)械刺激檢測。相關(guān)成果以“A self-powered flexible tactile sensor utilizing chemical battery reactions to detect static and dynamic stimuli”為題發(fā)表在《納米能源》上。

研究團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)思路是將化學(xué)電池直接設(shè)計(jì)成傳感器，形成自供電壓力傳感器，從而減少傳感器中的器件數(shù)量，降低電路的復(fù)雜性，為此，該團(tuán)隊(duì)提出了一種簡單的紙基夾層固態(tài)Zn-MnO2電池，來作為傳感器的自供電電源。

固態(tài)Zn-MnO2電池具有成本低、環(huán)保、安全性高、鋅含量豐富等優(yōu)點(diǎn)，而隨著印刷技術(shù)的進(jìn)步，紙張由于其卓越的柔韌性、低功耗也成為了實(shí)現(xiàn)先進(jìn)柔性電子設(shè)備的十分有前途的柔性基材。

具體結(jié)構(gòu)上，研究團(tuán)隊(duì)采用雙面膠（3M）框架隔離固態(tài)Zn-MnO2電池的正極和電解液，使其在初始階段不接觸，并具有自粘性，因此，傳感器在無壓力的情況下處于開路狀態(tài)，無法輸出電信號(hào)，待機(jī)功耗也最小。而隨著外部負(fù)載的升高，電極與電解液的接觸面積不斷增大，會(huì)導(dǎo)致傳感器的界面電阻減小，輸出電流增大，利用這種機(jī)械信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換就可以測量動(dòng)態(tài)/靜態(tài)壓力。

傳感器的框架結(jié)構(gòu)

據(jù)了解，固態(tài)Zn-MnO2電池的開路電壓為1.29V，最高短路電流密度為2.8mA/cm2，完全可以滿足小型電子器件的供電需求。同時(shí)，作為壓力傳感器而言，其具有較高的靈敏度，在0-25 kPa范圍內(nèi)平均為1.27 μA/kPa，在25-500 kPa范圍內(nèi)平均為0.14 μA/kPa，響應(yīng)時(shí)間為42 ms，恢復(fù)時(shí)間為41 ms，最小壓力分辨率達(dá)到數(shù)十帕斯卡。

傳感器應(yīng)用效果

據(jù)悉，這種紙基柔性器件具有電池和傳感器的雙重特性，可以作為柔性電源進(jìn)行重復(fù)充電和放電，同時(shí)實(shí)現(xiàn)小型化、柔性、耐用的觸覺傳感特性。傳感器的制備過程簡單、環(huán)保，利用紙張作為柔性的基底材料，不僅成本低廉，具有可降解性，并且還能夠制造成不同的形狀和尺寸，未來有望在醫(yī)療保健、人機(jī)界面等各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。