材料 - 器件 - 系统协同设计的耐寒自供电柔性锌离子电池压力传感器

《npj Flexible Electronics》：Wireless monolithic flexible zinc-ion battery–pressure sensor enabled by a tough anti-freezing hydrogel electrolyte

　　

摘要

开发具备自供电能力、可靠的压力检测（包括静态和动态压力）以及微型化无线信号处理功能的可穿戴传感器仍然是一项重大挑战。在此，我们提出了一种材料-器件-系统的协同设计策略，用于制造一种无需外部连接、适用于各种天气条件的集成式柔性锌离子电池-压力传感器。该传感器采用了耐寒的水凝胶、共阳极结构以及微型化无线模块。在材料层面，一种坚韧的耐寒PAM/CMCS-DMSO-Zn水凝胶作为核心组件，这种水凝胶具有较低的冰点、优异的韧性、抗疲劳性以及较高的离子导电性，因此既能作为主动压力检测层，又能作为稳定的电池电解质发挥作用。在器件层面，通过尼龙网结构将水凝胶与Zn阳极隔开，从而在静止状态下实现零功耗；当施加压力时，界面阻抗会发生变化，进而实现静态和动态压力的快速检测，其响应时间分别为20毫秒和30毫秒。在系统层面，将这种传感器与定制的印刷电路板集成在一起，形成了一个完整的微系统，用于信号采集、处理和无线传输，我们在多种恶劣环境下对此进行了成功验证。最终，这种协同设计将极端条件下的水凝胶化学特性与自供电可穿戴电子设备相结合，为适用于各种天气条件的无线物联网传感节点提供了一种多功能解决方案。