一种高灵敏度、柔性的电池供电压力传感器，具有宽广的检测范围

《IEEE Sensors Journal》：A Highly Sensitive Flexible Battery-Type Self-Powered Pressure Sensor With a Wide Detection Range

　　

摘要：

柔性自供电压力传感器在可穿戴电子设备、健康监测和人机交互领域具有巨大潜力，但要同时实现高灵敏度、宽检测范围和稳定输出仍具有挑战性。本文介绍了一种具有高灵敏度和宽检测范围的柔性电池型自供电压力传感器。通过引入聚氨酯（PU）泡沫间隔层来调节锌箔与PAM-PU-HG水凝胶层之间的有效接触。在外部压力作用下，PU泡沫发生可逆压缩，从而增强界面接触并降低设备的 apparent internal resistance（此处“apparent internal resistance”可能为“表观内阻”或“实际内阻”，根据上下文可调整），从而无需外部电源即可产生与压力相关的电压输出。该传感器在0–40 kPa的低压力范围内表现出45.8 mV kPa^–1的灵敏度，检测范围可达338 kPa，响应时间为169 ms，恢复时间为204 ms，并且在1750次反复加载/卸载循环后仍保持稳定输出。此外，该设备还能够监测各种人体运动。通过将Morse编码与CNN-BiGRU-Attention模型结合，实现了26个字母类别的自动识别，准确率达到99.62%。这项工作为高性能电池型自供电压力传感器的结构设计及其在人机交互中的应用提供了一条可行途径。

引言

随着柔性电子技术的快速发展，可穿戴压力传感器在健康监测[1]、软体机器人[2]、电子皮肤[3]和人机交互[4]方面的应用引起了广泛关注。根据转换机制，柔性压力传感器主要分为压阻式、电容式、压电式和摩擦电式[5]。压阻式和电容式传感器通常依赖于外部电源[6]，而压电式和摩擦电式传感器更适合动态刺激，但在持续静态压力的稳定检测方面效果较差[7][8]。因此，开发结合自供电功能与平衡传感性能的柔性压力传感器具有重要意义[9]。基于储能设备或电位转换的电池型和电化学自供电传感策略最近成为有前途的方向[10][11]。这些设备可以通过压力引起的界面接触变化、电极反应、离子传输或内部电阻变化将机械刺激转换为电信号，从而实现无需外部电源的压力传感[12][13]。例如，Wang等人[14]开发了一种受水果电池启发的自供电水凝胶离子皮肤；Zhang等人[15]报道了一种具有长久使用寿命的锌离子电池型自供电压力传感器；Hu等人[16]在可充电锌离子电池型自供电压力传感器中实现了高灵敏度和宽响应范围；Liang等人[17]基于金属腐蚀效应构建了一种电化学自供电可穿戴压力传感器；Jia等人[18]开发了一种基于明胶的柔性电池压力传感器。这些研究表明，界面调节和隔膜设计对电池型压力传感器的输出行为起着决定性作用。