具有接触不对称性的纳米纤维膜中的直流-交流信号解耦技术，用于自供电的热学和机械传感

《Surfaces and Interfaces》：DC-AC Signal Decoupling in Contact-Asymmetric Nanofiber Membranes for Self-Powered Thermal and Mechanical Sensing

　　

摘要

由于难以独立解析耦合的输出信号，对于单膜自供电多模态传感器而言，实现可靠的同时热信号和机械信号检测仍具有挑战性。在这里，我们报道了一种基于柔性聚丙烯腈/聚吡咯/碳纳米管纳米纤维膜（PPCNFM）的接触不对称自供电传感器中的直流-交流（DC-AC）信号解耦技术。通过在膜的相对两端构建不对称的铝/PPCNFM和铜/PPCNFM接触，引入了一个内部电场来引导电荷传输并调节刺激依赖的电输出。热刺激通过热驱动的电荷分离产生准静态的直流基线，而机械加载则产生与压电电荷生成相关的瞬态交流峰值。这种不同的直流和交流输出特性使得在30-90°C的温度范围内以及0.5-3.5 N的力范围内，可以无偏地区分热刺激和机械刺激，并且信号串扰降低。这项工作为自供电多模态传感建立了一种简单的界面策略，为柔性智能电子设备中的热信号和机械信号的集成识别提供了实用途径。

引言

柔性电子产品的快速发展激发了人们对多模态传感器的兴趣，这些传感器用于健康监测[[1], [2], [3]]、人机交互[[4], [5], [6]]以及智能机器人[[7]]。最近的研究进一步扩展了智能传感领域，包括静态-动态触觉区分、人工智能辅助的触觉感知、类脑视觉处理以及自供电环境传感[[8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15]]。在这些多样的传感场景中，区分不同外部刺激的能力变得越来越重要。温度和机械刺激是实际传感环境中常见的两个基本物理参数[16]。然而，热刺激和机械刺激产生的耦合电响应使得在单一自供电设备中同时区分这两种刺激变得复杂[[17], [18], [19], [20]]。

为了解决这个问题，通常通过两种主要策略开发了柔性温压双模传感器[21]。第一种策略采用异构多模态架构，集成不同的传感材料或结构单元以实现独立的温度和动态力检测[[22], [23], [24]]。例如，Cao等人开发了一种夹层结构的触觉传感器，使用PVDF-TrFE/Ti?C?压电层进行压力检测，使用PEDOT/Ti?C?电阻层进行温度检测[25]。尽管这种方法可以减少信号串扰，但通常需要相对复杂的多层结构和电极配置。第二种策略涉及使用单一传感平台内的多种物理效应的均匀或集成多模态架构[26]。最近的柔性触觉传感系统通过集成热电和电阻传感机制，展示了有效的温压解耦[27,28]。尽管取得了这些进展，当不同刺激产生重叠响应或需要辅助电读出时，自供电信号解耦仍然具有挑战性。因此，能够无需外部偏置或后处理算法即可区分温度和动态力的单膜自供电传感器仍然非常受欢迎。

除了材料选择和结构集成之外，界面接触工程提供了一种有效调节多模态传感输出的方法。不对称的金属-膜接触可以引入接触电位差和内置电场，从而调节电荷分离和方向传输。这种界面不对称性为在单一柔性膜内区分热响应和机械响应提供了一种简单策略，实现了无需复杂多设备集成的自供电热机械传感。

本文报道了基于柔性聚丙烯腈/聚吡咯/碳纳米管纳米纤维膜（PPCNFM）的接触不对称自供电传感器中的直流-交流（DC-AC）信号解耦技术，用于同时实现热感应和动态力感应。不对称的铝/PPCNFM和铜/PPCNFM接触建立了不同的界面电学条件，调节电荷传输方向，产生了与温度相关的准静态直流基线和机械诱导的瞬态交流响应，而无需特意配置热冷结。这些不同的信号特性使得在单一柔性膜内无偏地区分温度和动态力成为可能。我们对传感和解耦性能进行了系统评估，并通过开发板辅助的温度监测演示进一步证明了其实际可行性。这项工作为自供电热机械传感提供了一种简单的界面策略，无需外部偏置或后处理算法。

章节摘录

材料

过硫酸铵（APS）、樟脑磺酸（CSA）、吡咯（Py）和N,N-二甲基甲酰胺（DMF）从Aladdin购买。聚丙烯腈（PAN）粉末（Mw = 85,000）和碳纳米管（CNTs）由Macklin提供。CNTs的内径为5-10纳米，外径为10-20纳米，长度为10-30微米。使用前未对CNTs进行任何额外的表面处理。Cu和Al电极带为市售产品，宽度为10毫米，厚度为

PAN/PPy/CNTs纳米纤维膜的形态和结构表征

PPCNFM是通过静电纺丝法制备的，如图1a所示。图1b中的SEM图像显示PPCNFM由表面光滑的连续纳米纤维组成。从SEM图像中统计分析了纤维直径分布，平均直径为650 ± 250纳米（见图1b插图）。EDS映射（图1c）确认了C、N、O和S元素的均匀分布，其中S信号主要来自CSA和APS。TEM表征进一步

结论

总结来说，我们展示了一种基于柔性PPCNFM的接触不对称自供电传感器中的DC-AC信号解耦技术，实现了同时的热感应和机械感应。不对称的铝/PPCNFM和铜/PPCNFM接触在膜中引入了内部电场，促进了电荷传输的方向性，并调节了刺激依赖的电输出。在热和机械刺激下，传感器通过热驱动的电荷分离产生准静态的直流基线

CRediT作者贡献声明

Nan Lv：概念化、方法论、写作-审阅与编辑、形式分析。Yuanhong Xu：写作-原始草稿、可视化、数据管理、形式分析。Shirui Zhang：数据管理、形式分析。Cheng Liu：数据管理、形式分析。Andong Zhao：可视化、数据管理、形式分析。Yuteng Zhang：验证、形式分析。Haifeng Zhang：验证、监督。利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突

数据可用性

数据可根据请求提供。

作者声明

Yuanhong Xu：写作-原始草稿、可视化、数据管理、形式分析。

Nan Lv：写作-审阅与编辑、监督、方法论、概念化。Shirui Zhang：数据管理、形式分析。

Cheng Liu：数据管理、形式分析。

Andong Zhao：可视化、数据管理、形式分析。

Yuteng Zhang：验证、形式分析。

Haifeng Zhang：验证、监督。

CRediT作者贡献声明

Yuanhong Xu：写作-原始草稿、可视化、形式分析、数据管理。Nan Lv：写作-审阅与编辑、方法论、概念化。Shirui Zhang：形式分析、数据管理。Cheng Liu：形式分析、数据管理。Andong Zhao：可视化、数据管理、形式分析。Yuteng Zhang：验证、形式分析。Haifeng Zhang：验证、监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益冲突或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（NSFC，项目编号62204033）和吉林省教育部门的研究项目（项目编号JJKH20261634KJ）的支持。

Yuanhong Xu|Nan Lv|Shirui Zhang|Cheng Liu|Andong Zhao|Yuteng Zhang|Haifeng Zhang