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[原创]青岛大学龙云泽教授：基于压电纳米发电机的仿生单电子皮肤单元（2018-08-28 15:40:35）

标签：传感器件 静电纺丝  

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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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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文章来源：易丝帮