DOI: 10.1002/adfm.202303723

开发多功能、高灵敏度传感器有利于促进柔性电子设备和人机交互系统的发展。研究人员正在探索各种活性传感材料，以实现广泛检测、多功能和低功耗。在此，本研究通过静电纺丝技术制备了一种多功能离子凝胶纤维膜，用于构建电容传感器和摩擦电纳米发电机（TENG）。离电电容式传感器表现出固有的良好灵敏度和可重复性，在5000次循环后保持长期稳定性。电容式传感器还可以检测人手腕处的清晰脉搏波形，并且能够通过电容式传感矩阵映射压力分布。对于离电TENG，最大峰值功率为54.56µW，可用于为商业电子产品供电。此外，制备的离电TENG阵列还可以实现交互式、快速响应和精确的动态监测，这拓宽了对直接有效的传感设备的探索。多功能离子凝胶纤维膜有望为生理检测、生物力学能量采集、人机交互和自供电监测系统提供一种出色的方法。

图1.离子凝胶纤维膜的结构和应用示意图。a）离子凝胶纤维膜的示意图。b）P（VDF-HFP）和[EMIM][TFSI]的化学结构。c）通过静电纺丝制备的离子凝胶纤维膜的照片。d-f）不同离子液体浓度（20、33和50wt%）的电纺离子凝胶纤维膜的相应光学显微镜图像。插图为放大图像。比例尺为100μm。g）基于多功能离子凝胶纤维膜的离电电容传感器和TENG设备的示意图。

图2.基于离子凝胶纤维膜的两种不同传感器的工作原理。a）离电电容器和b）TENG的工作机制。

图3.离电电容式传感器的传感特性。a）不同IL浓度和b）不同厚度的离子凝胶纤维膜的比电容与频率的关系。c）离电电容式传感器的归一化压力灵敏度。d）不同压力下的归一化电容变化。e）归一化电容随施加的不同压力的变化。f）离电电容式传感器在0至350kPa压力下的连续拉伸循环。g）传感器稳定性的表征。h）分别在室温、40℃和60℃下进行稳定性试验。（i）离电电容式传感器对施加应变的响应。

图4.离电TENG的电输出性能。a）离电TENG与腈接触的示意图。b）基于TENG的触觉阵列用于交互式控制的操作过程示意图。c）不同尺寸的离电TENGs用于动态监测矩阵和能量采集的电信号。在不同压缩频率（1-5Hz）下，接触分离模式下的离电TENG的电输出，包括d）ISC、e）VOC和f）QSC。g）不同外部负载下，电流和电压之间的关系。h）根据（g）中的曲线图计算瞬时功率与外部负载电阻的函数关系。（i）通过机械按压离电TENG为不同商用电容器充电的充电曲线。

图5.离电电容传感器的交互应用和离电TENG的能量收集应用。a）4×4像素的传感矩阵和相应的应变传感分布。比例尺为2cm。b）离电电容传感器可以清晰地检测人体脉搏信号的实验结果。c）离电TENG阵列的电信号。d）由九个离电TENGs组成的动态监测阵列的操作和轨迹示意图。e）离电TENG自供电系统的等效电路图。f）在给电容器充电和为电子手表供电期间，对电容器电压进行实时测试。g）离电TENG为电子手表和（h）温湿度计供电。比例尺为5cm。