角蛋白柔性摩擦电人体运动传感器的研究_袁栋驰.pdf

收稿日期:2022-12-14基金项目:国家自然科学基金青年基金(62105160)通信作者:赵兴强,副教授,博士,主要从事传感器与能量采集的研究。E-mail:zxq8562 电子元件与材料Electronic Components and Materials第 42 卷Vol.42第 5 期No.55 月May2023 年2023角蛋白柔性摩擦电人体运动传感器的研究袁栋驰1,赵兴强1,2,时 文1,孙 楠1,杨明鹏1,2(1.南京信息工程大学 自动化学院,江苏 南京 210044;2.南京信息工程大学 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心,江苏 南京 210044)摘 要:摩擦电传感器作为一种新型的自驱动传感器,为可穿戴柔性电子皮肤应用在人体运动信息采集提出了新的方案。采用溶胶-凝胶工艺制备不同掺杂浓度的角蛋白/PDMS 薄膜,将其作为负性摩擦层制备了单电极式摩擦电传感器。结果表明,在摩擦层接触面积为 25 cm2时,当薄膜中角蛋白掺杂浓度从质量分数 0%提高到 10%时,传感器的输出电压呈现上升的趋势。摩擦层的输出性能在角蛋白掺杂浓度为 10%时最佳,输出电压达到 320 V,相较于传统的纯 PDMS 摩擦层,其输出性能提高了约一倍。基于角蛋白/PDMS 摩擦层制备的柔性传感器应用在人体各个运动部位,能够实现人体运动信息反馈。关键词:摩擦电;角蛋白;运动信息;柔性传感器中图分类号:TP212文献标识码:ADOI:10.14106/ki.1001-2028.2023.1749引用格式:袁栋驰,赵兴强,时文,等.角蛋白柔性摩擦电人体运动传感器的研究 J.电子元件与材料,2023,42(5):514-520.Reference format:YUAN Dongchi,ZHAO Xingqiang,SHI Wen,et al.Flexible triboelectric human motion sensor basedon keratin J.Electronic Components and Materials,2023,42(5):514-520.Flexible triboelectric human motion sensor based on keratinYUAN Dongchi1,ZHAO Xingqiang1,2,SHI Wen1,SUN Nan1,YANG Mingpeng1,2(1.School of Automation,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China;2.Jiangsu Collaborative Innovation Center on Atmospheric Environment and Equipment Technology,Nanjing University ofInformation Science and Technology,Nanjing 210044,China)Abstract:Triboelectric sensor was made into a new type of self-driving sensor,which provided a new scheme for theapplication of wearable flexible electronic skin in human motion information collection.Keratin/PDMS films with differentdoping concentrations were prepared by sol-gel process.Triboelectric sensor with a single electrode structure was fabricatedby Keratin/PDMS films as negative triboelectric materials.Experimental results show that when the doping concentration ofkeratin is in the range from 0%to 10%,the output voltage increases with increasing keratin concentration.A maximum outputvoltage of 320 V can be obtained when the keratin concentration is 10%,which is one times higher than that of the devicefabricated with pure PDMS film.The sensor based on keratin/PDMS friction layer can be applied to various moving parts ofthe human body to achieve the feedback of the movement.Keywords:triboelectric;keratin;motion information;flexible sensor 摩擦纳米发电机(TENG)是基于摩擦起电效应和静电感应原理实现能量收集的纳米能源装置1,具有结构简单、易于实现、制备 工艺简单 等一系列优点2-3,其作为可穿戴柔性电子器件不仅可以将人体运动(抓握、摆臂和屈膝等)产生的机械能转化为电能,还能够作为自驱动传感器实现人体运动信息的反馈4-5。目前 TENG 的柔性摩擦层材料很大程度上是由合成高分子材料制成,但合成高分子材料在合成时袁栋驰,等:角蛋白柔性摩擦电人体运动传感器的研究无法实现经济环保和绿色发展,所以研究者逐渐关注天然高分子材料在摩擦纳米发电机上的应用。2018年,江文和李虎等6利用五种自然可降解材料(纤维素/甲壳素/丝素蛋白/米纸/蛋清)制备出纯天然可吸收的摩擦纳米发电机,其具有良好的生物相容性、生物降解性及生物可吸收性。2021 年,广西大学王双飞团队7使用天然材料木质纤维基制备摩擦层,其作为一种可生物相容性、绿色环保的材料应用在人体步态监测,对 TENG 材料的绿色化起到了重要的示范作用。天然高分子角蛋白8具有机械强度高、加工性能好、良好的生物相容性、无毒和价格低廉等优点,本研究以 PDMS 为基底掺杂羽毛角蛋白,制备了角蛋白/PDMS 膜,角蛋白能够减小膜表面长线状褶皱式尺寸大小,增加膜表面长线状分布密度,从而提升传感器的输出性能。制备的角蛋白/PDMS 膜具有良好生物相容性,应用在传感器上作为负性摩擦层,采用铜箔作为电极层,采用单电极式摩擦纳米发电机的工作模式,制备的传感器不仅具有较强的形状适应能力、较好的灵敏性和绿色环保等优点,还可以作为自驱动传感器感知人体各个部位运动的信息。角蛋白/PDMS 膜的探究为摩擦电传感器采用天然高分子材料提高摩擦层的电学性能提供一定的参考。1 传感器的结构与原理1.1 传感器的结构图 1 为传感器的结构示意图,传感器的主要材料有角蛋白/PDMS 膜、铜箔电极层和 FEP 薄膜衬底,制备流程包括角蛋白/PDMS 膜的制备和传感器的组装。图 1 传感器的结构示意图Fig.1 A diagram of sensor structure1.2 传感器的原理传感器采用角蛋白/PDMS 膜为负性摩擦层,电极层分布在膜的另一面和地面相连接,人体皮肤或衣物作为与传感器接触的正性摩擦层,角蛋白/PDMS 摩擦层、Cu 电极层和皮肤共同组成了一个完整的闭合电路。传感器的工作原理是基于单电极模式的 TENG,如图 2 所示。在初始状态下,如图 2(a)所示,当皮肤与负性摩擦层完全接触时,两种材料表面上的正负电荷由于静电感应原理而相互平衡抵消,从而导致外部电路中没有电子流动。如图 2(b)所示,当皮肤与负性摩擦层一旦开始分离时,负性摩擦层之间的电荷就失去了平衡,引起负性摩擦层和电极之间的电势差,并驱动自由电子从电极层流向地面产生电位差。如图 2(c)所示,随着皮肤和负性摩擦层之间距离的增加,负性摩擦层上的负电荷与电极层上的正电荷完全平衡,此时没有电信号输出。如图 2(d)所示,当皮肤再次接近负性摩擦层时,电极上产生的正电荷减少,所以电子从地面流回电极层。直到皮肤再次与负性摩擦层完全接触,输出反向的电压/电流信号。图 2 TENG 的工作原理。(a)完全接触;(b)开始分离;(c)逐渐分离;(d)再次接触Fig.2 Operation principle of TENG.(a)Complete contact;(b)Initiation of separation;(c)Gradual separation;(d)Re-contact如图 3 所示,利用 COMSOL 软件对 TENG 表面电势变化进行仿真分析,将正性摩擦层的上表面和负性摩擦层的下表面设为电极层,并进行悬浮电位设置,上下层移动距离(ds)单位为毫米(mm)。如图 3(a)所示两种材料表面上的正负电荷由于静电感应原理而相互平衡抵消。如图 3(b)所示,正负摩擦层逐渐分离,自由电子从电极层连到悬浮电位端产生电势差。如图3(c)所示,随着正负摩擦层的距离不断增加,电极层上的电子不断流向悬浮电位端,直至正负摩擦层上的电势达到平衡。515电子元件与材料图 3 TENG 的 COMSOL 仿真图。(a)完全接触;(b)开始分离;(c)逐渐分离Fig.3 COMSOL simulation of TENG.(a)Complete contact;(b)Initiation of separation;(c)Gradual separation2 角蛋白/PDMS 膜的制备和表征2.1 角蛋白/PDMS 膜的制备步骤一:在培养皿中加入一定量的道康宁公司Sylgard 系列 184 型硅胶液体基料和固化剂,以质量比10 1 使两者充分混合搅拌 20 min,然后放在真空干燥箱中去除气泡;步骤二:在 1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐(离子液体)溶液9中将麦克林公司 K862557 系列的角蛋白粉以不同的质量分数(0%,5%,10%,15%,20%)缓慢添加,并通过机械搅拌 30 min 将两种材料搅拌至充分溶解,制备角蛋白溶液;步骤三:将 PDMS 溶液与角蛋白溶液搅拌混合,在真空干燥箱内脱气 10 min 后,再将脱气后的混合物倒入尺寸为 5 cm5 cm1 mm 的模具中,用推膜器沿着模具边缘将角蛋白/PDMS 混合溶液推至表面与模具边缘平整。将模具平稳放入恒温干燥箱中,在 50 恒温条件下固化,最后将薄膜从模具中取出,薄膜实物图如图 4 所示。图 4 薄膜实物图Fig.4 Picture of real film2.2 角蛋白/PDMS 膜的表征使用扫描电子显微镜(SEM)对角蛋白/PDMS 膜表面形貌进行表征,采用 LIBS 光谱仪对薄膜元素成分进行分析,本文所制备的角蛋白/PDMS 膜中角蛋白掺杂量分别为质量分数 0%,5%,10%,15%,20%。不同角蛋白掺杂量的薄膜表面 SEM 图如图 5 所示。可以看出,掺杂不同质量分数的角蛋白摩擦层表面结构分布均匀;随着掺杂角蛋白质量分数的增加,其表面长线状褶皱式结构的尺寸发生相应变化,掺杂适量的角蛋白能够减小长线状褶皱式结构的尺寸,有效提高膜表面长线状褶皱式结构分布的密度;而过量的角蛋白(10%)的加入,会导致离子液体溶解角蛋白的能力达到饱和,未溶解的角蛋白颗粒变多,薄膜表面凸起增多,影响薄膜表面的平整性。图 6 为掺杂质量分数 0%和 10%时角蛋白/PDMS膜的元素成分图。可以看出,相较于纯 PDMS,角蛋白/PDMS 膜中元素成分有明显变化,角蛋白的掺杂使得膜的成分中新增了 Ca 元素,也从侧面证明了角蛋白的掺杂对膜的元素成