用于人体汗液传感的淀粉纸摩擦纳米发电机

介绍

柔性电子产品的吸引人属性，例如其可拉伸/可弯曲的机械柔韧性、小体积和可生物降解性，有望在与电子安全、生物传感器、智能包装和名片相关的一次性使用中发挥关键作用 [1] ,2,3]。事实上，使用一次性基板的柔性电子产品由于其生物相容性、化学溶解性和环境友好性而引起了相当大的关注。因此，各种柔性和一次性设备已被用于制造可穿戴电子设备 [4,5,6]，包括自功率动态设备和智能传感器。通常，操作这些类型的可穿戴电子设备需要额外的电源。尽管如此，传统（即非便携式、非生物相容性和非可持续性）电池系列需要持续供应化学电源。因此，开发合适的电源对于克服与可穿戴电子设备相关的挑战至关重要。

摩擦纳米发电机 (TENG) 已在能量收集领域得到广泛研究 [7,8,9,10,11,12]。基于接触带电过程和静电场的感应，TENG 可以将来自环境的机械能转化为电能，并代表一种新型电源 [13,14,15,16,17]。这些设备的适当模式已被广泛用于为可穿戴电子设备供电 [18,19,20,21]。此外，通过将 TENG 与不同类型的摩擦电供应相结合，可以获得适用于各种应用的自供电传感器 [22,23,24,25]。然而，大多数传统的 TENG 都是基于对生态不友好的材料，例如难以分解的聚合物。因此，这些 TENG 在未来的应用中可能只会在有限的基础上使用。

淀粉是开发可分解底物的一种很有前途的原料，因为它比其他替代品便宜，而且数量众多且可再生。在这里，我们展示了基于环保可生物降解淀粉纸的一次性 TENG 设备。所采用的材料都具有成本效益且可商购获得。淀粉纸基 TENG (S-TENG) 可以通过一个简单的过程构建，其中淀粉纸与金属线组装在一起。构建的 TENG 可用作自供电的人体汗液传感器。此外，所提出的TENG在可穿戴电子领域具有应用潜力。

方法

S-TENG 的组装

淀粉纸（厚度：~ 1 mm）购自 GILRO Corp.（以色列）。纸的一侧连接到金属丝上，然后喷上水蒸气，从而产生 S-TENG。制造机制如图 1 所示，可以归类为简单且具有成本效益。

S-TENG组装过程示意图

测量和人体演示

使用数字示波器（DSOX6004A 数字存储示波器）测量电子性能。制造的 S-TENG (4.4 × 4.4 cm ² ) 连接到人的肘部（金属线面向人）。此外，还测量了人体生物力学运动的不同持续时间的 S-TENG 输出信号。

结果与讨论

S-TENG 的工作机制示意图如图 2c 所示。所提出的设备基于人手和淀粉纸之间的耦合效应。当手与纸发生物理接触时，纸表面带负电荷，而手带正电荷。而且，一旦手被解放，手与带电纸的重叠面积就会减少，纸上的电荷不再与手上的电荷完全平衡。淀粉表面不稳定的负电荷迫使电子从纸的背面电极流向地面。尽管如此，当手再次靠近纸张时，背面电极上的感应正电荷会变得不稳定，迫使电子流向地面。

一 在淀粉纸的电极侧周围开始形成水膜，b 形成了一个水网，c S-TENG的工作机制

结果表明，根据淀粉纸吸收的水蒸气量，S-TENG 的工作状态可以分为两种工作模式。以图 2cII 所示的状态为例，说明了电荷转移的概念。如图 2a 所示，在工作模式 1 中，最初在纸的电极侧周围形成水膜。尽管如此，电荷仍部分被困在不规则的水膜中，形成阻碍载流子运动的势垒。然而，在工作模式2中，形成了水网络（图2b），并且包含淀粉纸的电极侧的电阻大大降低。

制造的 S-TENG 的照片如图 3a 所示。采用自适应电阻器作为外部负载，针对不同的水蒸气喷射次数，用示波器测量电阻器的电信号。图 3b 显示了第一次喷涂后 S-TENG 的电子性能。如图所示，负载电阻的增加（从 100 到 100 MΩ）会导致收集到的输出电压不断增加。然而，在负载电阻为 15 MΩ 时达到最大输出功率，因此，制造的 TENG 的内阻为 ~ 15 MΩ。负载电阻为 100 MΩ 时的输出电压（即 11.2 V）近似为开路电压，因为负载电阻远大于内阻的近似值。然后确定合成纸 TENG 的操作稳定性。如图 4 所示，在垂直力测试期间，所制造器件的输出电压（负载电阻：100 MΩ）仅略有下降。

一 照片和b 制作的S-TENG的电子输出

制造的 S-TENG 的垂直力测试。输出电压在 100 MΩ 的负载电阻下仅略有下降

淀粉纸在喷水之前和之后的第 1 次、第 3 次、第 5 次和第 7 次喷水后分别表现出 19 MΩ、6.1 MΩ、1.5 MΩ、140 KΩ 和 130 KΩ 的薄层电阻。比较了 S-TENG 的相应电子活动，如图 5 所示。输出电压（承受 100 MΩ 的符合负载）随着喷涂时间增加 0-3（工作模式 1）而增加，并在喷涂时变得饱和3 次以上喷涂（工作模式 2）。由于电压与水蒸气量之间的相关性，确保了对水基液体（例如人体汗液）的感测。这种相关性可以通过 S-TENG 内阻的变化来表征。水蒸气的使用促进了 S-TENG 内阻的降低，因为水的引入降低了淀粉纸的电子电阻能力。这种减少是由于在纸张表面和纸张内部形成了水传导通路。此外，当在纸的电极侧周围开始形成水膜时，这种影响变得特别明显（工作模式 1）。此外，喷水前产生的电子输出主要来自谷物细胞的结合水（导致载流子的电子传导较弱）。

输出电压与喷水步数的关系

所提出的 S-TENG 已用于感测人体汗液。如图 6a 所示，S-TENG 在身体运动的不同持续时间后连接到人体肘部。然后，用干毛巾清洁人体皮肤的暴露层，然后肘部运动（图 6；收集的电子输出如图 6c 所示）。观察到的趋势类似于图 5 中所示的趋势，即从电子输出（符合负载：100 MΩ）与人体运动持续时间之间的相关性的角度来看。结果表明，所提出的S-TENG可用于感测人体排汗和监测人体运动时间。

a , b 收集人体肘部运动能量的工作模式，c 电子输出（相应负载为 100 MΩ）与人体运动时间的关系

通过评估溶解活性来确定淀粉纸的一次性属性，如图 7 所示。在此测定过程中，将纸浸入自来水中并在人手轻轻振动下，如图 7a 所示，持续不同的时间（见图 7b-e）。淀粉纸在 4 分钟内完全分解，表明所提出的 S-TENG 可能是完全可降解的。

一 通过将淀粉纸浸入水中进行的降解性测试，b 立即，并在 b 之后 1、c 2、d 3、e 4 分钟

结论

在这项工作中，介绍了一种使用环保的可生物降解淀粉纸制造一次性 TENG 设备的新方法。构建 S-TENG 的快速而简单的过程使用具有成本效益和商业上可获得的材料。淀粉结构可以在 4 分钟内在水中分解成粉末。所提出的TENG在可穿戴电子领域具有相当大的潜力。

缩写

TENG：

摩擦纳米发电机