柔性可穿戴电子设备的飞速发展与商业化应用加快了能源存储器件的变革与升级。为了良好的匹配可穿戴电子器件,所使用的能源存储器必须具备安全性高、体积小、寿命长、易集成化、功率密度高等特点。鉴于以上要求,平面微型电容器成为最佳的供能器件的选择。但是单个的电容器电压窗口较小,能量密度较低,很难连续不间断地为可穿戴器件供能。解决这个问题最便捷的方式是将多个微型电容器串联形成阵列为可穿戴集成系统的功能单元供电。到目前为止,已经有许多不同类型的电容器阵列驱动的集成探测系统相继被开发出来,例如集成光探测系统、集成压力传感器系统等等。除了压力、光、热等传感器,有机气体传感器近年来在环境监测、工业现场与安防等领域发挥的作用越来越大,但是与光探测、压力传感器相比,气体传感器对目标气体的响应时间长,相应的能耗更大,对能源器件的要求更高,加大了集成的难度。因此,对自驱动气体传感器这一集成系统的研究具有重要的意义。

中国科学院半导体研究所超晶格国家重点实验室沈国震课题组近日开发了一种新型的由微电容阵列驱动的可穿戴气体传感器与实时显示系统。该集成系统由基于电沉积聚吡咯电极材料的圆形电容器阵列、基于碳纳米管/聚苯胺材料的常温乙醇气体传感器和原位气体分析与显示系统组成。所组装的电容器的面积比电容为47.42mF/cm2,气体传感器在常温下对乙醇气体的响应回复时间分别为13s4.5s。当有气体进入传感器中时,气体传感器两边的电流会发生变化,电路板中元件会采集这个变化并进行计算,与预先存储的标准曲线进行比较从而得出气体的浓度值,再经蓝牙把信号传输到手机,随即手机APP上会显示出对应的气体浓度并绘制出实时的I-t曲线,在个性化酒驾测试等领域都具有广泛的应用前景。

研究成果近期发表在Nano Energy (2017, 41, 261.)期刊上。工作得到了国家自然科学基金、北京市自然科学基金以及中国科学院前沿科学重点研究项目等项目的支持。