可穿戴电子设备的功能模块

        为了开发高度集成的可穿戴系统，以用于健康监测，身体状态评估和远程医疗，研究人员尝试了各种制造工艺和设备结构，将不同的功能组合在一起。无需外部电源即可连续工作的自供电模块应成为未来可穿戴电子设备的组成部分。另外，对于可穿戴电子设备在监视关键健康信息中的实际应用，必须使用无线数字系统来处理和远距离传输信号。
        为了实现可穿戴传感器的独立运行，已经开发了基于压电，热电和摩擦电效应的纳米发电机，以将其集成到可穿戴系统中。纳米发电机能够从人类活动中收集机械能或热能，从而为可穿戴设备供电。Zi等开发了一种摩擦，热解和压电混合电池，该电池由滑模摩擦电纳米发电机（TENG）和热电压电纳米发电机（PPENG）组成，用于自供电传感。混合电池的结构和工作原理如图1a-d所示。用一块铝箔作为滑动层，并在铜电极上沉积一层聚四氟乙烯（PTFE）膜作为静态层制成的TENG，能够收集滑动机械能。PPENG的制造方法是在两面都沉积有一块带有铜电极的PVDF，以收集摩擦产生的热能和法向力产生的机械能。从图1e–j可以看出，混合电池被证明是一种有效的电源，可以在延长照明时间的情况下驱动LED，并且是一种多功能的自供电传感器，可以检测皮肤表面上的细微温度变化和应变。然而，柔性电子器件的快速发展对相应的功率器件提出了更高的要求，功率器件应具有相当的柔性或可伸缩性。Pu等报道了一种柔软的皮肤状摩擦电纳米发电机，通过使用PDMS或LED作为弹性体带电层和PAAm-LiCl，可实现超高拉伸性（最大拉伸至12.6或应变为1160％）和高度透明（96.2％）水凝胶作为电极。这种皮肤状的发电机能够通过收集生物机械能输出高达145 V的开路电压和35 mW /m2的瞬时功率密度。同时，基于TENG的电子皮肤可用作触觉传感器以感测压力，并获得0.013 kPa-1的灵敏度。自供电可穿戴平台的开发为许多潜在应用打开了机会，包括软机器人，智能人造电子皮肤，可穿戴电子设备等。但是，由于纳米发电机的发电限制，柔性能量采集设备仍然存在局限性迄今已有报道无法满足实际应用的需求。
        
        图1a-d摩擦，高温和压电混合电池的结构和工作原理。 e混合TENG和PPENG输出的电路。 f混合输出电流使LED点亮。 g用于演示温度感应的结构示意图。 h PPENG的电压和温度变化。 i测量设置的示意图。j施加到表面的力约为0.5N。
        柔性传感器与信息处理系统的集成是可穿戴电子设备的下一个前沿。当前对柔性电子学的研究主要集中在传感元件的制造和优化上，而对用于信息处理的柔性电子电路的研究相对有限。由传感器收集的人类健康信息的传递和处理仍然需要由计算机来完成。到目前为止，已报告的传感器数据的无线传输主要是通过将柔性传感器与基于硅的刚性数字电路技术相结合来实现的。庞等构建了一个基于XBee Series 2无线电模块的定制无线测量系统，该模块集成到已编程的Arduino微控制器。该系统允许将传感器数据无线传输到计算机，但体积较大且不便于携带。高等设计了一种多路复用的感应系统，该系统通过将在柔性印刷电路板（FPCB）上整合集成电路的商业化技术与在弹性基板上制造的柔性传感器技术相结合，来集成信号调节，处理和无线传输功能。FPCB技术的引入在某种程度上弥合了可穿戴式传感器中信号调节，处理和无线传输之间的技术差距，但系统的灵活性和舒适性仍不能满足下一代可穿戴电子设备的要求。实现皮肤电子学仍然依赖于固有可扩展电路的发展。