中科院宋延林&李立宏/川大何亮：面向人体运动感知的微应变传感-微电容集成MEMS

Pushing the Electrochemical Performance Limits of Polypyrrole toward Stable Microelectronic Devices

Muhammad Tahir, Liang He*, Lihong Li*, Yawei Cao, Xiaoxia Yu, Zehua Lu, Xiaoqiao Liao, Zeyu Ma, Yanlin Song*

Nano-Micro Letters (2023)15: 49

https://doi.org/10.1007/s40820-023-01027-3

1. 利用还原氧化石墨烯 (rGO)的高粘附性和在聚吡咯 (PPy)中加入碳纳米管 (CNT)对集流体表面进行优化，显著增强了 微电极结构稳定性 。

2. PPy-CNT@rGO微型超级电容器具有65.9-70 mF cm⁻²的 高面积比容量 ，且在10000次循环后 容量 保持率为79% 。

3. 该微型超级电容器可同时用于 电容式微应变传感器 ，用于检测生物信号，如人体运动过程中产生的较宽范围形变，并具有低延迟、高灵敏度、高可靠性等优点。

PPy-CNT@rGO微型超级电容器和微应变传感器的微纳制造过程如图1所示。在Si/SiO₂基板上涂覆正光刻胶 (PR1-9000A)，通过光刻、显影、润洗、沉积等步骤得到精细图案化的Cr/Au层，并在其表面沉积rGO，经剥离-浮脱后得到rGO@Au集流体。随后，在集流体表面连续电化学沉积PPy-CNT，并采用PVA/H₃PO₄凝胶电解质组装得到微型超级电容器。此外，将微电极图案转移到PDMS柔性衬底上，得到与皮肤兼容的微应变传感-微电容集成MEMS。

图2. 结构表征结果。(a) rGO@Au叉指结构微电极的图像；(b) PPy-CNT@rGO微型超级电容器的光学显微图像；(c) 电沉积rGO的扫描电镜图像；(d) 在rGO上沉积PPy-CNT的扫描电镜图像；(e) 电化学沉积PPy-CNT的低倍扫描电镜图像；(f) 电化学沉积PPy-CNT的高倍扫描电镜图像；(g) PPy-CNT的透射电镜图像；(h) CNTs，PPy和PPy-CNT微电极的拉曼光谱结果。

I I PPy-CNT@rGO微型超级电容器和应变微传感器的电化学性能

图4. (a) PPy-CNT@rGO和PPy@Au微型超级电容器在100 mV s⁻¹扫描速率下的循环伏安曲线；(b) PPy-CNT@rGO和PPy@Au微型超级电容器在电流密度为1 mA cm⁻²时的充放电曲线；(c) PPy-CNT@rGO微型超级电容器在2-100 mV s⁻¹不同扫描速率下的循环伏安曲线；(d) PPy-CNT@rGO微型超级电容器在0.1-1.0 mA cm⁻²不同电流密度下的充放电曲线；(e) 不同扫描速率下 (2-100 mV s⁻¹)的面积比电容，电压范围为0-0.8 V；(f) PPy-CNT@rGO微型超级电容器在5 mV s⁻¹扫描速率下的赝电容/扩散比容量分析。

相较PPy@Au，由PPy-CNT@rGO组装的微型超级电容器展现出高循环稳定性和优异的倍率性能(图5)。在5 mA cm⁻²下经10000次的充放电循环后，依然保持79.8%的初始容量。优于最近研究报道的PPy基微型超级电容器。

图5. PPy@Au和PPy-CNT@rGO微型超级电容器 (a)在不同扫描速率，(b)不同电流密度下的面积比容量和 (c)EIS曲线；(d) PPy-CNT@rGO微型超级电容器在5 mA cm⁻²高电流密度下的循环稳定性；(e) PPy-CNT@rGO微型超级电容器经10000次循环前后的EIS图谱；(f) Ragone图显示了PPy-CNT@rGO微型超级电容器与最近报道的聚合物基微型超级电容器的面积能量密度与功率密度对比；(g-i) 无集流体PPy-CNT@rGO柔性微型超级电容器的循环伏安、充放电曲线和循环稳定性。

I I I 构筑面向人体运动感知的片上微应变传感-微电容集成MEMS

图6. 微型超级电容器同时用于电容式微应变传感器的机械电化学性能。柔性微应变传感器 (a) 的示意图；(b) 在不同施加电压下电流变化曲线；(c) 在0-40%的不同施加应力下的电流-电压曲线；(d) 在不同弯曲度下的电流响应曲线；(e) 在10°、25°、45°、75°和90°共5个角度下，手腕逐渐弯曲和放松时的电流响应曲线；(f) 在2500个弯曲/释放应力循环稳定性；(g) 最大弯曲角度90°下，800个弯曲/释放循环稳定性。

图7.  (a) 柔性PPy-CNT@rGO微应变传感器的工作原理；(b) 用于腕部脉搏的测量；(c) 电流随舌骨运动的变化，观察正常的吞咽功能；(d) 臂肌(屈肌)的收缩和放松；(e) 呼吸过程中的压力变化监测。