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近年来，从人体和机械引起的振动运动中收集动能正在进行广泛的研究，旨在为便携式可穿戴电子设备、医疗保健传感器、物联网和自供电传感器网络提供可持续的动力。在动能收集研究中，各种转导原理在实践/理论上得到了验证和证明，例如电磁、压电和摩擦电等等。聚合物纳米纤维由于其接触面积大和固有的可压缩性而被广泛用于能量收集和压力传感应用。来自韩国光云大学的学者对一种基于二维硅氧烯-聚偏二氟乙烯（S-PVDF）复合纳米纤维膜的高性能摩擦电纳米发电机（TENG）进行了新的研究。通过适当的比率优化和简单的静电纺丝，制造的膜在介电性能、电负性和可压缩性方面显示出显着的改善。由 S-PVDF 膜和尼龙 6/6 组成的TENG 可提供 13.25 W m−2（f ≈ 5 Hz）的出色功率密度，并可轻松运行再低功耗电子设备和物联网（IoTs）之中。此外，膜的优异可压缩性使其适用于自供电的同时检测动静压力，通过有效集成TENG和电容式压力传感器，本文开发了混合压力传感器（HPS）。HPS分别具有出色的动态（12.062V kPa−1 @（<3 kPa）和2.58 V kPa−1 @（3–25 kPa））和静态（<3 kPa时为25.07 mV kPa−1和（3–25 kPa）时为5.96 mV kPa−1）压力灵敏度。此外，使用人工智能为多个用户测试和分析的2×2 HPS阵列显着提高了准确性（98%）。HPS卓越的能量收集性能和更高的精度体现了对未来自供电物联网和基于智能触觉的用户身份验证系统的更好的匹配。相关文章以“Siloxene/PVDF Composite Nanofibrous Membrane for High-Performance Triboelectric Nanogenerator and Self-Powered Static and Dynamic Pressure Sensing Applications”标题发表在Advanced Functional Materials。https:///10.1002/adfm.202202145 
图1. TENG 和自供电混合压力传感器 (SP-HPS) 的 3D 示意图。a)基于纳米纤维膜 (NM) 的 TENG、SP-HPS 的示意图，以及复合材料中强氢键形成所涉及的化学成分。b) S-PVDF 纳米复合材料、c) PVA-LiTFSI 和 d) 尼龙 按6/6 制造的 NM 的 FE-SEM 图像。
图2. 硅氧烷和 S-PVDF 纳米纤维膜的分析表征。a) 硅氧烷合成和 S-PVDF 膜制造过程的示意图。b) CaSi 2和 c) 硅氧烷粉末的照片。d) CaSi 2的FE-SEM图像。e) 硅氧烷剥离后的 FE-SEM 图像和显示组成元素的能谱 (EDS) 元素图像。f) CaSi 2和硅氧烷的FTIR光谱。g) CaSi 2的 XPS 测量光谱和硅氧烷纳米复合材料。h) 硅氧烷和 S-PVDF 膜的拉曼光谱。i) 本文制造的 S-PVDF 膜的照片。j) S-PVDF 膜中存在的各种元素的能量色散光谱 (EDS) 元素映射图像。k) 不同硅氧烷含量的 S-PVDF 膜的 FTIR 光谱。
图3. 本文开发的S-PVDF膜的电性能、TENG和SP-HPS的工作机理以及模拟结果。a) TENG 和 SP-HPS 的工作原理，用于能量产生和同时静态和动态压力检测。b) CPS 原则的详细说明。c）TENG在按下和释放周期中的电压产生过程的波形。d) TENG 的 COMSOL 仿真结果。e）TENG在摩擦电对之间不同间隙距离处的模拟表面电位图。f) SP-HPS 的等效电路模型，用于同时进行静态和动态压力测量。g) 测得的介电常数随 PVDF 中硅氧烷含量的变化而变化的曲线。
图4. 基于 S-PVDF 的 TENG 的电学特性。a )具有不同硅氧烷含量 (%) 的 S-PVDF 膜的TENG的输出电压 ( Vo ) 波形。b) 短路电流（I sc) 在 PVDF 中具有不同硅氧烷含量 (%) 的 S-PVDF 膜的TENG 波形。c) 具有不同硅氧烷含量的 S-PVDF 膜的 TENG 的转移电荷波形 (%)。d)TENG 的峰值功率和负载电压曲线作为负载电阻变化的函数。e) TENG 的电压、电荷和电流与不同输入频率的关系。f) 负载电压和峰值功率与频率的关系。g) 整流过程的示意图。h) TENG的电容器充电电压曲线。i) 通过从 TENG 收集的能量运行的商用传感器和设备的示意图。j) TENG 的 LED 演示照片和串联排列的 LED 的开启情况。
图5. SP-HPS 的电气特性和用于用户身份验证的传感器阵列。a) 制造的 S-PVDF、尼龙 6/6、PVA/LiTFSI 纳米纤维膜、微结构金电极、TENG 传感器单元、CPS 单元和 HPS 单元的照片。b)用于用户认证的 SP-HPS 阵列示意图。c）实时低频（0.5-3 Hz）手指敲击动作下TENG的电压波形。d）TENG在不同输入压力（0.5-25kPa）下的电压波形。e）TENG在不同动态压力下的整流电压波形。f) TENG 在 1 Hz 时的动态压力灵敏度曲线。g) CPS 在不同输入压力下的电容压力灵敏度曲线。h) 自供电 CPS 在不同静压下的电压波形。i) 自供电 CPS 在不同输入压力下的灵敏度曲线。
图6. 使用神经网络的基于SP-HPS 阵列的用户认证系统。a) 使用神经网络的基于智能键盘的用户识别和认证系统的方法。b) 代表智能用户认证平台的系统架构，用于在使用人工智能的电子访问系统中实现个性化安全。c)基于 CPS 数组的用户认证准确度得分。d) 基于 TENG 传感器阵列的用户认证准确度得分。e) 基于 HPS 数组的用户认证准确度得分。f) 三种不同情况下使用通用代码“1432”时三个用户的用户准确率结果（以%计）与平均准确率的比较。
本文提出一种新型的S-PVDF复合纳米纤维膜，作为具有优良介电性能和表面电位的高负极TENG层。与采用原始PVDF纳米纤维的TENG相比，由S-PVDF和尼龙6/6纳米纤维膜组成的TENG的电性能有显著提高，峰值功率密度为13.25 Wm−2。TENG的摩擦电输出适用于在很短的时间内操作商业电子元件和为存储设备充电。此外，开发的膜具有出色的机械可压缩性，使其更适合测量微小的动态压力变化，而无需额外的功率。为了提高智能用户认证平台的测量精度，集成了基于PVA-LiTFSI纳米纤维膜的高灵敏度CPS，可以组合静态输入特征进行高精度测量。为此，将基于S-PVDF膜的新型TENG用作动态压力传感器，将CPS用作静压传感器，形成自供电HPS单元。此外，S-PVDF膜出色的信号稳定性（>60000次循环）和摩擦电性能凸显了其对高性能能量收集的重要性，这有助于未来自供电物联网和自供电电子产品的可持续性。（文：SSC）
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