光学脉搏MEMS传感/供能系统应用于人体长期血压监测和静脉PPG波形监测

MEMS 2024-12-13 06:27

研究背景

随着人工智能(AIoT)革命对可穿戴电子产品的需求不断增加,微型供能系统在实现高功率输出、高面容量而面临着更严峻的挑战。本文提出了一种超氧活化的三电子转移 (Ni↔Ni³⁺)氧化还原反应新机制,同时实现了微型水系镍锌电池(CPS-Ni||Zn MB)的高能量密度及高功率密度,并作为应用展示,以制作的MB作为MEMS集成化供能系统,结合PPG传感系统实现了人体长期血压/静脉实时监测。


Ultrahigh Energy and Power Density in Ni–Zn Aqueous Battery via Superoxide-Activated Three-Electron Transfer

Yixue Duan, Bolong Li, Kai Yang*, Zheng Gong, Xuqiao Peng, Liang He*, Derek Ho*
Nano-Micro Letters (2025)17: 79

https://doi.org/10.1007/s40820-024-01586-z


本文亮点

1. 提出了一种新颖的超氧活化实现三电子转移 (Ni↔Ni³⁺)氧化还原反应机制,显著提升了微型Ni电极利用率。

2. 制备的CPS-Ni微电极在5 mA cm⁻²的电流密度下表现出3.21 mAh cm⁻²的超高容量。组装的CPS-Ni||Zn MB实现了3.21 mAh cm⁻²的高能量密度及339.56 mW cm⁻²的高功率密度。

3. 能量供应单元集成到多波长PPG传感的柔性可穿戴设备中,实现了超过7天的人体血压/静脉连续监测。

内容简介

水系Ni-Zn MB具有安全、可靠且价格低廉的优势,但受限于较低的能量和功率密度。香港城市大学Derek Ho/四川大学何亮提出了一种超氧活化的三电子转移 (Ni↔Ni³⁺)氧化还原反应新机制。原位拉曼测试及密度泛函理论模拟表明,超氧化物通过降低反应的吉布斯自由能,激活了Ni衬底与KNiO₂之间的直接氧化还原反应。制备的Ni (CPS-Ni)电极在5 mA cm⁻²的电流密度下表现出3.21 mAh cm⁻²的超高容量,几乎是传统单电子电极的8倍。即使在超高的200 mA cm⁻²电流密度下,CPS-Ni电极在10,000次循环后仍具有86.4%的容量保持率,库伦效率为99.2%。CPS-Ni||Zn MB实现了6.88 mWh cm⁻²的卓越能量密度和339.56 mW cm⁻²的高功率密度。设备演示表明,该电源可以连续运行7天以上,为PPG波形监测的传感和计算密集型实际应用提供了充足动力。这项工作为开发具有高容量和长寿命的多电子转移机制先进水系Ni-Zn MB铺平了道路。

图文导读

I 氧化还原表征和机理描述

为了研究CPS-Ni电极的氧化还原反应机理,在循环伏安 (CV)下,在0-0.64 V的电压窗口内进行了原位拉曼光谱表征(图1a)。与仅由Ni(OH)₂和NiOOH相组成的传统方程相比,四个新产生的物相,即O-O⁻、NiOO⁻、NiO和KNiO₂,表明CPS-Ni电极充电过程中存在的新氧化还原机制。此外,我们使用未活化的Ni衬底作为电极,测试了含有超氧化物自由基的KOH电解质中CV和充放电曲线。结果验证了KNiO₂仅在超氧自由基活化下在Ni衬底上生成的事实。结合拉曼光谱的结果,我们提出了在CPS-Ni电极体系中包含三电子转移的氧化还原反应:

采用DFT优化反应物和产物的晶体结构(图1b),计算了无电场作用下总反应(ΔGo)和子反应 (ΔG1,ΔG2,ΔG3)的吉布斯自由能。计算结果表明,在0.59 V电压下整体反应是可能的,而步骤2即使在此电场下也难以发生,因此结合实际反应结果可以推断,超氧化物可能起到催化剂的作用,这也与拉曼光谱检测到形成过镍酸盐 (NiOO⁻)的结果一致。CPS-Ni电极在1 mV S⁻¹扫描速率下的CV曲线如图1c所示,CPS-Ni电极显示出两对明显的氧化还原峰出现在0.51/0.33 V(峰1)和0.59/0.40 V(峰2)。具体而言,0.51/0.33 V处氧化还原电位的峰1由经典单电子反应组成。0.59/0.40V电位下的氧化还原电位峰值2可以归属于Ni和KNiO₂的新氧化还原反应,这与CV充放电过程中的原位拉曼结果一致。为了研究超氧化物参与的电极反应深度和分层纳米多孔结构对容量的贡献,通过激光刻蚀制备了三种不同厚度(100、60和20 μm)的CPS-Ni电极(图1d,e)。结果表明,超氧化物参与了整个电极的反应,而不仅仅是表面反应行为。如图1f所示,随着扫描速率从1增加到10 mV S⁻¹,CPS-Ni电极的赝电容贡献从20%逐渐增加到44%,这主要归因于CPS-Ni电极的分层纳米多孔结构导致的快速离子扩散(毛细行为)和高比表面积。

图1 CPS-Ni电极的氧化还原机理:(a) CPS-Ni电极在0-0.64 V电压窗口下的原位拉曼光谱,(b) 计算不同晶体的自由能和反应路径的吉布斯自由能,(c) CV-Ni和CPS-Ni的CV曲线,(d) 不同蚀刻厚度的CPS-Ni电极的CV曲线和(e) 相应的光学图像。

II  电化学性能及柔性穿戴应用展示

作为所提出策略在实际应用中的演示,以Zn为负极,CPS-Ni电极为正极,组装了CPS-Ni||Zn MB。如图2a所示,具有叉指电极的MB面积仅为0.7 cm²,厚度仅为0.5 mm。图2b显示了CPS-Ni||Zn MB在10 mA cm⁻²电流密度下的循环性能,初始容量为3.76 mAh cm⁻²,100次循环后容量为3.52 mAh cm⁻²,容量保持率为93.6%。倍率性能如图2c所示,CPS-Ni||Zn MB在电流密度为5、10、20、50、100和200 mA cm⁻²时的容量分别可达到3.96、3.85、3.78、3.53、3.34和3.18 mAh cm⁻²,即使在电流密度增加40倍的情况下也能表现出80.3%的优异倍率性能。如图2d、e所示,将CPS-Ni正极和CPS-Ni||Zn MB的比容量、倍率容量、功率密度和能量密度等性能指标与其它镍基正极进行了比较,CPS-Ni||Zn MB的最佳能量密度为6.88 mWh cm⁻²,功率密度为339.56 mW cm⁻²,表现出可与商用锂电池相媲美的性能。为了验证CPS-Ni||Zn MB作为可穿戴储能设备的商业可行性,将CPS-Ni||Zn MB作为电源集成到多波长可穿戴电子设备 (MWPPG)中,以测量连续PPG波形。如图2f所示,柔性指环可连续监测人体PPG波形7天,这进一步证实了CPS-Ni||Zn MB可作为长期电源为传感和计算密集型可穿戴设备供能。

图2 CPS-Ni||Zn MB的电化学性能和可穿戴应用。(a) CPS-Ni||Zn MB集成到可穿戴静脉PPG波形检测装置中的示意图,(b) 10 mA cm⁻²下的循环性能,(c) 倍率性能,(d) 容量和(e) 能量/功率密度与最近报道的高性能微电源的比较,(f) 使用各种车载光源检测血液脉搏信号。

作者简介


何亮

本文通讯作者

四川大学 研究员
主要研究领域
微纳制造、集成器件及表征

个人简介

何亮,博士,研究员,博士生导师,四川大学“双百B”引进人才,四川省“特聘专家”,博士毕业于日本东北大学。在武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室工作期间,先后入选湖北省“楚天学者”计划,武汉市“晨光青年科技人才”计划和武汉理工大学“青年拔尖人才”计划。长期致力于微纳制造、集成器件及表征这一研究领域,主持国家自然科学面上/青年基金、科技部国家重点研发计划子项目、中国博士后科学基金特别资助项目、湖北省自然科学基金等。已发表SCI收录论文100余篇(其中以第一/通讯作者发表论文61篇),有多篇论文发表在Advanced Materials,Advanced Energy Materials,Nano-Micro Letters,Advanced Functional Materials,Nano Letters,Small等期刊上,被他引共10200余次,H指数为52,获2019年国家自然科学二等奖(序4)。

E-mailhel20@scu.edu.cn


Derek Ho

本文通讯作者

香港城市大学 副教授
主要研究领域
微电子学与固体电子学、新一代电子信息技术、人工智能。

个人简介

Derek Ho 教授目前是香港城市大学材料科学与工程系的副教授。他是香港心脑血管健康工程中心的联合首席研究员,主要从事可穿戴医疗电子产品多功能材料和设备的转化研究,长期致力于柔性电子材料和器件的研究,主要集中在两个应用领域:(i)传感器(机械、化学和生物)和(ii)电化学储能装置(例如柔性超级电容器和电池)。

E-mailderekho@cityu.edu.hk

延伸阅读:
《可穿戴传感器技术及市场-2025版》
《传感器技术及市场-2024版》

MEMS 中国首家MEMS咨询服务平台——麦姆斯咨询(MEMS Consulting)
评论 (0)
  • 引言在语音芯片设计中,输出电路的设计直接影响音频质量与系统稳定性。WT588系列语音芯片(如WT588F02B、WT588F02A/04A/08A等),因其高集成度与灵活性被广泛应用于智能设备。然而,不同型号在硬件设计上存在关键差异,尤其是DAC加功放输出电路的配置要求。本文将从硬件架构、电路设计要点及选型建议三方面,解析WT588F02B与F02A/04A/08A的核心区别,帮助开发者高效完成产品设计。一、核心硬件差异对比WT588F02B与F02A/04A/08A系列芯片均支持PWM直推喇叭
    广州唯创电子 2025-04-01 08:53 192浏览
  • 北京贞光科技有限公司作为紫光同芯授权代理商,专注于为客户提供车规级安全芯片的硬件供应与软件SDK一站式解决方案,同时配备专业技术团队,为选型及定制需求提供现场指导与支持。随着新能源汽车渗透率突破40%(中汽协2024数据),智能驾驶向L3+快速演进,车规级MCU正迎来技术范式变革。作为汽车电子系统的"神经中枢",通过AEC-Q100 Grade 1认证的MCU芯片需在-40℃~150℃极端温度下保持μs级响应精度,同时满足ISO 26262 ASIL-D功能安全要求。在集中式
    贞光科技 2025-04-02 14:50 124浏览
  • 职场之路并非一帆风顺,从初入职场的新人成长为团队中不可或缺的骨干,背后需要经历一系列内在的蜕变。许多人误以为只需努力工作便能顺利晋升,其实核心在于思维方式的更新。走出舒适区、打破旧有框架,正是让自己与众不同的重要法宝。在这条道路上,你不只需要扎实的技能,更需要敏锐的观察力、不断自省的精神和前瞻的格局。今天,就来聊聊那改变命运的三大思维转变,让你在职场上稳步前行。工作初期,总会遇到各式各样的难题。最初,我们习惯于围绕手头任务来制定计划,专注于眼前的目标。然而,职场的竞争从来不是单打独斗,而是团队协
    优思学院 2025-04-01 17:29 200浏览
  • 引言随着物联网和智能设备的快速发展,语音交互技术逐渐成为提升用户体验的核心功能之一。在此背景下,WT588E02B-8S语音芯片,凭借其创新的远程更新(OTA)功能、灵活定制能力及高集成度设计,成为智能设备语音方案的优选。本文将从技术特性、远程更新机制及典型应用场景三方面,解析该芯片的技术优势与实际应用价值。一、WT588E02B-8S语音芯片的核心技术特性高性能硬件架构WT588E02B-8S采用16位DSP内核,内部振荡频率达32MHz,支持16位PWM/DAC输出,可直接驱动8Ω/0.5W
    广州唯创电子 2025-04-01 08:38 166浏览
  • 文/郭楚妤编辑/cc孙聪颖‍不久前,中国发展高层论坛 2025 年年会(CDF)刚刚落下帷幕。本次年会围绕 “全面释放发展动能,共促全球经济稳定增长” 这一主题,吸引了全球各界目光,众多重磅嘉宾的出席与发言成为舆论焦点。其中,韩国三星集团会长李在镕时隔两年的访华之行,更是引发广泛热议。一直以来,李在镕给外界的印象是不苟言笑。然而,在论坛开幕前一天,李在镕却意外打破固有形象。3 月 22 日,李在镕与高通公司总裁安蒙一同现身北京小米汽车工厂。小米方面极为重视此次会面,CEO 雷军亲自接待,小米副董
    华尔街科技眼 2025-04-01 19:39 209浏览
  • 随着汽车向智能化、场景化加速演进,智能座舱已成为人车交互的核心承载。从驾驶员注意力监测到儿童遗留检测,从乘员识别到安全带状态判断,座舱内的每一次行为都蕴含着巨大的安全与体验价值。然而,这些感知系统要在多样驾驶行为、复杂座舱布局和极端光照条件下持续稳定运行,传统的真实数据采集方式已难以支撑其开发迭代需求。智能座舱的技术演进,正由“采集驱动”转向“仿真驱动”。一、智能座舱仿真的挑战与突破图1:座舱实例图智能座舱中的AI系统,不仅需要理解驾驶员的行为和状态,还要同时感知乘员、儿童、宠物乃至环境中的潜在
    康谋 2025-04-02 10:23 98浏览
  • 升职这件事,说到底不是单纯靠“干得多”或者“喊得响”。你可能也看过不少人,能力一般,甚至没你努力,却升得飞快;而你,日复一日地拼命干活,升职这两个字却始终离你有点远。这种“不公平”的感觉,其实在很多职场人心里都曾经出现过。但你有没有想过,问题可能就藏在一些你“没当回事”的小细节里?今天,我们就来聊聊你升职总是比别人慢,可能是因为这三个被你忽略的小细节。第一:你做得多,但说得少你可能是那种“默默付出型”的员工。项目来了接着干,困难来了顶上去,别人不愿意做的事情你都做了。但问题是,这些事情你做了,却
    优思学院 2025-03-31 14:58 119浏览
  • 探针本身不需要对焦。探针的工作原理是通过接触被测物体表面来传递电信号,其精度和使用效果取决于探针的材质、形状以及与检测设备的匹配度,而非对焦操作。一、探针的工作原理探针是检测设备中的重要部件,常用于电子显微镜、坐标测量机等精密仪器中。其工作原理主要是通过接触被测物体的表面,将接触点的位置信息或电信号传递给检测设备,从而实现对物体表面形貌、尺寸或电性能等参数的测量。在这个过程中,探针的精度和稳定性对测量结果具有至关重要的影响。二、探针的操作要求在使用探针进行测量时,需要确保探针与被测物体表面的良好
    锦正茂科技 2025-04-02 10:41 71浏览
  • REACH和RoHS欧盟两项重要的环保法规有什么区别?适用范围有哪些?如何办理?REACH和RoHS是欧盟两项重要的环保法规,主要区别如下:一、核心定义与目标RoHS全称为《关于限制在电子电器设备中使用某些有害成分的指令》,旨在限制电子电器产品中的铅(Pb)、汞(Hg)、镉(Cd)、六价铬(Cr6+)、多溴联苯(PBBs)和多溴二苯醚(PBDEs)共6种物质,通过限制特定材料使用保障健康和环境安全REACH全称为《化学品的注册、评估、授权和限制》,覆盖欧盟市场所有化学品(食品和药品除外),通过登
    张工13144450251 2025-03-31 21:18 145浏览
  • 提到“质量”这两个字,我们不会忘记那些奠定基础的大师们:休哈特、戴明、朱兰、克劳士比、费根堡姆、石川馨、田口玄一……正是他们的思想和实践,构筑了现代质量管理的核心体系,也深远影响了无数企业和管理者。今天,就让我们一同致敬这些质量管理的先驱!(最近流行『吉卜力风格』AI插图,我们也来玩玩用『吉卜力风格』重绘质量大师画象)1. 休哈特:统计质量控制的奠基者沃尔特·A·休哈特,美国工程师、统计学家,被誉为“统计质量控制之父”。1924年,他提出世界上第一张控制图,并于1931年出版《产品制造质量的经济
    优思学院 2025-04-01 14:02 148浏览
  • 据先科电子官方信息,其产品包装标签将于2024年5月1日进行全面升级。作为电子元器件行业资讯平台,大鱼芯城为您梳理本次变更的核心内容及影响:一、标签变更核心要点标签整合与环保优化变更前:卷盘、内盒及外箱需分别粘贴2张标签(含独立环保标识)。变更后:环保标识(RoHS/HAF/PbF)整合至单张标签,减少重复贴标流程。标签尺寸调整卷盘/内盒标签:尺寸由5030mm升级至**8040mm**,信息展示更清晰。外箱标签:尺寸统一为8040mm(原7040mm),提升一致性。关键信息新增新增LOT批次编
    大鱼芯城 2025-04-01 15:02 202浏览
  • 在智能交互设备快速发展的今天,语音芯片作为人机交互的核心组件,其性能直接影响用户体验与产品竞争力。WT588F02B-8S语音芯片,凭借其静态功耗<5μA的卓越低功耗特性,成为物联网、智能家居、工业自动化等领域的理想选择,为设备赋予“听得懂、说得清”的智能化能力。一、核心优势:低功耗与高性能的完美结合超低待机功耗WT588F02B-8S在休眠模式下待机电流仅为5μA以下,显著延长了电池供电设备的续航能力。例如,在电子锁、气体检测仪等需长期待机的场景中,用户无需频繁更换电池,降低了维护成本。灵活的
    广州唯创电子 2025-04-02 08:34 152浏览
  • 退火炉,作为热处理设备的一种,广泛应用于各种金属材料的退火处理。那么,退火炉究竟是干嘛用的呢?一、退火炉的主要用途退火炉主要用于金属材料(如钢、铁、铜等)的热处理,通过退火工艺改善材料的机械性能,消除内应力和组织缺陷,提高材料的塑性和韧性。退火过程中,材料被加热到一定温度后保持一段时间,然后以适当的速度冷却,以达到改善材料性能的目的。二、退火炉的工作原理退火炉通过电热元件(如电阻丝、硅碳棒等)或燃气燃烧器加热炉膛,使炉内温度达到所需的退火温度。在退火过程中,炉内的温度、加热速度和冷却速度都可以根
    锦正茂科技 2025-04-02 10:13 70浏览
  •        在“软件定义汽车”的时代浪潮下,车载软件的重要性日益凸显,软件在整车成本中的比重逐步攀升,已成为汽车智能化、网联化、电动化发展的核心驱动力。车载软件的质量直接关系到车辆的安全性、可靠性以及用户体验,因此,构建一套科学、严谨、高效的车载软件研发流程,确保软件质量的稳定性和可控性,已成为行业共识和迫切需求。       作为汽车电子系统领域的杰出企业,经纬恒润深刻理解车载软件研发的复杂性和挑战性,致力于为O
    经纬恒润 2025-03-31 16:48 95浏览
  • 文/Leon编辑/cc孙聪颖‍步入 2025 年,国家进一步加大促消费、扩内需的政策力度,家电国补政策将持续贯穿全年。这一利好举措,为行业发展注入强劲的增长动力。(详情见:2025:消费提振要靠国补还是“看不见的手”?)但与此同时,也对家电企业在战略规划、产品打造以及市场营销等多个维度,提出了更为严苛的要求。在刚刚落幕的中国家电及消费电子博览会(AWE)上,家电行业的竞争呈现出胶着的态势,各大品牌为在激烈的市场竞争中脱颖而出,纷纷加大产品研发投入,积极推出新产品,试图提升产品附加值与市场竞争力。
    华尔街科技眼 2025-04-01 19:49 210浏览
我要评论
0
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦