具有设计跨尺度孔隙的超灵敏类压电薄膜：开启可穿戴生物信号监测新时代

在可穿戴电子设备对生物信号监测需求日益增长的背景下，研究人员针对传统压电材料的不足，开展了关于具有跨尺度孔隙的聚偏氟乙烯 - 三氟乙烯（PVDF - TrFE）压电薄膜的研究。结果表明该薄膜有效压电系数高达 2.1×104pC/N ，在生物信号监测方面极具潜力，推动了柔性自供电电子领域的发展。

　　在科技飞速发展的当下，可穿戴电子设备越来越普及，人们对其生物信号监测功能的要求也越来越高。然而，实现高效的机械生物信号检测困难重重，这是因为这些信号既微弱又分散。传统的压电材料在应对这一挑战时，表现出诸多不足。压电陶瓷，像铅基无机陶瓷锆钛酸铅（PZT），虽然压电系数 d_33,eff大于 400pC/N ，但脆性和刚性较大，限制了实际应用；而压电聚合物，例如聚偏氟乙烯（PVDF），虽具备高柔韧性，压电系数却较低。

为了解决这些问题，研究人员开启了一项重要研究。他们致力于开发一种性能卓越的压电材料，以满足可穿戴电子设备对生物信号监测的严格要求。最终，研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上。

研究人员采用了多种关键技术方法。首先是薄膜制备技术，通过沉淀法制备 PVDF - TrFE，经一系列处理后与氟乙烯丙烯共聚物（FEP）制成三明治结构，并在表面沉积银电极；接着利用电晕放电法对薄膜进行充电；最后运用多种仪器对薄膜的形貌、结构和性能进行表征与测量。

研究结果如下：

• 压电薄膜的制备：通过在异质三明治结构中引入层间孔隙存储电荷，制备出 FEP/PVDF - TrFE/FEP 压电薄膜。具体过程为，将 PVDF - TrFE 旋涂在 PDMS 基底上，经热图案化、冷却剥离后，与两片 FEP 热粘合，再涂覆银电极并进行电晕放电处理。在这个过程中，层间孔隙能分别在褶皱表面存储正负净电荷，形成宏观等效偶极子，从而产生超高的有效压电系数和优异的电响应。
• 结构设计：构建了现象学模型研究几何参数对压电系数的影响。发现增加极化电压可增强压电系数，但电压过高效果不再提升。通过改变掩模网孔尺寸调整孔隙率，研究表明当腔半径 r_c = 100μm 时，d_33,eff达到平稳值 。提高图案化压力能增加电荷存储孔的深度，提升压电系数。在 110°C 图案化时，薄膜形成跨尺度纹理，进一步增强了压电系数，优化条件后薄膜的压电系数最高可达 2.1×10⁴pC/N ，两周后仍保持在 1.5×10⁴pC/N 。
• 表征：对薄膜进行多项性能测试。在准静态机械加载下，电输出与样品面积成正比，压电系数与尺寸大致无关；经 8000 次双向弯曲循环后，薄膜机电性能稳定；其压电系数在 24 小时内有一定衰减，之后保持稳定，30 天后仍能保留初始值的 60% 以上 。薄膜具有良好的弹性，拉伸应变在约 21.8% 以内表现为弹性变形，在 21.8% - 330.2% 之间为塑性变形，330.2% 时发生断裂，弹性模量约为 30MPa。在 30°C - 60°C 的加热 - 冷却循环中，压电系数保持稳定，120°C 时仍能保留一定的压电系数值。
• 机电性能：对尺寸为 10mm×10mm×110μm、d_33,eff为 9.1×10³pC/N 的样品进行测试。在 - 45° 至 45° 双向弯曲时，能产生明显的电压信号，45° 弯曲时开路电压（V_oc）和短路电流（I_sc）的峰峰值分别超过 30V 和 4μA 。在 1Hz - 4Hz 频率范围内，峰峰值保持一致。对轴向运动的测试中，V_oc和 I_sc分别达到 1.7V 和 100nA ，低频时电信号稳定。
• 应用：该薄膜在多种场景展现出优异性能。在弯曲角度传感方面，灵敏度高达 20.1pC / 度（相当于 1.893V / 度），远超单一 PVDF - TrFE 薄膜。在加速度传感中，加速度灵敏度达到 220.8pC/(m?s^?2) ，额外添加重量后灵敏度可提升至 287.7pC/(m?s^?2) 。在手指点击检测中，能产生 40 - 120V 的电压脉冲；在手腕脉搏监测中，能精准跟踪不同身体状态下的脉搏变化；在监测超轻微冲击事件时，能有效检测到 0.02g 树叶掉落产生的信号，且具有高信噪比。

研究结论与讨论部分指出，该研究设计出具有跨尺度孔隙的柔性压电薄膜，有效压电系数可在 2×10³ - 2.1×10⁴pC/N 之间调节 。薄膜具备自供电能力、高柔韧性、温度稳定性和耐用性，非常适合用于可穿戴电子设备，尤其是需要精确生物信号监测的应用场景。它能精准跟踪手腕脉搏变化，对简单手指点击也能产生高电压脉冲，在高灵敏度、实时人体健康监测方面潜力巨大。这项研究为显著提升压电驻极体的机电性能提供了新策略，为生物信号传感在众多应用领域提供了高性能的压电薄膜材料，有望推动下一代可穿戴传感器和医疗设备的变革性发展。