基于KNN-PVDF纳米复合材料的可穿戴呼吸传感器：设计、制备与高性能应用

研究人员针对可穿戴健康监测设备对高灵敏度、自供能传感器的需求，开发了基于KNN-PVDF纳米复合材料的柔性热释电传感器。通过溶液浇铸技术制备的复合材料展现出优异性能：热释电系数达14.7×10-4 C·m-2·K-1，输出功率密度0.8 μW/cm2，并实现30 cm非接触式呼吸监测（响应/恢复时间1.20/1.62秒）。该研究为自供能医疗监测设备提供了新材料解决方案。

　　

在智能医疗快速发展的今天，可穿戴健康监测设备面临两大核心挑战：如何实现高灵敏度生理信号检测，以及如何摆脱传统电池的能源束缚。呼吸频率作为评估人体健康状态的关键指标，其持续监测对睡眠研究、运动训练及呼吸系统疾病预警具有重要意义。传统接触式传感器存在舒适性差、易受干扰等问题，而现有非接触式传感器又面临灵敏度不足、依赖外部供电等瓶颈。针对这些难题，德里大学物理与天体物理系的研究人员创新性地将环境友好型压电材料钾钠铌酸盐(K_0.5Na_0.5NbO₃, KNN)与聚偏氟乙烯(PVDF)复合，开发出兼具柔性与高性能的热释电传感器，相关成果发表于《Sensors and Actuators A: Physical》。

研究团队采用溶液浇铸法制备30% KNN掺杂的PVDF纳米复合材料，通过定制加热系统测试热释电性能。关键技术创新包括：优化陶瓷填料比例提升β晶相含量，设计非对称电极结构增强电荷收集效率，以及开发温度波动信号处理算法。

实验部分显示，材料制备过程中通过60℃磁力搅拌实现PVDF均匀溶解，固态法合成的KNN粉末与聚合物基体形成三维网络结构。传感响应测试表明，在50K温差下获得14.7×10^-4 C·m^-2·K^-1的热释电系数，较纯PVDF提升30倍。呼吸监测实验记录到1.20秒的快速响应时间和1.62秒恢复时间，最远检测距离达30厘米。结论部分指出，该器件703 pm/V的电流响应度和49.47的品质因数(FOM)均优于已报道的无铅铁电复合材料，其0.8 μW/cm²的功率输出可驱动低功耗无线传输模块。

这项研究的突破性在于：首次将KNN-PVDF复合材料应用于呼吸监测场景，通过材料-结构-应用三重创新，解决了传统传感器刚性大、检测距离短的问题。其环境友好特性规避了铅基材料(PZT)的毒性风险，1470 μC·m^-2·K^-1的热释电系数为自供能医疗电子提供了新选择。未来通过集成能量收集电路，该技术有望实现哮喘预警、睡眠呼吸暂停监测等临床应用，推动可穿戴医疗设备向零功耗方向迈进。