一种基于柔性PVDF薄膜的自供电LC无线传感平台

《Sensors and Actuators A: Physical》：A self-powered LC wireless sensing platform based on flexible PVDF film

　　

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  提出了一种使用PVDF压电薄膜的自供电LC无线传感器。
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  将压电效应与LC谐振结合，实现了低频到高频的转换。
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  该传感器的开路电压是同类TENG装置的两倍。
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  该设备可用于呼吸监测、关节运动监测以及利用机械能为LED无线供电。

引言

作为无线传感器网络在人体监测领域的扩展，体域网络（BANs）正逐渐成为健康监测、医学康复和运动科学等领域的关键技术。[1],[2],[3] 通过在人体表面或体内部署传感器节点，BANs可以实时获取生理和运动信号，为个性化健康管理和疾病早期预警提供数据支持。[4],[5] 在这些网络中，单个传感器节点通常依赖电池供电。然而，传统的电池供电方式存在显著局限性。[6],[7],[8] 例如，电池体积较大，占用可穿戴设备中的宝贵空间，从而限制了设备的设计规格和用户的佩戴体验。[8],[9] 此外，电池的容量也有限。[10],[11] 一旦耗尽，需要手动更换或充电，这不仅增加了维护成本，还可能导致监测中断。为了解决这些问题，研究人员最近提出了无线无源传感器节点的概念，其核心思想是实现能量收集和信号传输的无线化，从而消除了对嵌入式电池的依赖。[12],[13],[14] 例如，Ho等人报告了一种基于近场通信（NFC）技术的无电池传感器网络。[15] 在该系统中，多个无电池的表皮传感器被贴在皮肤表面，以实时监测各种生理参数。能量供应和数据通信由配备NFC线圈的智能服装提供，整个系统通过支持NFC的智能手机进行控制，实现了连续且几乎不易察觉的监测。为了进一步降低系统功耗、减小节点尺寸并提高佩戴舒适度，人们将无需芯片和电池的感应-电容（LC）谐振结构引入了体域网络传感器的设计中。这类传感器无需内置芯片或电池，仅通过电感-电容谐振电路响应电磁信号，大大减少了节点体积和功耗。这些设备适合长期、不显眼且舒适的穿戴集成。Wang等人提出了一种无电池、无芯片且灵活的体域网络系统。[16] 该工作通过改变谐振频率来编码传感信息，在保持灵活性和低复杂度的同时实现了生理信号监测，为新一代轻量级、可持续的体域网络系统提供了重要的技术途径。

近年来，将被动无线传输技术与摩擦电纳米发电机（TENGs）相结合，形成无需电池的主动无线传感系统，已成为自供电传感领域的重要发展方向。[17],[18],[19] 这类系统可以直接从环境中收集机械能量并将其转换为传感信号，实现真正的能量自主性和无线信息传输。[20] 例如，Han等人提出了一种基于摩擦电击穿放电效应的自供电无线传感器。[21] 该系统由一个TENG、一个LC谐振湿度敏感单元和一个可移动的击穿放电结构组成。TENG产生的高压脉冲触发空气击穿放电，立即辐射出电磁波信号，这些信号被远程接收器捕获并解码，从而实现湿度的被动无线监测。此外，Zhang等人报告了一种基于接触分离模式TENG的自供电无线传感器网络。该系统也集成了TENG、LC谐振传感单元和一个机械开关，将TENG产生的脉动电压转换为携带传感信息的谐振信号。该传感器实现了中长距离的实时无线传输，并成功应用于自供电水位监测。上述研究充分证明了摩擦电效应驱动的LC谐振无线信号辐射的可行性，建立了相对成熟的研究范式。然而，对于另一个重要的机电转换分支——压电效应，目前尚无关于直接利用压电材料驱动LC谐振单元辐射电磁波的报道。压电材料具有高响应灵敏度、输出稳定性和易于微制造等优点，特别适合构建连续、低功耗的传感节点。[22],[23],[24] 然而，一个基本问题仍未得到解答，即压电效应是否能够有效驱动LC谐振器产生可无线检测的信号。

为了解决这一空白，本文首次实验验证了压电驱动的LC被动无线传感，通过基于聚偏二氟乙烯（PVDF）压电薄膜的自供电LC无线传感系统实现。PVDF-LC传感器采用多层柔性结构，包括PVDF压电薄膜、柔性LC谐振层以及位于它们之间的垫层。当外部机械压力施加到PVDF薄膜上时，由于压电效应，薄膜会产生瞬态电荷。[25] 当这些电荷与LC谐振层的电极接触时，会激发LC电路中的阻尼振荡，从而将低频机械信号转换为高频电磁谐振信号。[26] 阻尼振荡随后通过磁耦合方式无线传输并远程接收。该设计有效地将PVDF的类似直流的脉冲输出转换为频率稳定的交流载波，显著提高了信号的抗干扰能力和传输可靠性。本文研究了影响传感器性能的关键设计参数，包括PVDF层与LC谐振层之间的间距以及电感线圈的几何形状。为了进一步评估所提设计的性能优势，本文与基于摩擦电纳米发电机（TENG）的LC无线传感方案进行了实验比较。在相同的尺寸条件下，所提出的PVDF-LC传感器在1.5毫米的传输距离下实现了7.5伏的峰峰值输出电压，这是同类TENG方案（约3.6伏）的两倍多。在传输距离方面，传感器的有效信号可以稳定传输至25毫米，远超过TENG-LC系统的约15毫米的限制，展现了其远程传感能力。通过验证，该传感器成功实现了对人体呼吸频率和关节运动状态等生理和运动信号的无线监测。这些演示结果表明，所提出的自供电LC无线传感系统具有紧凑的结构、无需电池的操作和佩戴舒适性，在下一代可穿戴健康监测设备和个性化医疗系统中具有应用潜力。

章节片段

基于PVDF的自供电无线传感器的传感机制

图1a显示了基于PVDF的自供电无线传感器的照片，证明了该设备能够承受较大的弯曲变形。图1b说明了基于PVDF的自供电无线传感器的工作原理。在外部低频机械压力作用下，PVDF会发生可逆变形。基于压电效应，在其上下表面产生相反极性的电荷。当变形的PVDF与电极接触时

材料

PVDF压电薄膜（厚度：38微米，预极化）购自深圳市志美康实业有限公司。导电银浆（E-Solder 3022）购自苏州市新汇高科技材料有限公司。聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜（厚度：25微米）和3M双面胶带（厚度：50微米和1毫米）分别购自佛山市南海区的王达王胶带贸易公司。柔性线圈使用商用

设计参数对传感性能的影响

传感器的输出性能取决于其结构的设计参数。其中，垫层高度是一个关键几何参数，它直接决定了压电层的有效变形。根据公式（2），PVDF产生的电压与其接触下的LC天线的变形成正比，而这种变形又受到垫层高度的直接影响。因此，本研究探讨了

结论

总结来说，本文证明了使用PVDF薄膜实现压电驱动的LC被动无线传感的可行性。理论模拟和实验分析明确了关键设计参数（如PVDF结构间距和谐振天线配置）如何影响输出电压的幅度和频率。通过调整垫层间距和谐振天线结构，所提出的传感器可以生成具有可调幅度的振荡信号

CRediT作者贡献声明

李恒：可视化、软件、数据整理。胡睿：验证、软件、方法论。卢旭梅：监督、资金获取。高英婷：监督、资金获取。彭涛：软件、方法论。聂宝清：撰写-审稿与编辑、方法论、资金获取、形式分析、概念化。袁尧军：撰写-初稿、验证、调查、形式分析、数据整理。吴东林：可视化、软件、方法论、数据整理。贾琪

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号62471326、22203059）、江苏省生物光子学开放项目基金（项目编号2025BPT003、2025BPT004）和青兰项目的支持。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

李恒是苏州大学新一代电子信息技术专业的研究生。她的研究方向是基于无线遥感的柔性传感器。

Heng Li|Yaojun Yuan|Donglin Wu|Jiaqi Zhang|Rui Hu|Xuemei Lu|Enting Gao|Tao Peng|Baoqing Nie