《Sensors and Actuators A: Physical》：Recent Advances in Flexible Piezoelectric Pressure Sensors for Human–Machine Interaction
编辑推荐：
摘要柔性压电压力传感器能够将微弱的动态机械激励转换为具有高信噪比的电信号，并结合自供电操作和毫秒级的响应时间，这使得它们在可穿戴健康监测、电子皮肤和智能人机交互等新兴领域中变得不可或缺。然而，这一领域面临着压电活性与机械灵活性之间的固有矛盾，以及同时优化包括灵敏度、线性和稳定性在
摘要
柔性压电压力传感器能够将微弱的动态机械激励转换为具有高信噪比的电信号，并结合自供电操作和毫秒级的响应时间，这使得它们在可穿戴健康监测、电子皮肤和智能人机交互等新兴领域中变得不可或缺。然而，这一领域面临着压电活性与机械灵活性之间的固有矛盾，以及同时优化包括灵敏度、线性和稳定性在内的多个性能指标的挑战。因此，迫切需要在材料设计和结构工程层面进行系统性的回顾。本文总结了柔性压电压力传感器的最新研究进展，探讨了压电材料系统（包括无机压电材料、有机聚合物及其复合材料和压电晶体）的演变轨迹，重点关注机械电耦合效率与机械顺应性之间的权衡。随后，讨论了微观/纳米结构工程调节机械载荷传递、增强局部应力集中和提高转换效率的核心机制。文中还回顾了在可穿戴健康监测、触觉感知和人机交互方面的代表性成果。最后，分析了充电泄漏、信号串扰、环境稳定性和制造一致性等技术挑战，并提出了多机制集成、人工智能辅助感知和生物启发式智能系统等未来发展方向。
引言
随着人机交互、可穿戴监测和软体机器人技术的发展，人们对能够结合适应性、优异灵活性和高保真触觉感知的柔性力觉系统提出了更高的要求[1],[2],[3]。在各种机械传感元件中，压力传感器作为物理世界与数字电子系统之间的关键接口，承担着将外部机械激励转换为可处理电信号的重要功能，是电子皮肤、智能假肢和沉浸式交互终端的基本构建模块[4],[5],[6]。传统的压力传感器主要基于硅基压阻式或电容式微机电系统技术，已在工业控制和精密测量应用中得到广泛采用。然而，它们固有的刚性和脆性导致了与生物组织的机械不匹配[7],[8],[9],[10]。当这些刚性设备附着在弯曲的关节、软皮肤或软体机器人执行器上时，会发生界面应力不匹配，这不仅影响信号的真实性和长期稳定性，也从根本上限制了它们在下一代可穿戴设备和交互系统中的潜力[11],[12],[13]。
在这种背景下，柔性压力传感器作为一种新型的转换装置逐渐成为学术界和工业界的研究焦点[14],[15],[16],[17]。根据其信号转换原理，柔性压力传感器主要分为四种类型：压阻式、电容式、压电式和摩擦电式[18],[19],[20]。其中，压电传感器在动态机械信号检测方面具有独特的优势，因为它们具有直接的机械电转换机制。压电材料可以直接将施加的机械应力转换为极化的电荷，无需外部电源即可产生高信噪比的输出。它们的响应时间在微秒到毫秒范围内，特别适合实时监测脉搏波、声振动和关节运动等动态生理信号[21],[22]。值得注意的是，压电传感器在捕获瞬态机械事件方面更具优势，这一互补特性在人机交互场景中具有独特的应用价值，包括触摸手势识别、声音振动感知和动态握力反馈[23],[24],[25]。
柔性压电压力传感器的输出性能受压电材料系统的固有机电转换特性和设备架构有效传递和调节机械载荷能力的影响[26]。在材料层面，压电材料已从无机压电陶瓷（如锆钛酸盐铅（PZT）和钡钛酸盐（BTO）发展到有机压电聚合物（如聚偏二氟乙烯（PVDF）及其共聚物P(VDF-TrFE)（聚偏二氟乙烯-三氟乙烯）），再到压电复合材料。无机压电材料具有高的压电系数和优异的温度稳定性，但其固有的脆性和高杨氏模量限制了其在柔性应用中的使用[27],[28],[29]。相比之下，有机压电聚合物与柔性基底具有良好的机械兼容性和溶液加工性，但相对较低的压电系数成为其灵敏度的瓶颈[30],[31],[32]。近年来，通过在聚合物基质中分散无机压电纳米粒子开发了复合材料，以试图在材料层面调和高压电性和高灵活性之间的矛盾。尽管如此，填料含量、分散状态和界面极化效率之间的复杂相互依赖性仍然是研究重点[33]。在设备架构层面，研究人员从简单的平面薄膜结构发展到引入微 pyramid 和微柱阵列等几何微结构，进一步探索了生物启发式的微结构设计。通过调节设备形态，优化了应力集中效应和机械载荷传递路径，关键性能指标（如灵敏度、检测限和压力分辨率）得到了显著提升[34],[35]。然而，结构工程引入的复杂应力分布也带来了新的挑战，包括滞后、蠕变和非线性响应，因此材料选择和拓扑设计需要综合考虑相互约束并进行协同优化[36]。
因此，本综述聚焦于用于人机交互的柔性压电压力传感器（图 1）。本文系统地涵盖了无机、有机和复合压电材料以及压电晶体的演变和应用前景，并总结了微结构设计如何调节柔性压电传感器的机电转换性能。此外，还评估了各种性能指标之间的内在权衡及相关的协同优化策略，并重点介绍了在可穿戴健康监测、电子皮肤和触觉感知、智能接口和交互系统等代表性应用领域的研究进展。最后，本文深入分析了充电泄漏、性能退化、信号串扰和制造一致性等常见问题，并提出了多机制集成、自供电设计、人工智能赋能和生物启发式系统架构等未来发展方向，旨在为该领域的进一步研究提供有价值的参考。
章节片段
传感机制
柔性压电压力传感器基于压电效应工作，即机械能（压力/应变）直接转换为电能（电荷/电压），用于压力感知[10],[28]。其微观原理在于外力引起的晶体晶格或分子链的变形，导致正负电荷中心之间的相对位移，从而在材料表面产生束缚电荷
核心性能指标
灵敏度定义为 S=dV/dP 或 S=dQ/dP，是评估传感器将微弱机械输入转换为电信号能力的最直接参数，通常表示为输出电压或输出电荷对施加压力的导数[90]。高灵敏度意味着传感器在压力变化较小时就能产生较强的信号响应，这对于捕捉微妙的生理特征至关重要
可穿戴设备和健康监测
与刚性传感器不同，柔性压电传感器由于重量轻、具有适应性贴合能力和自供电功能，能够持续捕捉来自生理过程的微弱机械信号（如心血管脉动、呼吸气流和关节运动），从而实现长期、无创的健康状态监测
当前技术挑战
尽管柔性压电传感器在可穿戴医疗、人机交互和机器人触觉技术方面具有巨大的应用潜力，但其在实际应用中的推广仍受到几个关键技术瓶颈的阻碍，具体如下所述。
(1)压电材料固有的充电泄漏特性限制了它们对静态或准静态机械信号的响应能力
CRediT作者贡献声明
Zihan Chu：撰写——初稿，监督，形式分析。Dejin Zhao：撰写——审阅与编辑，方法学，研究。Qi Song：撰写——初稿，研究。Chengdao Piao：可视化，方法学。Dechao Wang：撰写——审阅与编辑，资源获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
延边大学科学技术项目（602022130）
注释
Zihan Chu出生于中国吉林。她目前是延边大学工程学院机械设计、制造与自动化专业的学生。她在第九届吉林省工程实践与创新能力竞赛和第十二届全国机械创新设计竞赛的吉林赛区中获得了两个一等奖，并三次获得优秀学生奖学金
Zihan Chu|Dejin Zhao|Qi Song|Chengdao Piao|Dechao Wang
