具有显著纵向和横向压电灵敏度的高可拉伸多相复合压电驻极体用于自供电机电传感器

《IEEE Sensors Journal》：Highly Stretchable Multiphase Composite Piezoelectret With Large Longitudinal and Transverse Piezoelectric Sensitivity for Self-Powered Electromechanical Sensors

　　摘要：可拉伸压电传感器在可穿戴电子、先进机器人和人机交互（HMI）等应用领域中备受关注。在本文中，我们报道了一种具有高纵向和横向压电灵敏度的高柔性和可拉伸多相复合压电电介质（MPCP），用于自供电可穿戴机电传感器。该传感器由具有管状凹形通道的图案化氟化乙烯-丙烯（FEP）电介质薄膜、可拉伸的PDMS弹性体层以及可拉伸的顶部和底部电极组成。我们的结果表明，所开发的压电电介质传感器具有较大的有效纵向（d33）和横向（d31）压电系数，分别为250和200 pC/N。图案化FEP薄膜与PDMS弹性基底的组合使MPCP传感器实现了30%的大拉伸性。此外，该传感器具有优异的耐久性，在10000次拉伸循环后仍保持超过93%的初始压电灵敏度。该传感器可以准确检测微弱的生理机械信号，如桡动脉脉搏。研究还表明，MPCP传感器贴合附着在人体关节上，能够有效捕捉关节弯曲的角度、频率和速度。本研究为制备具有高压电灵敏度和大拉伸性的定制MPCP铺平了道路，用于生物力学监测、HMI等领域的柔性传感器。I. 引言可拉伸传感器作为可穿戴电子设备、人机交互界面（HMI）和软机器人的重要组成部分，受到了广泛关注。近年来，基于机电响应的可拉伸电子设备的研究非常丰富，这为一系列新颖应用提供了便利，如电子皮肤[1]、植入式设备[2]和人机交互系统[3]。在这些应用中，可拉伸性是最关键的技术水平，对于实现可嵌入衣物甚至直接附着在皮肤上的可穿戴电子产品至关重要。目前主要有四种将机械信号转换为电信号的机电传感器，包括电容式、电阻式、摩擦电式和压电式[4], [5], [6], [7], [8], [9]。摩擦电和电介质基设备具有不同的工作机制，适用于不同的传感场景。摩擦电设备基于接触带电和静电感应进行自供电传感，尤其适用于接触-分离或滑动运动，因而极具吸引力。相比之下，电介质基传感器可以通过电场或宏观偶极矩的变形诱导变化在稳定接触条件下工作，而不依赖于较大的物理间隙，因此非常适合微弱信号检测[9], [10], [11]。压电传感器由于其高灵敏度、快速响应和自供电特性而被广泛研究[12], [13], [14], [15]。压电传感器特别适合监测生理信号和收集生物机械能，因此在可穿戴和植入式电子设备中发挥着重要作用[16], [17], [18], [19], [20], [21]。理想情况下，压电生物传感器应当是柔性且可拉伸的，以便在工作期间与人体保持符合性接触。传统的压电材料包括压电陶瓷、聚合物和陶瓷-聚合物复合材料，它们都是含有固有偶极单位的极性材料[22], [23], [24], [25]。压电陶瓷至今远未达到足够的柔性和可拉伸性。压电聚合物和复合材料虽然具有柔性，但其可逆拉伸性通常受限于黏弹性滞后和拉伸载荷下的残余变形。开发具有高灵敏度的可拉伸压电材料和器件仍然是一个主要挑战。