压电特性及能量自拾取特性的研究

柔性传感器的发展为人工智能和可穿戴设备的进步提供了重要途径。柔性敏感膜是人体可穿戴传感器的典型核心敏感元件，基于压电效应的柔性敏感膜可通过对力的感知完成肢体运动描述、呼吸频次采集等可穿戴化测量。长久以来，具有压电效应的柔性材料主要采用聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride，PVDF）膜及其共聚物，后续研究发现聚丙烯（polypropylene，PP）多孔型材料经合理的电极化后具有明显高于PVDF及其共聚物的压电活性。

据麦姆斯咨询报道，为了进一步明确PP的压电特性，来自中国电子科技集团公司第四十九研究所的研究人员，对具有蜂窝结构的PP经膜膨化和电晕极化处理形成的压电敏感膜进行了压电特性及能量自拾取特性的研究，测试了该类敏感膜对人体运动感知与能量自拾取的能力与效果。相关研究成果以“应用于手部关节运动的压电驻极体柔性传感器”为题发表于《传感器与微系统》（Transducer and Microsystem Technologies）期刊。

研究人员首先对压电敏感膜进行了制备（图1）。研究所使用的敏感膜是以初始厚度为70μm、密度为0.550g/m³规格的成品PP蜂窝薄膜经气压膨化与电晕极化处理后形成的柔性压电敏感膜。针对该敏感膜，根据压电特性与动能拾取特性研究的需求，将敏感膜剪切为多种尺寸与形状，并在其两面进行银电极的制备，从而完成研究样品的制备。首先，将PP蜂窝薄膜剪成5cm × 5cm的方形，放入压力容器中并充入压缩氮气使其压力达到接近2MPa，待充气完毕稳定2.5h，使PP薄膜中的孔洞内部气压与容器内气压充分平衡，再将容器放入恒温箱加热至120℃，温度达到120℃±3℃后稳定3.5h，使薄膜整体充分均匀受热。膨化前后断面SEM照片如图2所示。

图1 PP压电驻极体薄膜制备过程示意

图2 具有孔洞结构的PP薄膜膨化前后断面SEM照片

其次，将气压膨化后的薄膜进行电晕充电，并采用聚酰亚胺（polyimide，PI）材料作为掩模板来限制电极的形状和面积，并采用涂覆法在其上下表面覆盖一层厚度为0.2μm的导电银浆常温条件下固化，进而完成电极的制备，PP薄膜如图3所示。

图3 掩模板样式以及电极制作完成的PP薄膜

接着，研究人员按照设计方案进行了柔性压电敏感膜阵列的制作，采用冷压封装技术，依据人体手部关节分布确定三个阵元位置，按照图4（a）结构设计叠加，最后将聚酰亚胺的其余边缘部分紧密压合在一起。将此敏感芯体放入冷压机中，设置好一定压力，进行冷压处理，得到封装好的压电薄膜阵列。

图4 压电敏感膜阵列图设计与制作

最后，研究人员选取了人体手指关节处做指定运动，从而进行可穿戴测试。测试结果表明，当关节有弯曲等动作时，传感器会因其形变产生相应输出，以便于监测人体的生理参数和动态情况。将敏感膜使用硅胶贴粘贴于手指背部，以食指为例1min内做往复的弯曲-伸展运动，其测试结果波形如图5所示。

图5 柔性压电传感器在指关节不同弯曲程度下相应输出

结果表明，当手指保持伸直状态时，附着在手指部位的器件没有受到外界压力，器件没有响应输出。当手指不断的弯曲与伸展时，器件受到的应力方向有区别。而且可以看出传感器电压信号随着手指弯曲程度的不同表现出不同的输出，因此其信号可用于表征手指弯曲度，进而检测和识别人体关节运动。并且该器件不需要外部供电，能实现自行监测。同时，针对人体手指关节运动的采集，其波形的形态与采集的幅值，可在无需放大和复杂处理的情况下实现步数记录、运动剧烈程度判定等人体活动情况测量，具有良好的应用前景和开发价值。

论文链接：
http://dx.doi.org/10.13873/J.1000-9787(2022)05-0157-04

审核编辑 ：李倩