中國(guó)電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
近日，上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬基復(fù)合材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室郭益平課題組在面向多向力感知的柔性壓電傳感器研究中取得重要進(jìn)展，研究成果以“Multiscale Interconnected and Anisotropic Morphology Genetic Piezoceramic Skeleton Based Flexible Self-Powered 3D Force Sensor”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上。（DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202503120）。論文第一作者為上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院203級(jí)直博生姜晨暉，上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院郭益平教授和長(zhǎng)征醫(yī)院寶軼副教授為論文的共同通訊作者。該項(xiàng)工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（No.2022YFA1205300 and No.2022YFA1205304）和上海交通大學(xué)“深藍(lán)計(jì)劃”重點(diǎn)項(xiàng)目（SL2022ZD103）的資助。
柔性傳感器具有傳統(tǒng)剛性傳感器難以提供的穿戴舒適性和適形性，可以完美貼合人體皮膚或復(fù)雜曲面。其中，基于壓電效應(yīng)的柔性力傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外界機(jī)械刺激的主動(dòng)感知，而無(wú)需外部供能，在可穿戴電子、機(jī)器人和人機(jī)交互等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。近年來(lái)，為使傳感層兼具壓電陶瓷的高壓電活性和聚合物的柔韌性，研究人員已開發(fā)出多種類型的柔性壓電復(fù)合材料。然而，0-3型壓電復(fù)合材料仍面臨極化效率和應(yīng)力傳遞效率低的挑戰(zhàn)，而具有更高壓電相連通性的2-3、3-3型復(fù)合材料在傳感性能提升的同時(shí)犧牲了部分柔韌性，且大多具有各向同性的特性，限制了其監(jiān)測(cè)多方向大彎曲變形的能力。
針對(duì)現(xiàn)有壓電聚合物及壓電復(fù)合材料在柔性-靈敏度-穩(wěn)定性協(xié)同優(yōu)化以及多向力感知方面的技術(shù)瓶頸，本研究以天然絲瓜內(nèi)壁纖維為模板，利用簡(jiǎn)單的溶膠-凝膠法制備了具有多尺度互連結(jié)構(gòu)的鋯鈦酸鉛（PZT）壓電陶瓷骨架，并進(jìn)一步開發(fā)出了一體化的各向異性壓電傳感器（IAPSC sensor），其在面外壓縮和彎曲模式下均表現(xiàn)出優(yōu)異的傳感能力。研究表明微觀三維互連的貫通孔道結(jié)構(gòu)可顯著提高應(yīng)力傳遞效率，器件在面外壓縮模式下兼具低檢測(cè)限（0.2 kPa）、寬傳感范圍（0.2-325.6 kPa）和高靈敏度（241.12 mV/kPa）。而宏觀各向異性的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)則賦予了器件高壓電各向異性和優(yōu)異的可拉伸性（45%拉伸應(yīng)變），實(shí)現(xiàn)了對(duì)彎曲變形大小和方向的同步識(shí)別。同時(shí)對(duì)稱式一體化的設(shè)計(jì)使柔性器件在30萬(wàn)次壓縮和彎曲循環(huán)后仍能保持穩(wěn)定。該傳感器被成功應(yīng)用于人體心血管健康評(píng)估和物體彈性模量的定量識(shí)別，在健康監(jiān)測(cè)和機(jī)器人智能感知領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。該研究豐富了遺態(tài)材料的多樣性，為功能陶瓷的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一種新的方法。
圖1.傳感器的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用場(chǎng)景
利用該傳感器對(duì)不同個(gè)體橈動(dòng)脈脈搏波進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)，采集壓電脈搏波。由于傳感器具有出色的靈敏度和工作穩(wěn)定性，可以采集到人體標(biāo)準(zhǔn)的脈搏波信號(hào)（三段波）。采用特征參數(shù)法對(duì)脈搏波特征進(jìn)行提取和分析，并結(jié)合定標(biāo)后的血壓波對(duì)不同個(gè)體的心血管參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和分析，最后對(duì)四名個(gè)體的心血管健康狀況進(jìn)行評(píng)估。例如，個(gè)體3的心輸出量（CO）和搏動(dòng)量（SV）偏高，血管彈性（AC）偏低，但血流阻力（TPR）正常，表明其心臟泵血功能異常且存在輕度動(dòng)脈硬化，基于壓電脈搏波的評(píng)估結(jié)果與個(gè)體實(shí)際病癥吻合度高，表明該傳感器在心血管疾病早期篩查和預(yù)防方面有巨大應(yīng)用潛力。
圖2.傳感器用于人體心血管健康狀況的綜合評(píng)估
基于傳感器的壓電響應(yīng)機(jī)制，開發(fā)了一種物體彈性模量的定量識(shí)別策略。通過(guò)測(cè)試具有不同彈性模量物體的動(dòng)態(tài)電壓響應(yīng)信號(hào)，可以計(jì)算出彈性模量。傳感器的高靈敏度使其可以分辨物體微小的模量差異。且計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致性良好。
圖3.傳感器用于物體彈性模量的定量識(shí)別
