中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
壓電駐極體，也稱(chēng)為鐵電駐極體，具有良好的壓電性能，在可穿戴健康監測中有著(zhù)廣泛的應用。通常情況下，壓電駐極體的蜂窩狀多孔結構對其傳感性能有著(zhù)重要的影響，因此，結構的改進(jìn)和優(yōu)化是實(shí)現高性能壓電駐極體的可能途徑。
近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院方鵬研究員課題組提出了一種復合結構的壓電駐極體系統，其中一層聚丙烯（PP）泡沫夾在兩層固體聚四氟乙烯（PTFE）之間，從而形成泡沫結構和層狀結構壓電駐極體的結合。這種復合系統薄而柔韌，表現出穩定的電輸出、相對較寬的線(xiàn)性工作范圍和良好的機械穩定性。結果表明，該復合系統可以看作是兩種組分的簡(jiǎn)單疊加，每種組分對整個(gè)體系的貢獻是線(xiàn)性的、獨立的。所提出的復合系統的應用潛力已經(jīng)通過(guò)睡眠監測以及頸動(dòng)脈和橈動(dòng)脈脈搏記錄得到證實(shí)，可以從復合系統采集的信號中提取許多有用的生理信息，包括呼吸、心跳和脈搏細節。本研究可以提供一種柔性傳感器系統，其對于未來(lái)的便攜式和可穿戴應用非常有競爭力。
在本項研究中，所提出的復合結構壓電駐極體系統的結構設計如下圖所示，其中一層PP泡沫夾在兩層固體PTFE之間，外部電極沉積在復合系統的兩側。其中，在不使用任何粘合劑的情況下，通過(guò)靜電吸附將PP泡沫與PTFE層結合以形成復合系統。將復合系統與外部電路電連接，并用兩層聚酰亞胺膠帶封裝，從而獲得完整的傳感單元。有效傳感面積可根據應用需求靈活調整，在本研究中分別為1 × 1 cm2和4.5 × 4.5 cm2。
復合結構壓電駐極體系統示意圖
復合系統的完整傳感單元
根據電輸出性能的研究結果，初步認為，該復合系統可以看作是兩種組分的簡(jiǎn)單相加，每種組分對整個(gè)系統的貢獻是線(xiàn)性的、獨立的。該復合體系具有良好的結構穩定性，即機械可持續性。此外，在所有測試范圍內，所有組分都填充的復合系統的靈敏度最高，其靈敏度大致為在0-10 kPa和10-30 kPa壓力范圍內僅填充PP和僅填充PTFE的復合系統的總和。所提出的復合系統可以在壓力下實(shí)現相對高的靈敏度和寬的線(xiàn)性工作范圍之間的平衡，這有利于擴展其在各個(gè)學(xué)科中的應用。
復合系統、PP泡沫和一些代表性自驅動(dòng)傳感器的靈敏度-壓力特性
研究人員將復合結構的壓電駐極體系統用于可穿戴健康監測，包括睡眠監測、頸動(dòng)脈脈搏記錄和橈動(dòng)脈脈搏記錄，并通過(guò)分析記錄的生理信號來(lái)評估應用性能。對于睡眠監測，可以從安裝在枕頭上的復合系統（有效傳感面積為4.5 × 4.5 cm2）記錄的信號中提取整個(gè)睡眠階段的大量有用信息。此外，通過(guò)一些簡(jiǎn)單的處理，如濾波，呼吸和心跳信息仍然可以用波形細節來(lái)區分，這可以用于未來(lái)的醫學(xué)分析以供臨床使用。這一代表性結果表明，借助適當的信號處理技術(shù)，傳感器不僅可以安裝在枕頭上，還可以嵌入床墊、靠墊甚至腰帶中，以實(shí)現高質(zhì)量的生命信號檢測。類(lèi)似地，使用復合系統（有效傳感面積為1.0 × 1.0 cm2）進(jìn)行頸動(dòng)脈和橈動(dòng)脈脈搏記錄也是成功的，其中從與呼吸信號混合的信號中識別脈搏信息用于頸動(dòng)脈測量，并且可以獲取收縮波、潮汐波、重搏切跡和重搏（舒張）波的詳細信息用于頸動(dòng)脈和橈動(dòng)脈測量，這對于臨床應用非常有用。
健康監測應用中的測量
總而言之，研究人員設計并制作了一種復合結構的壓電駐極體系統。一種非常簡(jiǎn)單的層壓結構，即一層PP泡沫夾在兩層固體PTFE之間，被證實(shí)具有良好的壓電性能，在此基礎上實(shí)現了睡眠監測、頸動(dòng)脈脈搏記錄和橈動(dòng)脈脈搏記錄的應用。這項工作可能為柔性傳感器和可穿戴健康監測應用提供了一種可選方案。
