中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
壓電納米發(fā)電機（PENGs）可將機械能轉化為電能，為新一代自供電傳感技術(shù)提供核心能源支持，但其發(fā)展受限于低功率密度、高昂材料成本和復雜制備工藝。傳統二維材料（如氧化石墨烯、過(guò)渡金屬硫化物）雖具優(yōu)異壓電性能，但面臨天然儲量有限、合成過(guò)程需強酸/堿處理導致環(huán)境污染，以及二維結構穩定性不足等問(wèn)題。亟需開(kāi)發(fā)低成本、環(huán)保且可規?；a(chǎn)的新型壓電材料。
新疆大學(xué)吳釗峰教授、唐明聰博士團隊提出一種基于天然層狀硅酸鹽蛭石（VMT）的創(chuàng )新策略。通過(guò)熱膨脹與鉀離子（K?）插層改性，制備出K?-插層膨脹蛭石（K-VMT），其輸出電壓達20 V，是未改性蛭石的3倍。團隊進(jìn)一步將K-VMT與聚二甲基硅氧烷（PDMS）復合，制成柔性自供電壓電傳感器。該器件具備0.01 N的低檢測限與優(yōu)異機械穩定性，并成功實(shí)現人體運動(dòng)實(shí)時(shí)監測與手勢識別，識別精度高達99.86%。相關(guān)論文以“Realization of Precise Human Gesture Recognition via a Self-Powered Flexible Sensor Based on Thermal Expansion-Treated and Potassium Ion-Modified VMT/PDMS Film”為題，發(fā)表在A(yíng)dvanced Functional Materials 上。
材料設計與微觀(guān)結構
研究通過(guò)熱膨脹（800℃處理）結合金屬離子置換改性蛭石。掃描電鏡（SEM）顯示，K?插層使蛭石層間距擴大至≈4.5 μm（圖1b-e），因K?強吸水性提升了層間水分子吸附。透射電鏡（TEM）證實(shí)K-VMT層厚降至0.5 nm，晶格間距增至0.47 nm（圖2k），顯著(zhù)增強壓電響應。X射線(xiàn)衍射（XRD）與X射線(xiàn)光電子能譜（XPS）分析表明，K?部分置換層間Mg2?形成鉀鹽，優(yōu)化晶體結構（圖3b,f）。
圖1 K?插層膨脹蛭石（K-VMT）的制備與SEM圖像 a) 蛭石熱處理及金屬離子改性過(guò)程示意圖；b,d) K-VMT的SEM圖像；c,e) K-VMT局部放大區域圖像。
圖2 未處理蛭石與熱處理蛭石的SEM圖像，以及VMT-8、K-VMT的TEM圖像 a) 未處理蛭石SEM圖像；b–f) 800℃下不同熱處理時(shí)間（2/4/6/8/10分鐘）膨脹蛭石的SEM及局部放大圖；g) VMT-8的TEM圖像；h,i) VMT-8的高分辨TEM圖像；j) K-VMT的TEM圖像；k,l) K-VMT的高分辨TEM圖像。
圖3 未處理蛭石、VMT-8及K-VMT的表征 a,b) 三者的XRD圖譜；c) 傅里葉變換紅外光譜（FTIR）結果；d) VMT-8與K-VMT的SEM-EDS元素分析；e,f) VMT-8與K-VMT的K 2p軌道XPS譜圖及擬合結果。
電學(xué)性能優(yōu)化
K-VMT/PDMS復合傳感器以銅箔為電極（圖4a），其壓電機理源于外力導致的電荷中心位移（圖4b）。性能測試顯示：K?改性濃度0.7 mol/L時(shí)輸出電壓最優(yōu)（20 V，圖4f）；PDMS質(zhì)量比1:6時(shí)平衡絕緣性與穩定性（圖4c）；3 mm膜厚下輸出性能達峰值（圖4g）。器件在0.2–5 N壓力范圍和0.25–2 Hz頻率下均保持穩定輸出（圖4i,k），經(jīng)8000次循環(huán)后性能無(wú)衰減（圖4l,m），響應時(shí)間僅218 ms。
圖4 K-VMT/PDMS柔性壓電傳感器的結構、原理及輸出性能 a) 傳感器結構；b) 工作原理；c) 不同K-VMT/PDMS質(zhì)量比的電壓輸出；d) 不同熱處理時(shí)間的電壓輸出；e) 不同金屬離子改性的電壓輸出；f) 不同K?濃度改性的電壓輸出；g) 不同膜厚的電壓輸出；h) 不同面積的電壓輸出；i) 不同壓力下的電壓輸出；j) 0.01 N微壓力的電壓輸出；k) 固定壓力（2 N）下不同頻率的電壓輸出；l,m) 8000次循環(huán)測試的電壓穩定性；n) 響應時(shí)間。
生理監測與手勢識別
傳感器貼附于人體皮膚可精準捕捉點(diǎn)頭、握拳、手指彎曲等動(dòng)作的電壓信號（圖5b-e）。通過(guò)腕部固定裝置實(shí)時(shí)監測手腕30°–90°屈伸角度（圖5f-i），并進(jìn)一步集成至手背實(shí)現手勢識別（圖6a）?；?D多粒度卷積的特征提取框架（圖6i），將六類(lèi)手勢（數字1/2/8、“OK”、“ILY”、“期待”手勢）的壓電信號映射至64維特征空間，通過(guò)角度約束實(shí)現類(lèi)內聚集和類(lèi)間分離（圖6k）。五折交叉驗證顯示識別精度達99.37%–99.86%（圖6l）。
圖5 傳感器在生理監測與手腕屈伸的應用 a–e) 吹氣、點(diǎn)頭、握拳、聲帶振動(dòng)、手指彎曲的實(shí)時(shí)電壓信號；f–h) 手腕30°/45°/90°屈曲的實(shí)時(shí)電壓信號；i) 不規則手腕屈伸的電壓響應。
圖6 傳感器在手勢識別的應用 a) 手勢監測系統；b) 手勢施加時(shí)傳感器受力示意；c–h) 六類(lèi)手勢（數字1/2/8、“OK”、“ILY”、“期待”）的實(shí)時(shí)電壓信號；i) 1D多粒度卷積特征提取框架；j) 訓練動(dòng)態(tài)圖；k) 潛在特征空間的降維可視化；l) 混淆矩陣。
應用前景
該研究以天然蛭石替代貴金屬材料，開(kāi)辟了低成本、環(huán)保的高性能柔性器件新路徑。未來(lái)通過(guò)優(yōu)化材料與設計，此類(lèi)傳感器有望在可穿戴電子、人機交互及健康監測領(lǐng)域實(shí)現產(chǎn)業(yè)化應用，推動(dòng)自供電傳感技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程。
