柔性傳感器的發(fā)展為人工智能和可穿戴設(shè)備的進(jìn)步提供了重要途徑。柔性敏感膜是人體可穿戴傳感器的典型核心敏感元件，基于壓電效應(yīng)的柔性敏感膜可通過對力的感知完成肢體運動描述、呼吸頻次采集等可穿戴化測量。長久以來，具有壓電效應(yīng)的柔性材料主要采用聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride，PVDF）膜及其共聚物，后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)聚丙烯（polypropylene，PP）多孔型材料經(jīng)合理的電極化后具有明顯高于PVDF及其共聚物的壓電活性。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，為了進(jìn)一步明確PP的壓電特性，來自中國電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所的研究人員，對具有蜂窩結(jié)構(gòu)的PP經(jīng)膜膨化和電暈極化處理形成的壓電敏感膜進(jìn)行了壓電特性及能量自拾取特性的研究，測試了該類敏感膜對人體運動感知與能量自拾取的能力與效果。相關(guān)研究成果以“應(yīng)用于手部關(guān)節(jié)運動的壓電駐極體柔性傳感器”為題發(fā)表于《傳感器與微系統(tǒng)》（Transducer and Microsystem Technologies）期刊。

研究人員首先對壓電敏感膜進(jìn)行了制備（圖1）。研究所使用的敏感膜是以初始厚度為70μm、密度為0.550g/m3規(guī)格的成品PP蜂窩薄膜經(jīng)氣壓膨化與電暈極化處理后形成的柔性壓電敏感膜。針對該敏感膜，根據(jù)壓電特性與動能拾取特性研究的需求，將敏感膜剪切為多種尺寸與形狀，并在其兩面進(jìn)行銀電極的制備，從而完成研究樣品的制備。首先，將PP蜂窩薄膜剪成5cm × 5cm的方形，放入壓力容器中并充入壓縮氮氣使其壓力達(dá)到接近2MPa，待充氣完畢穩(wěn)定2.5h，使PP薄膜中的孔洞內(nèi)部氣壓與容器內(nèi)氣壓充分平衡，再將容器放入恒溫箱加熱至120℃，溫度達(dá)到120℃±3℃后穩(wěn)定3.5h，使薄膜整體充分均勻受熱。膨化前后斷面SEM照片如圖2所示。

圖1 PP壓電駐極體薄膜制備過程示意

圖2 具有孔洞結(jié)構(gòu)的PP薄膜膨化前后斷面SEM照片

其次，將氣壓膨化后的薄膜進(jìn)行電暈充電，并采用聚酰亞胺（polyimide，PI）材料作為掩模板來限制電極的形狀和面積，并采用涂覆法在其上下表面覆蓋一層厚度為0.2μm的導(dǎo)電銀漿常溫條件下固化，進(jìn)而完成電極的制備，PP薄膜如圖3所示。

圖3 掩模板樣式以及電極制作完成的PP薄膜

接著，研究人員按照設(shè)計方案進(jìn)行了柔性壓電敏感膜陣列的制作，采用冷壓封裝技術(shù)，依據(jù)人體手部關(guān)節(jié)分布確定三個陣元位置，按照圖4（a）結(jié)構(gòu)設(shè)計疊加，最后將聚酰亞胺的其余邊緣部分緊密壓合在一起。將此敏感芯體放入冷壓機(jī)中，設(shè)置好一定壓力，進(jìn)行冷壓處理，得到封裝好的壓電薄膜陣列。

圖4 壓電敏感膜陣列圖設(shè)計與制作

最后，研究人員選取了人體手指關(guān)節(jié)處做指定運動，從而進(jìn)行可穿戴測試。測試結(jié)果表明，當(dāng)關(guān)節(jié)有彎曲等動作時，傳感器會因其形變產(chǎn)生相應(yīng)輸出，以便于監(jiān)測人體的生理參數(shù)和動態(tài)情況。將敏感膜使用硅膠貼粘貼于手指背部，以食指為例1min內(nèi)做往復(fù)的彎曲-伸展運動，其測試結(jié)果波形如圖5所示。

圖5 柔性壓電傳感器在指關(guān)節(jié)不同彎曲程度下相應(yīng)輸出

結(jié)果表明，當(dāng)手指保持伸直狀態(tài)時，附著在手指部位的器件沒有受到外界壓力，器件沒有響應(yīng)輸出。當(dāng)手指不斷的彎曲與伸展時，器件受到的應(yīng)力方向有區(qū)別。而且可以看出傳感器電壓信號隨著手指彎曲程度的不同表現(xiàn)出不同的輸出，因此其信號可用于表征手指彎曲度，進(jìn)而檢測和識別人體關(guān)節(jié)運動。并且該器件不需要外部供電，能實現(xiàn)自行監(jiān)測。同時，針對人體手指關(guān)節(jié)運動的采集，其波形的形態(tài)與采集的幅值，可在無需放大和復(fù)雜處理的情況下實現(xiàn)步數(shù)記錄、運動劇烈程度判定等人體活動情況測量，具有良好的應(yīng)用前景和開發(fā)價值。

論文鏈接：
http://dx.doi.org/10.13873/J.1000-9787(2022)05-0157-04

審核編輯 ：李倩