柔性傳感器的發(fā)展為人工智能和可穿戴設(shè)備的進步提供了重要途徑。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，為了進一步明確PP的壓電特性，來自中國電子科技集團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的導電銀漿常溫條件下固化，進而完成電極的制備，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中，設(shè)置好一定壓力，進行冷壓處理，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，從而進行可穿戴測試。測試結(jié)果表明，當關(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