復(fù)合結(jié)構(gòu)壓電駐極體系統(tǒng)及其在可穿戴健康監(jiān)測中的應(yīng)用

壓電駐極體，也稱為鐵電駐極體，具有良好的壓電性能，在可穿戴健康監(jiān)測中有著廣泛的應(yīng)用。通常情況下，壓電駐極體的蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)對其傳感性能有著重要的影響，因此，結(jié)構(gòu)的改進和優(yōu)化是實現(xiàn)高性能壓電駐極體的可能途徑。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院方鵬研究員課題組提出了一種復(fù)合結(jié)構(gòu)的壓電駐極體系統(tǒng)，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(jié)構(gòu)和層狀結(jié)構(gòu)壓電駐極體的結(jié)合。這種復(fù)合系統(tǒng)薄而柔韌，表現(xiàn)出穩(wěn)定的電輸出、相對較寬的線性工作范圍和良好的機械穩(wěn)定性。結(jié)果表明，該復(fù)合系統(tǒng)可以看作是兩種組分的簡單疊加，每種組分對整個體系的貢獻是線性的、獨立的。所提出的復(fù)合系統(tǒng)的應(yīng)用潛力已經(jīng)通過睡眠監(jiān)測以及頸動脈和橈動脈脈搏記錄得到證實，可以從復(fù)合系統(tǒng)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(jié)。本研究可以提供一種柔性傳感器系統(tǒng)，其對于未來的便攜式和可穿戴應(yīng)用非常有競爭力。

在本項研究中，所提出的復(fù)合結(jié)構(gòu)壓電駐極體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)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(fù)合系統(tǒng)的兩側(cè)。其中，在不使用任何粘合劑的情況下，通過靜電吸附將PP泡沫與PTFE層結(jié)合以形成復(fù)合系統(tǒng)。將復(fù)合系統(tǒng)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(jù)應(yīng)用需求靈活調(diào)整，在本研究中分別為1 × 1 cm2和4.5 × 4.5 cm2。

復(fù)合結(jié)構(gòu)壓電駐極體系統(tǒng)示意圖

根據(jù)電輸出性能的研究結(jié)果，初步認為，該復(fù)合系統(tǒng)可以看作是兩種組分的簡單相加，每種組分對整個系統(tǒng)的貢獻是線性的、獨立的。該復(fù)合體系具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，即機械可持續(xù)性。此外，在所有測試范圍內(nèi)，所有組分都填充的復(fù)合系統(tǒng)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(nèi)僅填充PP和僅填充PTFE的復(fù)合系統(tǒng)的總和。所提出的復(fù)合系統(tǒng)可以在壓力下實現(xiàn)相對高的靈敏度和寬的線性工作范圍之間的平衡，這有利于擴展其在各個學(xué)科中的應(yīng)用。

復(fù)合系統(tǒng)、PP泡沫和一些代表性自驅(qū)動傳感器的靈敏度-壓力特性

研究人員將復(fù)合結(jié)構(gòu)的壓電駐極體系統(tǒng)用于可穿戴健康監(jiān)測，包括睡眠監(jiān)測、頸動脈脈搏記錄和橈動脈脈搏記錄，并通過分析記錄的生理信號來評估應(yīng)用性能。對于睡眠監(jiān)測，可以從安裝在枕頭上的復(fù)合系統(tǒng)（有效傳感面積為4.5 × 4.5 cm2）記錄的信號中提取整個睡眠階段的大量有用信息。

此外，通過一些簡單的處理，如濾波，呼吸和心跳信息仍然可以用波形細節(jié)來區(qū)分，這可以用于未來的醫(yī)學(xué)分析以供臨床使用。這一代表性結(jié)果表明，借助適當(dāng)?shù)男盘柼幚砑夹g(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，以實現(xiàn)高質(zhì)量的生命信號檢測。類似地，使用復(fù)合系統(tǒng)（有效傳感面積為1.0 × 1.0 cm2）進行頸動脈和橈動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脈和橈動脈測量，這對于臨床應(yīng)用非常有用。

健康監(jiān)測應(yīng)用中的測量

總而言之，研究人員設(shè)計并制作了一種復(fù)合結(jié)構(gòu)的壓電駐極體系統(tǒng)。一種非常簡單的層壓結(jié)構(gòu)，即一層PP泡沫夾在兩層固體PTFE之間，被證實具有良好的壓電性能，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了睡眠監(jiān)測、頸動脈脈搏記錄和橈動脈脈搏記錄的應(yīng)用。這項工作可能為柔性傳感器和可穿戴健康監(jiān)測應(yīng)用提供了一種可選方案。

審核編輯：劉清