柔性PZT復(fù)合薄膜壓力傳感器的研究進(jìn)展綜述

隨著智能電子皮膚、健康檢測、人機(jī)交互等領(lǐng)域的快速發(fā)展，柔性鋯鈦酸鉛（PZT）復(fù)合薄膜壓力傳感器因其出色的柔性和壓電性能而受到研究者的廣泛關(guān)注。作為先進(jìn)智能裝置的重要組成部分，柔性PZT傳感器對未來機(jī)器人電子皮膚以及智慧醫(yī)療的發(fā)展有重要推動作用。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，針對柔性PZT復(fù)合薄膜壓力傳感器的研究進(jìn)展，北京信息科技大學(xué)高國偉教授團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了綜述分析，闡述了柔性PZT復(fù)合薄膜壓力傳感器的工作原理、制備方法、研究現(xiàn)狀及典型應(yīng)用，并對其未來發(fā)展進(jìn)行了展望。相關(guān)研究內(nèi)容以“柔性PZT復(fù)合薄膜壓力傳感器的研究進(jìn)展”為題發(fā)表在《先進(jìn)陶瓷》期刊上。

柔性PZT復(fù)合薄膜壓力傳感器原理與制備工藝

柔性PZT復(fù)合薄膜壓力傳感器主要由上、下電極以及中間層的PZT復(fù)合材料構(gòu)成，其工作原理基于PZT復(fù)合材料的正壓電效應(yīng)，當(dāng)受到外界壓力擠壓時，傳感器內(nèi)部發(fā)生極化現(xiàn)象，在上下電極表面產(chǎn)生符號相反、大小相等的電荷，通過測量電荷量可實(shí)現(xiàn)敏感信息的感知。

作為無機(jī)壓電材料的一種，PZT具有優(yōu)良的壓電性能，但易脆性和非生物相容性限制了其在智能電子皮膚和醫(yī)療健康等領(lǐng)域的應(yīng)用。將PZT粉末與PVDF和聚二甲基硅氧烷（PDMS）等其它熱塑性聚合物結(jié)合形成壓電復(fù)合材料可有效改善PZT本身的剛硬、易脆性，其中PZT復(fù)合薄膜的制備是柔性PZT傳感器實(shí)現(xiàn)柔彈性的關(guān)鍵步驟，目前常用的制備方法有流延法、旋涂法、靜電紡絲法、熱壓法、溶膠-凝膠法、溶劑蒸發(fā)法等。

柔性PZT復(fù)合薄膜壓力傳感器的研究進(jìn)展

基于PZT復(fù)合材料的微型換能器、聲學(xué)傳感器、柔性壓力傳感器等多種新型器件被廣泛用于電子皮膚和醫(yī)療健康等方面。其中柔性PZT復(fù)合薄膜壓力傳感器因具有高靈敏度、柔彈性等優(yōu)點(diǎn)被廣泛研究。在壓電性能優(yōu)化方面，研究者將PZT和有機(jī)聚合物混合制成復(fù)合材料，并從材料成分、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新等方面有效提升了柔性PZT復(fù)合薄膜傳感器的壓電性能。由于PZT壓電材料具有剛脆性，很難滿足需要大面積彎曲或貼合皮膚的應(yīng)用場景。因此，近年來，PZT壓力傳感器的柔彈性優(yōu)化成為可穿戴傳感器發(fā)展的熱點(diǎn)。

此外，柔性PZT傳感器的集成通常需將PZT材料在柔性基底上進(jìn)行集成，但制備過程中的高溫退火工藝會造成柔性基底損壞，因此研究者提出了利用無轉(zhuǎn)移激光剝離法在聚酰亞胺（PI）基板上制作PZT集成雙邊多模傳感器的策略，該研究也為多參數(shù)柔性PZT傳感器集成提供了簡單強(qiáng)大的集成方法，為多物理場監(jiān)測和柔性醫(yī)療裝置的開發(fā)打下了基礎(chǔ)。

圖1 （a）PZT/PVDF材料結(jié)構(gòu)圖；（b）復(fù)合材料的工作原理

圖2 （a）PZT/PVDF材料結(jié)構(gòu)圖；（b）PZT/SMPU材料結(jié)構(gòu)圖

圖3 柔性PZT集成壓力和溫度傳感器

圖4 （a）集成柔性傳感器貼片；（b）傳感器等效電路；（c）集成傳感器系統(tǒng)；（d）電路集成模塊示意圖；（e）電路集成模塊實(shí)物圖

柔性PZT復(fù)合薄膜壓力傳感器的應(yīng)用

近年來，柔性PZT壓力傳感器發(fā)展迅速，在智慧醫(yī)療、電子皮膚、運(yùn)動檢測、人機(jī)交互等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。研究者們充分利用PZT復(fù)合薄膜的高壓電性能以及高柔彈性，實(shí)現(xiàn)了不同領(lǐng)域的深層次研究發(fā)展。

圖5 （a）實(shí)時脈搏監(jiān)測系統(tǒng)；（b）傳感器等效電路；（c）10 kPa壓力下PZT的電動勢：（d）不同壓力下的輸出電壓；（e）傳感器的輸出電壓和響應(yīng)時間

圖6 （a）(PU)/PZT電子皮膚；（b）PZT/PDMS陣列電子皮膚

圖7 （a）雙傳感器自供電棉襪；（b）穿戴式步態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

圖8 基于PZT/PVDF的智能乒乓球拍

總結(jié)與展望

PZT復(fù)合薄膜制備方法的改進(jìn)促使復(fù)合材料的壓電性能以及柔韌性大幅提升，通過對傳感器材料、結(jié)構(gòu)的開發(fā)和改進(jìn)，出現(xiàn)了低成本、高靈敏度、寬檢測范圍的柔性PZT壓力傳感器，促使該傳感器廣泛應(yīng)用于智慧醫(yī)療、機(jī)器人電子皮膚、運(yùn)動檢測以及體育訓(xùn)練等多個領(lǐng)域。但目前柔性PZT壓力傳感器仍然面臨很多不足之處，一些技術(shù)問題仍需要深入研究。

（1）為了更好地貼合皮膚以及適應(yīng)復(fù)雜的彎曲表面，需要不斷開發(fā)新型材料、創(chuàng)新結(jié)構(gòu)、尋找復(fù)合材料的最佳配比、改善制備流程、降低成本，從而實(shí)現(xiàn)高性能、低成本的PZT復(fù)合薄膜制備方法。

（2）由PZT壓力傳感器的工作原理可知該傳感器不適合用于靜態(tài)力測量，未來可將研究方向聚焦于如何實(shí)現(xiàn)寬范圍的靜態(tài)力測量，為智慧醫(yī)療中微弱信號的監(jiān)測打下基礎(chǔ)。

（3）隨著智能感知、自供電以及微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，將柔性PZT自供電傳感器集成在小空間內(nèi)有助于便攜式可穿戴設(shè)備的應(yīng)用，未來如何實(shí)現(xiàn)多維陣列微傳感器的高靈敏度、寬檢測限和穩(wěn)定性是研究重點(diǎn)。

（4）隨著柔性PZT電子器件在電子皮膚、智能監(jiān)測中的廣泛應(yīng)用，可同時檢測多個物理量的多參數(shù)柔性陣列至關(guān)重要，未來多參數(shù)檢測的高靈敏度柔性PZT集成傳感器將是重點(diǎn)研發(fā)方向之一。

論文信息：
DOI: 10.16521/j.cnki.issn.1001-9642.2023.10.001

審核編輯：劉清