柔性压电器件及其可穿戴应用 无机材料学报    2023, 38 (7): 717-730.   DOI:10.15541/jim20220549

图1 柔性压电器件的材料及其制备与应用

正文中引用本图/表的段落

柔性敏感材料和传感器是柔性可穿戴系统的重要组成部分, 在精准医疗、先进作战、人工智能等领域具有广阔的应用前景。近年来, 柔性敏感材料和相关器件获得了长足的发展, 如柔性力敏、光敏、温敏、声敏、气敏以及生物传感器。其中, 研究最为广泛的是柔性力敏材料和传感器, 主要机制包括电阻式、电容式、压电式和摩擦电式。电阻式和电容式柔性应变/压力传感器因器件结构简单、灵敏度高等优势, 获得了国内外学者的高度关注, 器件性能不断提升, 并实现了初步的产业化和商品化。然而, 这两类柔性力敏传感器为有源式传感器, 即需要外部电源驱动, 这不利于降低可穿戴设备的功耗。压电式和摩擦电式柔性力敏传感器无需外部电源激励, 常被称为自供电传感器, 成为柔性传感器研究领域的热门方向。压电式柔性压力传感器具有优异的高频响应性、高线性和性能稳定性等特点, 在穿戴式震动检测、声波检测等领域具有其它传感器无法比拟的优势。然而, 传统压电材料多为硬脆的陶瓷材料, 限制了柔性压电式传感器的发展。近年来, 有机压电材料、生物压电材料以及柔性复合压电材料的发展为柔性压电式传感器的发展提供了新契机。本文总结近年来发展的柔性压电新材料, 详细探讨提升柔性压电器件性能的方法, 概述柔性可穿戴传感器在健康医疗、人机交互等领域的应用(如图1所示)。

压电效应是指当电介质在某一方向受力变形时, 内部偶极偏移产生极化, 在介质表面产生相反感应电荷的现象, 图2(a)为压电效应示意图[1]。压电系数d_ij是表征压电效应最主要的参数, 是压电材料把机械能转变成电能的转变系数, 其中i表示电场方向, j表示应力或应变的方向。其常用横向压电系数d₃₁和纵向压电系数d₃₃来描述材料的压电性能。当应力/应变以平行于3轴的方式施加到压电材料时, 如果产生的电压方向也是沿同一轴向(3轴), 则称为d₃₃模式。如果产生的电压方向垂直于施加的应力/应变方向(1轴), 则称为d₃₁模式。

本文的其它图/表

• 图2  压电基础原理^{[1-2,10,13⇓-15]}
• 图3  制备方法与表面改性^{[57⇓⇓⇓⇓-62]}
• 图4  化学掺杂与结构改善^{[84-85,87 -88]}
• 图5  可穿戴器件的生理监测应用^[45,89]
• 图6  可穿戴器件的伤口愈合与植入式应用^{[90⇓⇓-93]}
• 图7  柔性可穿戴器件的人机交互^{[94⇓⇓-97]}