華中科技大學 Nano Energy 綜述: 壓電式駐極體用于可穿戴能源收獲機和傳感器

【背景介紹】

眾所周知，可穿戴電子設備正在改變人們的生活方式，在可穿戴設備的幫助下，未來的智能世界將以人類為中心運行。利用可穿戴設備向智能世界傳遞指令，或者可穿戴設備收集我們的生理信息用于醫療保健。許多可穿戴設備側重于人類能量收集、人機交互、人體運動檢測、人工神經和個性化健康監測。在這種情景下，可穿戴電子設備應滿足高效率、生物相容性、靈活性、耐用性、重量輕、能耗低等一些基本要求。雖然驅動可穿戴電子設備所需的功率須在毫瓦甚至微瓦范圍內，但是提供持續的能源供應仍然是一個重大挑戰。其中，壓電駐極體作為構建高性能自供電可穿戴電子器件最有希望的材料之一，具有柔性高、重量輕、生物相容性好、壓電性能高等優點。因此，非常有必要對其在可穿戴電子器件方面的發展進行總結。

【成果簡介】

近日，華中科技大學武漢光電國家研究中心的周軍教授和胡斌教授（共同通訊作者）聯合總結并報道了壓電駐極體在自供電可穿戴電子器件領域的最新進展。首先，介紹了壓電駐極體的機理、理論進展和制造技術。然后，對不同壓電體材料作為人體機械能量收獲機的裝置進行了順序介紹，并對其主要應用進行了說明，包括自力式聲傳感器、柔性壓力傳感器和可穿戴式生理監測儀。最后，還討論了壓電駐極體的發展前景和面臨的挑戰。相信在不久的將來，具有獨特設計的傳統壓電體將在可穿戴能量收集和人體生理信號監測方面發揮重要作用。研究成果以題為“Piezoelectrets for wearable energy harvesters and sensors”發布在國際著名期刊Nano Energy上。

本文亮點：

（1）壓電駐極體的機理、理論進展和制造技術。

（2）一種基于壓電駐極體材料的人體機械能收獲裝置。

（3）基于壓電駐極體材料的聲傳感器、壓力傳感器和可穿戴式生理監測儀。

（4）壓電駐極體的發展前景和面臨的挑戰。

【圖文解讀】

圖一、壓電體及其各種可穿戴式能量收獲機和傳感器原型的示意圖

圖二、壓電材料和壓電電壓的壓電效應示意圖
（a）具有偶極結構的有機壓電材料的示意圖；

（b）直接壓電效應：壓在壓電材料表面上；

（c）反向壓電效應：晶體在施加的正電位下收縮；

（d）微等離子體放電后的壓電駐極體結構的示意圖；

（e）直接機電相互作用：壓在壓電體表面上；

（f）反向機電相互作用效應：當施加正電位時，巨型偶極子會收縮。

圖三、壓電駐極體的機械能傳遞過程
（a）示意圖表明壓電駐極體在（i）原始狀態、（ii）壓制狀態、（iii）平衡狀態和（iv）釋放狀態時的工作機制；

（b）不同狀態下壓電駐極體厚度變化和通過外電路傳輸電荷量的動態演變。

圖四、壓電駐極體的彈簧模型
（a）具有單個氣孔的壓電駐極體的示意圖；

（b）假設駐極體相和偶極相是彈簧的宏觀壓電原理圖。

圖五、壓電駐極體的平面-平行模型
（a）聚丙烯蜂窩壓電駐極體的橫截面掃描電鏡圖像及其（b）簡化結構示意圖以及（c）等效電路。

圖六、壓電駐極體輸出特性的理論研究
（a）不同均勻運動狀態下空氣層的總厚度；

（b）在不同均勻運動狀態下，轉移電荷和輸出電流/電壓的動態演變；

（c-f）材料厚度、空穴高度與材料厚度比（c）、材料相對介電常數（d）、勻速運動速度（e）和外載荷（f）對傳遞電荷峰值的影響。

圖七、多孔聚丙烯和壓力膨脹法
（a-b）多孔聚丙烯結構的原理圖和膨脹前后的橫截面圖；

（c）在與雙重膨脹和充電有關的各種過程中，多孔聚丙烯薄膜的厚度變化；

（d）不同T₁和T₂條件下，雙膨脹聚丙烯細胞的d₃₃系數（pC/N）的三維圖。

圖八、氟碳聚合物和模板制作方法
（a）用金屬網模板制備五層PTFE-FEP薄膜的制造工藝示意圖和空隙的掃描電鏡圖像；

（b）具有平行矩形開口的聚四氟乙烯模板的制造工藝示意圖，以制備具有管狀通道的兩層FEP薄膜和空隙的SEM圖像；

（c）用凸形金屬模板制備三/五層層壓FEP/PTFE薄膜的制造工藝示意圖，該薄膜具有圖案化結構和空隙的掃描電鏡圖像；

（d）用凹形金屬模板制備兩層/三層FEP-FEP/PTFE層壓膜的制造工藝示意圖和SEM圖像。

圖九、其他典型的壓駐極體聚合物及其制備方法
（a）通過CO₂飽和、排空、膨脹和雙軸拉伸的方法說明泡沫的形成和PEN的改善；

（b）COC低溫熔合過程示意圖；

（c）PDMS和聚四氟乙烯涂層軟光刻工藝的示意圖；

（d）聚乙烯膨脹和再結晶過程的示意圖。

圖十、充電方法
（a）電暈充電過程的示意圖；

（b）接觸充電過程示意圖；

（c）1.5 x 1.2 cm²樣品內的微放電照片；

（d）泡沫PP的介電滯后現象。

圖十一、基于聚丙烯蜂窩可穿戴式能量收獲機
（a）基于聚丙烯蜂窩式能量收割機的示意圖；

（b）顯示裝置結構的數字照片和膨脹后多孔聚丙烯的掃描電鏡圖像；

（c）具有不同外部負載的收割機的峰值輸出電流和功率密度；

（d-e）放置數周的裝置的d₃₃值和在30-60℃的不同溫度下運行；

（f）裝置輸出電流-連續工作循環的時間曲線；

（g）在不同力和給定頻率5 Hz刺激的裝置的輸出電流和轉移電荷的峰值；

（h）由一次咳嗽動作和數碼照片產生的裝置電流信號顯；

（i）由一個處于普通狀態的年輕人的動脈脈沖刺激的一個周期的電流信號和一張顯示該裝置固定在手腕上的數碼照片。

圖十二、基于PET/EVA復合膜的可穿戴式能量收獲機
（a）發電機結構示意圖；

（b）裝置的光學照片；插圖是EVA/PET層壓膜的SEM圖像；

（c）在6.67 kPa的給定施加壓力和5 Hz的正弦頻率下，針對不同負載電阻的發電機負載峰值電流和功率密度；

（d-e）水下發電機和6個藍色LED燈，通過在水下用手按壓發電機點亮；

（f）在6.67 kPa的給定施加壓力和5 Hz的正弦頻率下，在高濕度環境下發電機的電流輸出；

（g）在給定的施加壓力和頻率分別為6.67 kPa和5 Hz下保持在70℃時，基于PET/EVA的柔性壓電駐極體發生器的電流輸出。

圖十三、基于FEP層壓薄膜的可穿戴式能量收集器
（a）FEP雙層層壓膜的示意圖；

（b）空隙結構的示意圖；

（c）制作的平行隧道FEP薄膜的兩個橫截面SEM圖像；

（d）開路條件下的輸出電壓，是施加力持續時間的函數；

（e）作為頻率函數的壓電g₃₁系數；

（f）作為頻率函數的壓電d₃₃系數；

（g）裝置照片和質量分別為0.10和0.26 g的電池；

（h）由FEP發生器和振動篩組成的實驗裝置示意圖；

（i）測量的標準化功率，由G₃₁能量收割機產生，由頻率范圍為30-150 Hz的振動篩激發。

圖十四、基于聚丙烯蜂窩雙功能聲學設備
（a）大面積柔性多孔聚丙烯壓電駐極體基聲學器件的原理結構；

（b-c）聲學裝置的橫截面掃描電鏡圖像和在5 kHz下不同電壓下滾動圓柱形聲學裝置的SPL極性圖；

（d）錄音機制；

（e-f）原始音樂的聲波和聲譜圖和聲學設備錄制的音樂；

（g）靈敏度增強型可穿戴聲紋傳感器的示意圖；

（h）在發言者的聲紋上顯示豐富的高頻頻率被截獲的一個字的信號；

（i）獲取的電流信號的短時傅立葉頻譜，指示人聲的頻率分布。

圖十五、基于紙張的可穿戴主動觸覺傳感器陣列
（a）用油墨打印機打印平行銀電極的示意圖；

（b）觸覺傳感器架構的示意圖；

（c）當像素（III-b）受到力時，PATSA的八個通道電極產生的電壓數據圖；

（d）從（a）中得出的柱狀圖描述；插入示意圖表示按下像素（III-b）的動作；

（e）當上述像素（III-b）在切割前受到力時，傳感器陣列的八通道電極電壓信號；

（f）當上述像素（III-b）在切割后受到力時，PATSA的八通道電極電壓信號。

圖十六、基于THV/COC寬范圍的人體運動監測器
（a）指示THV/COC壓駐極體膜結構的示意圖；

（b）柔性THV/COC壓駐極體薄膜的數字照片；

（c）納米發生器寬范圍的壓力響應曲線；

（d）納米發電機的循環性能；

（e-f）用THV/COC壓電駐極體納米發生器測量食指打字和拳頭敲擊的壓力。

圖十七、基于FEP/f-PTFE復合膜的超靈敏壓力傳感器
（a）五層層壓薄膜發生器結構示意圖；

（b）發電機照片；

（c）隨著壓力增加而轉移的表面電荷密度；

（d）連接在36歲健康成人手腕上的壓力傳感器的典型電壓輸出波形；

（e-f）用于檢測面部肌肉收縮和呼吸的裝置的短路電流。

圖十八、FEP/Ecoflex壓電駐極體脈沖波檢測傳感系統
（a）基于脈沖傳感系統的M-健康系統的概念以檢測村、關和池位置的脈沖波，并遵循中醫藥在醫學評估中的應用；

（b）使用FEP/Ecoflex/FEP夾層結構壓電駐極體薄膜的脈沖傳感裝置示意圖；

（c）180 s所有采集數據的脈沖信號特征（灰色）和平均結果（紅色）；

（d）計算出五個志愿者長期脈沖之間的距離矩陣。

圖十九、用于睡眠監測的VA/FEP壓電駐極體傳感系統
（a）休眠監視器的裝置結構示意圖；

（b）比較EVA/FEP壓電駐極體和商用PVDF壓力傳感器之間的壓力靈敏度；

（c）健康監測志愿者下方睡眠監護儀的數字圖像；

（d）睡眠監視器對連續運動的電響應；

（e）其他參與者的原始信號和相應的過濾呼吸和心跳信號；

（f）手機上系統顯示采集的實時呼吸曲線、心率和呼吸頻率的照片。

【總結與展望】

綜述所述，本文綜述了壓電材料的基本機理、理論研究、制備和后處理方法，并進一步介紹了近年來壓電材料作為可穿戴式能量采集器和傳感器的一些具有代表性的研究進展。基于壓電材料的可穿戴電子器件不僅具有獨特的靈活性、輸出穩定性和長期耐用性，而且具有與無機壓電材料相媲美甚至優于無機壓電材料的優良壓電性能。此外，壓電駐極體的制備方法簡單、經濟、環保。然而，目前仍然有一些關鍵問題需要被解決：（1）進一步提高壓電式可穿戴式能量采集器的能量轉換效率；（2）大多數努力都致力于提高傳感器的靈敏度，而其他傳感特性沒有得到足夠的重視；（3）僅僅依靠傳感器來滿足用戶的需求是不夠的，還需要與大數據分析和自動化控制技術相結合；（4）為了壓電基可穿戴電子器件商業應用，需要進一步改進壓電基可穿戴電子器件的制作和極化方法，使其在復雜條件下更加穩定可靠；（5）需要進一步理解壓電駐極體的基本電荷存儲機制。
總之，可穿戴電子產品極大地激發了人們的興趣和想象力，但是要實現其實際應用還有很長的路要走。壓電駐極體不僅具有很高的柔性和耐用性，而且成本低廉、制作方法簡單和壓電容量大。相信在未來基于壓電駐極體的可穿戴式收割機和傳感器有著廣闊的前景和巨大的潛力。

文獻鏈接：Piezoelectrets for wearable energy harvesters and sensors（Nano Energy, 2019, DOI:10.1016/j.nanoen.2019.104033）

本文由CQR編譯。

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