壓電駐極體，也稱(chēng)為鐵電駐極體，具有良好的壓電性能，在可穿戴健康監(jiān)測(cè)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(duì)其傳感性能有著重要的影響，因此，結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)高性能壓電駐極體的可能途徑。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)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(duì)較寬的線(xiàn)性工作范圍和良好的機(jī)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(jiǎn)單疊加，每種組分對(duì)整個(gè)體系的貢獻(xiàn)是線(xiàn)性的、獨(dú)立的。所提出的復(fù)合系統(tǒng)的應(yīng)用潛力已經(jīng)通過(guò)睡眠監(jiān)測(cè)以及頸動(dòng)脈和橈動(dòng)脈脈搏記錄得到證實(shí)，可以從復(fù)合系統(tǒng)采集的信號(hào)中提取許多有用的生理信息，包括呼吸、心跳和脈搏細(xì)節(jié)。本研究可以提供一種柔性傳感器系統(tǒng)，其對(duì)于未來(lái)的便攜式和可穿戴應(yīng)用非常有競(jìng)爭(zhēng)力。

在本項(xiàng)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(jì)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(guò)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(rèn)為，該復(fù)合系統(tǒng)可以看作是兩種組分的簡(jiǎn)單相加，每種組分對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)是線(xiàn)性的、獨(dú)立的。該復(fù)合體系具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，即機(jī)械可持續(xù)性。此外，在所有測(cè)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(shí)現(xiàn)相對(duì)高的靈敏度和寬的線(xiàn)性工作范圍之間的平衡，這有利于擴(kuò)展其在各個(gè)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(dòng)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(cè)，包括睡眠監(jiān)測(cè)、頸動(dòng)脈脈搏記錄和橈動(dòng)脈脈搏記錄，并通過(guò)分析記錄的生理信號(hào)來(lái)評(píng)估應(yīng)用性能。對(duì)于睡眠監(jiān)測(cè)，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(hào)中提取整個(gè)睡眠階段的大量有用信息。

此外，通過(guò)一些簡(jiǎn)單的處理，如濾波，呼吸和心跳信息仍然可以用波形細(xì)節(jié)來(lái)區(qū)分，這可以用于未來(lái)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?hào)處理技術(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(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的生命信號(hào)檢測(cè)。類(lèi)似地，使用復(fù)合系統(tǒng)（有效傳感面積為1.0 × 1.0 cm2）進(jìn)行頸動(dòng)脈和橈動(dòng)脈脈搏記錄也是成功的，其中從與呼吸信號(hào)混合的信號(hào)中識(shí)別脈搏信息用于頸動(dòng)脈測(cè)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(xì)信息用于頸動(dòng)脈和橈動(dòng)脈測(cè)量，這對(duì)于臨床應(yīng)用非常有用。

健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的測(cè)量

總而言之，研究人員設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(shí)具有良好的壓電性能，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了睡眠監(jiān)測(cè)、頸動(dòng)脈脈搏記錄和橈動(dòng)脈脈搏記錄的應(yīng)用。這項(xiàng)工作可能為柔性傳感器和可穿戴健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用提供了一種可選方案。

審核編輯：劉清