华中科技大学 Nano Energy 综述: 压电式驻极体用于可穿戴能源收获机和传感器

【背景介绍】

众所周知，可穿戴电子设备正在改变人们的生活方式，在可穿戴设备的帮助下，未来的智能世界将以人类为中心运行。利用可穿戴设备向智能世界传递指令，或者可穿戴设备收集我们的生理信息用于医疗保健。许多可穿戴设备侧重于人类能量收集、人机交互、人体运动检测、人工神经和个性化健康监测。在这种情景下，可穿戴电子设备应满足高效率、生物相容性、灵活性、耐用性、重量轻、能耗低等一些基本要求。虽然驱动可穿戴电子设备所需的功率须在毫瓦甚至微瓦范围内，但是提供持续的能源供应仍然是一个重大挑战。其中，压电驻极体作为构建高性能自供电可穿戴电子器件最有希望的材料之一，具有柔性高、重量轻、生物相容性好、压电性能高等优点。因此，非常有必要对其在可穿戴电子器件方面的发展进行总结。

【成果简介】

近日，华中科技大学武汉光电国家研究中心的周军教授和胡斌教授（共同通讯作者）联合总结并报道了压电驻极体在自供电可穿戴电子器件领域的最新进展。首先，介绍了压电驻极体的机理、理论进展和制造技术。然后，对不同压电体材料作为人体机械能量收获机的装置进行了顺序介绍，并对其主要应用进行了说明，包括自力式声传感器、柔性压力传感器和可穿戴式生理监测仪。最后，还讨论了压电驻极体的发展前景和面临的挑战。相信在不久的将来，具有独特设计的传统压电体将在可穿戴能量收集和人体生理信号监测方面发挥重要作用。研究成果以题为“Piezoelectrets for wearable energy harvesters and sensors”发布在国际著名期刊Nano Energy上。

本文亮点：

（1）压电驻极体的机理、理论进展和制造技术。

（2）一种基于压电驻极体材料的人体机械能收获装置。

（3）基于压电驻极体材料的声传感器、压力传感器和可穿戴式生理监测仪。

（4）压电驻极体的发展前景和面临的挑战。

【图文解读】

图一、压电体及其各种可穿戴式能量收获机和传感器原型的示意图

图二、压电材料和压电电压的压电效应示意图
（a）具有偶极结构的有机压电材料的示意图；

（b）直接压电效应：压在压电材料表面上；

（c）反向压电效应：晶体在施加的正电位下收缩；

（d）微等离子体放电后的压电驻极体结构的示意图；

（e）直接机电相互作用：压在压电体表面上；

（f）反向机电相互作用效应：当施加正电位时，巨型偶极子会收缩。

图三、压电驻极体的机械能传递过程
（a）示意图表明压电驻极体在（i）原始状态、（ii）压制状态、（iii）平衡状态和（iv）释放状态时的工作机制；

（b）不同状态下压电驻极体厚度变化和通过外电路传输电荷量的动态演变。

图四、压电驻极体的弹簧模型
（a）具有单个气孔的压电驻极体的示意图；

（b）假设驻极体相和偶极相是弹簧的宏观压电原理图。

图五、压电驻极体的平面-平行模型
（a）聚丙烯蜂窝压电驻极体的横截面扫描电镜图像及其（b）简化结构示意图以及（c）等效电路。

图六、压电驻极体输出特性的理论研究
（a）不同均匀运动状态下空气层的总厚度；

（b）在不同均匀运动状态下，转移电荷和输出电流/电压的动态演变；

（c-f）材料厚度、空穴高度与材料厚度比（c）、材料相对介电常数（d）、匀速运动速度（e）和外载荷（f）对传递电荷峰值的影响。

图七、多孔聚丙烯和压力膨胀法
（a-b）多孔聚丙烯结构的原理图和膨胀前后的横截面图；

（c）在与双重膨胀和充电有关的各种过程中，多孔聚丙烯薄膜的厚度变化；

（d）不同T₁和T₂条件下，双膨胀聚丙烯细胞的d₃₃系数（pC/N）的三维图。

图八、氟碳聚合物和模板制作方法
（a）用金属网模板制备五层PTFE-FEP薄膜的制造工艺示意图和空隙的扫描电镜图像；

（b）具有平行矩形开口的聚四氟乙烯模板的制造工艺示意图，以制备具有管状通道的两层FEP薄膜和空隙的SEM图像；

（c）用凸形金属模板制备三/五层层压FEP/PTFE薄膜的制造工艺示意图，该薄膜具有图案化结构和空隙的扫描电镜图像；

（d）用凹形金属模板制备两层/三层FEP-FEP/PTFE层压膜的制造工艺示意图和SEM图像。

图九、其他典型的压驻极体聚合物及其制备方法
（a）通过CO₂饱和、排空、膨胀和双轴拉伸的方法说明泡沫的形成和PEN的改善；

（b）COC低温熔合过程示意图；

（c）PDMS和聚四氟乙烯涂层软光刻工艺的示意图；

（d）聚乙烯膨胀和再结晶过程的示意图。

图十、充电方法
（a）电晕充电过程的示意图；

（b）接触充电过程示意图；

（c）1.5 x 1.2 cm²样品内的微放电照片；

（d）泡沫PP的介电滞后现象。

图十一、基于聚丙烯蜂窝可穿戴式能量收获机
（a）基于聚丙烯蜂窝式能量收割机的示意图；

（b）显示装置结构的数字照片和膨胀后多孔聚丙烯的扫描电镜图像；

（c）具有不同外部负载的收割机的峰值输出电流和功率密度；

（d-e）放置数周的装置的d₃₃值和在30-60℃的不同温度下运行；

（f）装置输出电流-连续工作循环的时间曲线；

（g）在不同力和给定频率5 Hz刺激的装置的输出电流和转移电荷的峰值；

（h）由一次咳嗽动作和数码照片产生的装置电流信号显；

（i）由一个处于普通状态的年轻人的动脉脉冲刺激的一个周期的电流信号和一张显示该装置固定在手腕上的数码照片。

图十二、基于PET/EVA复合膜的可穿戴式能量收获机
（a）发电机结构示意图；

（b）装置的光学照片；插图是EVA/PET层压膜的SEM图像；

（c）在6.67 kPa的给定施加压力和5 Hz的正弦频率下，针对不同负载电阻的发电机负载峰值电流和功率密度；

（d-e）水下发电机和6个蓝色LED灯，通过在水下用手按压发电机点亮；

（f）在6.67 kPa的给定施加压力和5 Hz的正弦频率下，在高湿度环境下发电机的电流输出；

（g）在给定的施加压力和频率分别为6.67 kPa和5 Hz下保持在70℃时，基于PET/EVA的柔性压电驻极体发生器的电流输出。

图十三、基于FEP层压薄膜的可穿戴式能量收集器
（a）FEP双层层压膜的示意图；

（b）空隙结构的示意图；

（c）制作的平行隧道FEP薄膜的两个横截面SEM图像；

（d）开路条件下的输出电压，是施加力持续时间的函数；

（e）作为频率函数的压电g₃₁系数；

（f）作为频率函数的压电d₃₃系数；

（g）装置照片和质量分别为0.10和0.26 g的电池；

（h）由FEP发生器和振动筛组成的实验装置示意图；

（i）测量的标准化功率，由G₃₁能量收割机产生，由频率范围为30-150 Hz的振动筛激发。

图十四、基于聚丙烯蜂窝双功能声学设备
（a）大面积柔性多孔聚丙烯压电驻极体基声学器件的原理结构；

（b-c）声学装置的横截面扫描电镜图像和在5 kHz下不同电压下滚动圆柱形声学装置的SPL极性图；

（d）录音机制；

（e-f）原始音乐的声波和声谱图和声学设备录制的音乐；

（g）灵敏度增强型可穿戴声纹传感器的示意图；

（h）在发言者的声纹上显示丰富的高频频率被截获的一个字的信号；

（i）获取的电流信号的短时傅立叶频谱，指示人声的频率分布。

图十五、基于纸张的可穿戴主动触觉传感器阵列
（a）用油墨打印机打印平行银电极的示意图；

（b）触觉传感器架构的示意图；

（c）当像素（III-b）受到力时，PATSA的八个通道电极产生的电压数据图；

（d）从（a）中得出的柱状图描述；插入示意图表示按下像素（III-b）的动作；

（e）当上述像素（III-b）在切割前受到力时，传感器阵列的八通道电极电压信号；

（f）当上述像素（III-b）在切割后受到力时，PATSA的八通道电极电压信号。

图十六、基于THV/COC宽范围的人体运动监测器
（a）指示THV/COC压驻极体膜结构的示意图；

（b）柔性THV/COC压驻极体薄膜的数字照片；

（c）纳米发生器宽范围的压力响应曲线；

（d）纳米发电机的循环性能；

（e-f）用THV/COC压电驻极体纳米发生器测量食指打字和拳头敲击的压力。

图十七、基于FEP/f-PTFE复合膜的超灵敏压力传感器
（a）五层层压薄膜发生器结构示意图；

（b）发电机照片；

（c）随着压力增加而转移的表面电荷密度；

（d）连接在36岁健康成人手腕上的压力传感器的典型电压输出波形；

（e-f）用于检测面部肌肉收缩和呼吸的装置的短路电流。

图十八、FEP/Ecoflex压电驻极体脉冲波检测传感系统
（a）基于脉冲传感系统的M-健康系统的概念以检测村、关和池位置的脉冲波，并遵循中医药在医学评估中的应用；

（b）使用FEP/Ecoflex/FEP夹层结构压电驻极体薄膜的脉冲传感装置示意图；

（c）180 s所有采集数据的脉冲信号特征（灰色）和平均结果（红色）；

（d）计算出五个志愿者长期脉冲之间的距离矩阵。

图十九、用于睡眠监测的VA/FEP压电驻极体传感系统
（a）休眠监视器的装置结构示意图；

（b）比较EVA/FEP压电驻极体和商用PVDF压力传感器之间的压力灵敏度；

（c）健康监测志愿者下方睡眠监护仪的数字图像；

（d）睡眠监视器对连续运动的电响应；

（e）其他参与者的原始信号和相应的过滤呼吸和心跳信号；

（f）手机上系统显示采集的实时呼吸曲线、心率和呼吸频率的照片。

【总结与展望】

综述所述，本文综述了压电材料的基本机理、理论研究、制备和后处理方法，并进一步介绍了近年来压电材料作为可穿戴式能量采集器和传感器的一些具有代表性的研究进展。基于压电材料的可穿戴电子器件不仅具有独特的灵活性、输出稳定性和长期耐用性，而且具有与无机压电材料相媲美甚至优于无机压电材料的优良压电性能。此外，压电驻极体的制备方法简单、经济、环保。然而，目前仍然有一些关键问题需要被解决：（1）进一步提高压电式可穿戴式能量采集器的能量转换效率；（2）大多数努力都致力于提高传感器的灵敏度，而其他传感特性没有得到足够的重视；（3）仅仅依靠传感器来满足用户的需求是不够的，还需要与大数据分析和自动化控制技术相结合；（4）为了压电基可穿戴电子器件商业应用，需要进一步改进压电基可穿戴电子器件的制作和极化方法，使其在复杂条件下更加稳定可靠；（5）需要进一步理解压电驻极体的基本电荷存储机制。
总之，可穿戴电子产品极大地激发了人们的兴趣和想象力，但是要实现其实际应用还有很长的路要走。压电驻极体不仅具有很高的柔性和耐用性，而且成本低廉、制作方法简单和压电容量大。相信在未来基于压电驻极体的可穿戴式收割机和传感器有着广阔的前景和巨大的潜力。

文献链接：Piezoelectrets for wearable energy harvesters and sensors（Nano Energy, 2019, DOI:10.1016/j.nanoen.2019.104033）

本文由CQR编译。

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