柔性PZT复合薄膜压力传感器的研究进展综述

MEMS 2024-03-17 1757

描述

随着智能电子皮肤、健康检测、人机交互等领域的快速发展，柔性锆钛酸铅（PZT）复合薄膜压力传感器因其出色的柔性和压电性能而受到研究者的广泛关注。作为先进智能装置的重要组成部分，柔性PZT传感器对未来机器人电子皮肤以及智慧医疗的发展有重要推动作用。

据麦姆斯咨询报道，针对柔性PZT复合薄膜压力传感器的研究进展，北京信息科技大学高国伟教授团队进行了综述分析，阐述了柔性PZT复合薄膜压力传感器的工作原理、制备方法、研究现状及典型应用，并对其未来发展进行了展望。相关研究内容以“柔性PZT复合薄膜压力传感器的研究进展”为题发表在《先进陶瓷》期刊上。

柔性PZT复合薄膜压力传感器原理与制备工艺

柔性PZT复合薄膜压力传感器主要由上、下电极以及中间层的PZT复合材料构成，其工作原理基于PZT复合材料的正压电效应，当受到外界压力挤压时，传感器内部发生极化现象，在上下电极表面产生符号相反、大小相等的电荷，通过测量电荷量可实现敏感信息的感知。

作为无机压电材料的一种，PZT具有优良的压电性能，但易脆性和非生物相容性限制了其在智能电子皮肤和医疗健康等领域的应用。将PZT粉末与PVDF和聚二甲基硅氧烷（PDMS）等其它热塑性聚合物结合形成压电复合材料可有效改善PZT本身的刚硬、易脆性，其中PZT复合薄膜的制备是柔性PZT传感器实现柔弹性的关键步骤，目前常用的制备方法有流延法、旋涂法、静电纺丝法、热压法、溶胶-凝胶法、溶剂蒸发法等。

柔性PZT复合薄膜压力传感器的研究进展

基于PZT复合材料的微型换能器、声学传感器、柔性压力传感器等多种新型器件被广泛用于电子皮肤和医疗健康等方面。其中柔性PZT复合薄膜压力传感器因具有高灵敏度、柔弹性等优点被广泛研究。在压电性能优化方面，研究者将PZT和有机聚合物混合制成复合材料，并从材料成分、结构创新等方面有效提升了柔性PZT复合薄膜传感器的压电性能。由于PZT压电材料具有刚脆性，很难满足需要大面积弯曲或贴合皮肤的应用场景。因此，近年来，PZT压力传感器的柔弹性优化成为可穿戴传感器发展的热点。

此外，柔性PZT传感器的集成通常需将PZT材料在柔性基底上进行集成，但制备过程中的高温退火工艺会造成柔性基底损坏，因此研究者提出了利用无转移激光剥离法在聚酰亚胺（PI）基板上制作PZT集成双边多模传感器的策略，该研究也为多参数柔性PZT传感器集成提供了简单强大的集成方法，为多物理场监测和柔性医疗装置的开发打下了基础。

压力传感器

图1 （a）PZT/PVDF材料结构图；（b）复合材料的工作原理

压力传感器

图2 （a）PZT/PVDF材料结构图；（b）PZT/SMPU材料结构图

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图3 柔性PZT集成压力和温度传感器

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图4 （a）集成柔性传感器贴片；（b）传感器等效电路；（c）集成传感器系统；（d）电路集成模块示意图；（e）电路集成模块实物图

柔性PZT复合薄膜压力传感器的应用

近年来，柔性PZT压力传感器发展迅速，在智慧医疗、电子皮肤、运动检测、人机交互等领域应用广泛。研究者们充分利用PZT复合薄膜的高压电性能以及高柔弹性，实现了不同领域的深层次研究发展。

压力传感器

图5 （a）实时脉搏监测系统；（b）传感器等效电路；（c）10 kPa压力下PZT的电动势：（d）不同压力下的输出电压；（e）传感器的输出电压和响应时间

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图6 （a）(PU)/PZT电子皮肤；（b）PZT/PDMS阵列电子皮肤

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图7 （a）双传感器自供电棉袜；（b）穿戴式步态监测系统

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图8 基于PZT/PVDF的智能乒乓球拍

总结与展望

PZT复合薄膜制备方法的改进促使复合材料的压电性能以及柔韧性大幅提升，通过对传感器材料、结构的开发和改进，出现了低成本、高灵敏度、宽检测范围的柔性PZT压力传感器，促使该传感器广泛应用于智慧医疗、机器人电子皮肤、运动检测以及体育训练等多个领域。但目前柔性PZT压力传感器仍然面临很多不足之处，一些技术问题仍需要深入研究。

（1）为了更好地贴合皮肤以及适应复杂的弯曲表面，需要不断开发新型材料、创新结构、寻找复合材料的最佳配比、改善制备流程、降低成本，从而实现高性能、低成本的PZT复合薄膜制备方法。

（2）由PZT压力传感器的工作原理可知该传感器不适合用于静态力测量，未来可将研究方向聚焦于如何实现宽范围的静态力测量，为智慧医疗中微弱信号的监测打下基础。

（3）随着智能感知、自供电以及微电子技术的不断发展，将柔性PZT自供电传感器集成在小空间内有助于便携式可穿戴设备的应用，未来如何实现多维阵列微传感器的高灵敏度、宽检测限和稳定性是研究重点。

（4）随着柔性PZT电子器件在电子皮肤、智能监测中的广泛应用，可同时检测多个物理量的多参数柔性阵列至关重要，未来多参数检测的高灵敏度柔性PZT集成传感器将是重点研发方向之一。

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

审核编辑：刘清

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