应用于手部关节运动的压电驻极体柔性传感器

胡宇涵， 咸婉婷， 刘志远， 徐 冬， 陈宝成

(中国电子科技集团公司第四十九研究所,黑龙江 哈尔滨 150028)

0 引 言

柔性传感器的发展为人工智能和可穿戴设备的进步提供了重要途径[1]。面向人体可穿戴的柔性传感器由于涉及到新材料、新工艺、新方法，并需要电子学、物理学、生物学及医学等多学科交叉，因而成为目前国内外科学研究的热点与难点。目前柔性传感器的研究正处于起步探索阶段，金属材料的弯曲度有限，有机材料的柔韧性更好，但是压电信号敏感度不如金属材料。同时测试精度、灵敏度、重现性及稳定性还没有达到商业标准，需要进一步的研究和大量测试实验工作[2]。柔性敏感膜是人体可穿戴传感器的典型核心敏感元件，是通过对柔性材料进行合成、处理、加工、组装而形成的能够感知人体各项参数的传感器，其测量对象通常为压力、形变、温度等物理量或汗液、血液、生物电信号等生化量[3]。

基于压电效应的柔性敏感膜可通过对力的感知完成肢体运动描述、呼吸频次采集等可穿戴化测量[4]。长久以来，具有压电效应的柔性材料主要采用聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)膜及其共聚物，直至Sessler G M等人发现一直用于保温、包装、隔音的聚丙烯(polypropylene,PP)多孔型材料(cellular PP)经合理的电极化后具有明显高于PVDF及其共聚物的压电活性[5]；同济大学物理系波耳固体物理研究所张晓青等人对提高孔洞结构压电驻极体膜压电活性的新方法进行了研究与实验，进一步提升了PP蜂窝膜的压电特性[6]。

本文对PP蜂窝经膜膨化和电晕极化处理形成的压电敏感膜进行了压电特性及能量自拾取特性的研究，测试了该类敏感膜对人体运动感知与能量自拾取的能力与效果。

1 结构与原理

PP是丙烯加聚反应而成的一种热塑性树脂。具有质轻、拉伸强度高、突出的疏水性，此外还具备良好的耐弯曲特性和化学稳定性等优点。这类独特的具有蜂窝结构的高孔度驻极体薄膜不仅降低了材料的相对密度和硬度，而且由于其增加了材料内的聚合物/空气界面形成了更多更复杂的电荷陷阱，使其呈现出较铁电性压电聚合物PVDF更高的压电特性[6]。PP驻极体薄膜其压电性能来源于蜂窝结构驻极体薄膜的非均匀机械性能及电荷分布，即PP蜂窝膜进行电极化的过程中孔洞内气体发生等离子放电，蜂窝膜的孔隙边缘介质层因此形成了空间电荷层，构成了一个个以蜂窝为单元的电畴[5,7,8]。

假定其压电活性可以用由n个聚合物层和(n-1)个气体层(各层介质的相对介电常数，厚度和电场及气层的相应值分别假定为εpr，d1i，E1i和εgr，d2i，E2i)交叠形成的多层夹心系统的模型来描述，其相应层的气体/聚合物界面的等效面电荷密度为±σi，-σr1和σr2是经电晕充电后在蜂窝膜上下表面的空间电荷，其电荷层深度分别为dr1和dr2，而上下电极的感应电荷分别为σin1和-σin2。在短路条件下,图1为上述模型的示意图[9]。

图1 PP蜂窝状驻极体膜的压电模型

根据Hook定律Δd2/d=Δp/Y,其中，Δp为作用在薄膜上沿膜厚压强的变化，Y为膜系杨氏模量。假定空气层厚度的变化满足Δd2i/Δd2=d2i/d2,故薄膜的压电d33系数可表为根据该薄膜结构压电驻极体理论模型，其压电常数d33可表示为

(1)

由于经电晕充电的空间电荷层通常位于样品的表面和近表面，在样品完成电极制备后，相当部分电荷已经损失，故上式中dr1σr1和dr2σr2对压电d33系数的贡献可以略去，即

(2)

由式(2)可知，PP蜂窝膜的压电活性和材料体内各界面处俘获的电荷密度，膜系的杨氏模量，薄膜厚度，体内孔洞中气体的种类以及孔洞的尺寸密切相关。

PP蜂窝膜是经化学掺杂发泡工艺方法形成的闭孔蜂窝结构的薄膜，其结构较为扁平，因此其等离子放电行程较短，无法实现良好的充电，需要提升其充电效率并减低其弹性模量Y。研究发现膨化工艺可提升气隙层厚度，并将该薄膜的杨氏模量控制在14 MPa左右的低值区，相比未处理前的15 000 MPa低3个数量级。

当对PP蜂窝膜进行适当处理后，获得良好的压电特性，可以完成压力测量、形变测量等基于压电特性的传感功能，且该薄膜因为不需要供电且能直接产生电荷，即能够做到将动能在一定程度上转换为电能的工作。基于以上特性，该薄膜作为可穿戴传感器用于采集人体运动，相比其他材料如PVDF膜等压电膜，具有更好的优越性。

根据材料特性，处理后的PP蜂窝膜工作温度不高于60 ℃，机械强度低，这使其在许多工业场合无法使用，但对于可穿戴的体温环境和人体运动条件下的应用可行性却不受影响。

2 实 验

2.1 压电敏感膜制备

为使PP蜂窝膜获得具备可供传感的压电特性而成为适合的压电敏感膜，需要对其进行膨化与电极化等一系列处理，制备出具有压电材料和驻极体特性的柔性压电敏感膜,如图2所示。

图2 PP压电驻极体薄膜制备过程示意

本实验所使用的敏感膜是以初始厚度为70 μm、密度为0.550 g/m3规格的成品PP蜂窝薄膜经气压膨化与电晕极化处理后形成的柔性压电敏感膜。针对该敏感膜，根据压电特性与动能拾取特性实验的需求，将敏感膜剪切为多种尺寸与形状，并在其两面进行银电极的制备，从而完成实验样品的制备。

1)气压膨化：将PP蜂窝薄膜剪成5 cm×5 cm的方形，放入压力容器中并充入压缩氮气使其压力达到接近2 MPa，待充气完毕稳定2.5 h，使PP薄膜中的孔洞内部气压与容器内气压充分平衡；再将容器放入恒温箱加热至120 ℃，温度达到120 ℃±3 ℃后稳定3.5 h，使薄膜整体充分均匀受热。膨化前后断面SEM照片如图3所示。

图3 具有孔洞结构的PP薄膜膨化前后断面SEM照片

2)电晕极化：将气压膨化后的薄膜使用“针—板”电晕充电装置进行电晕充电，针电压10 kV，针板间距5 cm，充电总时长1 min，进行恒压充电。

3)制作电极：采用聚酰亚胺(polyimide,PI)材料作为掩模板来限制电极的形状和面积，掩模板设计制作为16个间隔为0.1 cm的尺寸为1 cm×1 cm的正方形。由于材料本身的使用温度不宜超过60 ℃，因此采用涂覆法在其上下表面覆盖一层厚度为0.2 μm的导电银浆常温条件下固化，进而完成电极的制备,PP薄膜如图4所示。

图4 掩模板样式以及电极制作完成的PP薄膜

2.2 准静态压电特性实验

压电材料的主要特征参数有压电常数、弹性常数、介电常数、机械耦合系数、居里点等。其中，压电常数d33是表征压电材料性能最常用的重要参数之一，它是压电体将机械能转变为电能的转换系数，能够反映压电材料弹性(机械)性能与介电性能之间的耦合关系，单位为pC/N,公式为

(3)

式中Q为电荷量，pC；F为薄膜受力，N。

由于本文中柔性压电敏感膜对力的感知无法识别平衡力，其测量对象为动态变化的力，因此施加恒定载荷的方法不适用于本文中压电特性测量。本文采用了重力卸载的方法进行d33的测量，该方法相比使用力矩测量法对夹具的要求更低，也可去除加载方法引入的加速度改变，将加载的质量作为力F唯一的影响因子。通过改变砝码的质量可以得到压电薄膜压电系数d33的压电特性。

3 实验结果与讨论

3.1 敏感膜准静态压电特性

压电特性实验中，由于力的卸载通过人手进行操作，在操作过程中有可能发生分力干扰，为确保获取的电荷数与实际卸载力产生的电荷一致，排除手动操作引起的干扰，本实验只选取一个尖峰的完整脉冲波形作为有效数据，如果呈现其他波形则重新试验。合格和剔除波形如图5所示。柔性压电薄膜传感器输出曲线如图6所示。

图5 压电特性试验波形图(合格和剔除)

图6 柔性压电薄膜传感器的输出电压与压力关系

本实验获取共12组的实验波形，其中合格波形共9组，剔除波形3组。根据实验数据进行d33的计算，按式(4)，在脉冲波形内累计的电荷量为电流I在时间段t的积分，对波形的电压值U和时间t进行测量，结合实验系统固定参数，得出本实验中样品d33数值在150～200 pC/N之间。

实验证明：所制备的薄膜样品压电系数较高，具备了较强的压电活性，且样品的输出电压与所施加的压力之间呈现出良好的线性关系，无需进行电路二级放大情况下完成可穿戴条件下呼吸监测和人体肢体运动监测；同时，在存在分力干扰的手动试验中，本实验采用示波器的方案可实现过程监测，完成不合格波形剔除，相比直接使用静电计测量电荷量的方案，更能判断实验数据的有效性。

3.2 敏感膜电荷储存能力特性

将储存在常温下的PP薄膜每隔十天进行一次测量，发现其压电系数d33出现衰减进而表明材料的压电活性降低。分析原因可能是和其本身的电荷储存稳定性有关，膜中部分的浅阱电荷脱阱、引起孔洞电荷密度减小，另一方面由于材料本身的疏水性较差引起空气中的水蒸气加快膜内的电荷衰减。因此，考虑采取冷压方法对其封装，避免其与空气接触，同时保护膜表面电极避免直接碰触导致脱落。同样对其每十天进行一次测量，通过对比发现薄膜的压电特性衰减得到明显改善,如图7所示。

图7 冷压封装与未处理过的柔性PP薄膜压电系数d33常温下的衰减曲线

3.3 薄膜封装与阵列化设计

基于此压电薄膜传感器测量手部关节运动，按照人体手部关节分布设计采用单指三个指关节的阵元封装在一起，做成一条阵列。采用此种阵列设计，阵元之间的连接，能够增加手指运动在阵列产生的力，并可使柔性压电薄膜更好的贴服于手部关节。

按照设计方案进行柔性压电敏感膜阵列的制作，采用冷压封装技术，首先将薄膜裁剪成1 cm×1 cm的尺寸，选取厚度50 μm的铜箔，使用导电胶将薄膜上下表面分别与铜箔相粘接，使薄膜处于中间位置从而避免两片铜箔直接接触造成短路，将其放置在涂有冷封胶的PI衬底上。依据人体手部关节分布确定三个阵元位置，按照图8(a)结构设计叠加，最后将聚酰亚胺的其余边缘部分紧密压合在一起。将此敏感芯体放入冷压机中，设置好一定压力，进行冷压处理，得到封装好的压电薄膜阵列。

图8 压电敏感膜阵列图设计与制作

3.4 敏感膜人体运动采集

人体中活动比较频繁的肢体是关节，针对本文制备的敏感膜选取人体手指关节处做制定运动进行可穿戴测试，当关节有弯曲等动作时，传感器会因其形变产生相应输出，以便于监测人体的生理参数和动态情况。将敏感膜使用硅胶贴粘贴于手指背部，以食指为例1 min内做往复的弯曲—伸展运动，其测试结果波形如图9所示。

图9 柔性压电传感器在指关节不同弯曲程度下相应输出

实验结果表明，当手指保持伸直状态时，附着在手指部位的器件没有受到外界压力，器件没有响应输出。当手指不断的弯曲与伸展时，器件受到的应力方向有区别。向下弯曲时，薄膜受到挤压作用，应力整体向内层集中，形成的电压响应为图9中的正向电压信号；在回复伸展时，则正好相反,形成反向电压信号。而且可以看出传感器电压信号随着手指弯曲程度的不同表现出不同的输出，因此其信号可用于表征手指弯曲度，进而检测和识别人体关节运动。并且本设备不需要外部供电，能实现自行监测。同时针对人体手指关节运动的采集，其波形的形态与采集的幅值，可在无需放大和复杂处理的情况下实现步数记录、运动剧烈程度判定等人体活动情况测量。

4 结 论

本文选取压电驻极体材料PP薄膜作为柔性敏感膜，采用膨化及电晕极化等工艺手段进行处理，进一步增强薄膜的压电活性。并发现常温下的薄膜存在电荷衰减现象，因此，采用冷压封装的手段进行处理，提升薄膜的电荷储存稳定性。设计制作出的柔性驻极体阵列式压电传感器对人体手部关节运动进行了实时监测，都得到了相对应的电压输出，表明该传感器可以表征手指的弯曲。实验证明，所制备的敏感膜样品具备了较强的压电活性，在无需进行电路二级放大情况下可以应用于进行实时监测人体运动姿态识别、呼吸监测等人体生命体征以及可穿戴设备。