基于BNT/OBC复合膜的压电传感器设计与性能研究

潘晓毅，郑 婷，张树斌

（桂林市科学技术情报研究所，广西桂林 541004）

引言

人工智能技术和物联网技术的蓬勃发展，使得微纳压力传感器的研究具有重要意义[1-3]。尽管有报道称由金属纳米线、石墨烯和其他材料制成的各种传感器通过机械变形来检测信号，但这些传感器在工作过程中的供电问题以及材料固有的脆性阻碍了它们的全面应用。这使得基于复合材料的柔性自供电压力传感器具有实际意义。对于柔性器件，基于不同的工作机制，传感器类型主要分为压电[4-7]、摩擦电[8-10]、热释电和压阻式传感器[11]，其中压电传感器由于其高灵敏度和制备简单而被广泛研究。以往，锆钛酸铅被广泛研究与应用[6]，但该材料中含有铅元素，在制备、使用和后期处理过程中会污染环境，引起铅中毒，直接危害人体健康。为了达到使用压电传感器监测人体运动的目的，无铅压电材料和它们的复合材料可以成为弥补上述缺陷的有效候选者[12]。人体运动信号的检测，尤其是监测不易察觉的运动变化，仍然是一项重大挑战。运动员通常进行高强度训练，在这个过程中，不准确的动作和疲劳会导致身体问题，这可能会增加他们受伤的风险。因此，实时监测和评估运动员的身体状况具有重要意义。

随着纳米技术的发展，检测人体运动成为可能。虽然此前已有大量关于人体生理监测的研究报道，但由于运动员的专业性，运动过程中的正常与异常动作并无明显区别，因此，非常需要高性能的传感器来检测和监控运动员在训练和比赛期间的运动的微小变化。

通过热压法制备了基于钛酸铋钠（BNT）的柔性自供电压电传感器，该传感器以热压烯烃嵌段共聚物（OBC）为基底，使BNT 均匀混合其中，并且研究BNT 含量对输出电性能的影响。OBC/BNT 复合传感器具有高的灵敏度，能够检测微小的人体运动，适合可穿戴人体运动监测和安全系统的报警。

1 试验

1.1 试验材料及仪器

合成BNT的原材料是Bi2O3、Na2CO3、TiO2（国药集团化学试剂有限公司），无水乙醇（上海阿拉丁试剂有限公司），陶氏OBC（ΙNFUSE 9107），导电铝箔。

1.2 材料与器件制备

采用传统固相法制备Bi0.5Na0.5TiO3（BNT）陶瓷，按照BNT 的摩尔比称取一定质量的Bi2O3、Na2CO3和TiO2原料粉体，计量比的原料粉体以无水乙醇作为介质，3 mm 的锆球球磨12 h，球磨浆料干燥后的混合物在850 ℃煅烧4 h，然后再次球磨12 h 并80 ℃烘干浆料，干燥的粉末用100 目过筛获得超细的BNT粉体。

采用热压法制备BNT/OBC(BO)复合薄膜，定量称取OBC 于175 ℃热压机中热压3 min，然后再称取不同质量BNT 粉末与OBC 膜于170 ℃下热压3 min。重复该操作6 次以制备出BNT 不同质量比BO 复合薄膜，所制成膜的厚度为0.15 mm，用切割机将所制备的BO 膜剪切至长2 cm、宽2 cm 的尺寸以便于组装器件。将导电铝箔完全贴合于BO 复合膜的两面作为器件的两个输出电极。

1.3 表征分析方法

BNT 粉体的晶体结构用X 射线衍射仪（XRD、AXS D8-ADVANCE）进行分析，薄膜采用傅里叶红外光谱（Thermo Fish，Nicolet6700）进行了微结构分析，外部测试的撞击力由数显推拉力计（FG-2）测量，传感器的输出电性能用高阻计（6514B，吉时利）测试。

2 结果与讨论

2.1 器件构型

压电传感器的器件结构如图1 所示。从图1 中可知该器件由铝箔、BO 膜两种材料构成三明治结构，上下端为铝箔电极，中间压电层为BO 膜。将两根铜导线分别黏附于铝箔上作为器件的引出电极，且导线与铝箔的连接处涂低温银浆以消除材料间的接触电阻，制备出的器件称为BO器件。

图1 压电传感器的结构示意

2.2 材料测试

通过X 射线衍射分析方法研究了BNT 粉体的微观结构，其衍射图谱如图2(a)，合成的BNT 粉体只有钙钛矿结构的衍射峰，没有第二相的衍射峰，呈现出纯的钙钛矿结构。BNT 粉体和OBC 薄膜的傅里叶红外光谱如图2(b)，在OBC 材料中复合BNT粉体后没有改变OBC的分子结构，二者形成了复合薄膜材料。

图2

2.3 性能测试

压电传感器测试系统由直线电机、计算机和静电计组成。直线电机由专用软件控制，通过软件调控电机进行周期性的往返运动，据此以产生稳定且可重复的冲击力。当直线电机在软件控制下撞击压电传感器时，压电传感器由于极化作用在传感器两端产生不同电荷，电荷由静电计收集并通过专业软件保存数据。

图3(a)为在机械撞击力为30N 条件下，BNT 粉体在OBC 中的添加量为10%、20%、30%和40%时的稳定输出电压信号。从图3(a)中可知，随着BNT粉体添加量的增加，传感器的输出电压逐渐从25 V增加，当BNT添加量为30%时获得最高的输出电压约为35 V。但是，当添加量进一步增加到40%时，传感器的输出电压下降到27 V。由此可知，BNT 的添加量为30%时，压电传感器的输出电压有明显提升。因为OBC的韧性表现优异，且具有较好的抗疲劳性，在柔性材料OBC 中均匀混合BNT 粉体提高材料的介电常数，且增加柔性材料中微电容数量。柔性压电传感器中随着BNT压电材料的增加，器件的输出性能逐渐提高，当BNT粉体在器件中的添加量达到一定值时，材料本身表面相互作用在热压过程中无法使压电材料均匀分布导致输出性能降低。图3(b)表示BNT 添加量为30%，在不同机械撞击力作用下的器件输出电压。从图3(b)可知，随着外部撞击力的增大，器件的输出信号电压呈上升趋势。当外界撞击力达到30 N时，输出电压从18 V逐步上升为35 V，而当外力进一步增加时，输出电压明显降低。压电传感器随着外界作用力的增加，输出信号电压基本随压力线性变化，可见传感器的感知效果好。30%的BNT 含量和30 N 外力时，器件在0.1 Hz，0.3 Hz 和0.5 Hz 频率下的输出信号电压如图3(c)所示。从图3(c)中可以看出，随着外力作用频率的增加，器件的输出电压增高，在0.5 Hz时具有高的输出电压约35 V，说明该压电传感器适用于低频的外力环境。图3(d)展示了器件在手击打时的输出信号电压，通过电压信号可明显反映出人手击打器件的过程，充分说明该器件作为传感器的潜力。

图3

2.4 原理解析

测试中以胶板作为器件的受力面，通过控制位移机施加外力，通过胶板的位移程度来改变器件所受外力的大小。压电传感器的工作原理如图4 所示。器件从上到下的结构顺序包括电极1(铝箔)，BO 膜，以及电极2(铝箔)。在外力作用下可将研究分为两个主要过程：一个是外界压力作用下器件发生形变，另一个是撤销外界压力后器件逐渐恢复到初始状态。在t1时刻，器件受到外力作用发生形变，其中BNT颗粒也因外力作用产生极化现象，从而导致电极1 和电极2 的电势不同形成电势差，此时产生的电子从电极1 流向电极2；在t2时刻，外界所施加的压力维持不变，BO 复合膜不会继续发生更大的形变，此时产生的电子停止流动，一段时间后电位会逐渐平衡；当外力作用到t3时刻时，压力被释放，BNT 颗粒和OBC 将逐渐恢复到初始状态，此时产生的电子将反向流动，从电极2 流向电极1；在t4时刻，外力彻底释放为0，压电传感器恢复到了初始状态，电子停止流动，电极1 和电极2 电位逐渐平衡。

图4 器件的传感原理

3 结论

采用热压法制备BNT 复合柔性OBC 材料的压电传感器，通过压电BNT粉体的压电性能实现压力的感知探测，该器件的制备具有工艺简单的优点。不同BNT添加量的结果表明，BNT的添加量为30%时具有优异的输出电性能。在30 N 的外力作用下，输出信号的电压最高可达到约35 V。在不同低频弯曲测试条件下，该柔性压电传感器具有良好的电压输出性，为未来可穿戴压电传感器用于实时监测提供一种新的思路。