可穿戴電子裝置近年來引起了人們的極大興趣。目前，已經開發出各種可伸展材料和工程可伸展結構，無論是透過將諸如金屬或碳的導電材料沉積到聚合物襯底上，還是透過將這些導電材料嵌入到聚合物襯底中都是如此。然而，最新的壓電感測器一般由聚合物、導電材料、感測器和積體電路組成，其本身缺乏延伸性。與聚偏氟乙烯(PVDF)相比，傳統的基於鋯鈦酸鉛(PZT)的感測器通常被認為是沒有柔軟性的，而且是有毒的。然而，最近的研究表明，PZT與聚合物混合幷包裹在聚合物中可以提高可伸縮性和減弱毒性。此外，感測器的功能單元可以與柔性/彈性壓電薄膜整合，可以實現高電荷密度、機械韌性以及對多種刺激的靈敏響應，這是感測器模擬人類面板所必需的。
受基於PZT的可伸縮感測器允許大變形的啟發，來自北京科技大學的王寧教授、曹霞博士以及王中林院士團隊介紹了一種基於PZT-SEBS複合彈性體的生物相容性壓電電子面板。高彈性(彈性約為950%)的PENG不僅能從周圍環境中獲取機械能，而且對多種外界刺激表現出低毒性和優異的感測效能。對運動捕捉、溫度、語音識別的同步和獨立感知效能（尤其是二維力感知）大大促進了其在生理、聲音恢復和其他智慧系統中的廣泛應用。相關工作以題為“Piezoelectric Nanogenerator for Highly Sensitive and Synchronous Multi-Stimuli Sensing”的研究性文章在《ACS NANO》上發表。
PENG的工作原理和電氣效能
圖1a顯示了PENG的工作原理。在目前的柔性設計中，PZT是作為壓電材料引入的。當施加外力時，正負電荷對稱性的變化導致隨後的電子流經外部電路。換句話說，輸出的電訊號是外界刺激在PENG上的反射，這構成了PENG感測器的基礎。複合PENG可以很容易地彎曲成任何角度，並且可以拉伸到其原始長度的950%(圖1c)。還表現出良好的彈性，當外部壓力解除時，PENG幾乎同時恢復到原來的形狀。 圖1d-f分別顯示了相應頻率和壓力下的短路電流(Isc)、開路電壓(Voc)和電荷轉移，其最大輸出電流為8.73μA，對應的電流密度為9.70 mA·m−2，開路電壓也達到100V左右。圖2a、b是在不同頻率(1Hz、2Hz、4Hz、5Hz)下測得的PENG(20wt%PZT)的ISC和VOC，ISC與頻率的增加成正比，如圖2a所示，而VOC基本保持不變。圖2c，d是具有不同PZT含量的PENG的輸出效能。在4 Hz的固定頻率下，Isc和VOC都在PZT的20wt%左右增加到峰值，然後下降(圖2c，d)。當PZT含量大於20wt%時，由於壓電顆粒之間的相互遮蔽，當PZT顆粒的偶極在實際狀態下不同方向重排時，會出現退化現象。最終的電學效能是所有壓電粒子的總和。
圖1.PENG的工作原理示意圖。
圖2.PENG(20wt%PZT)在不同頻率下的ISC和VOC。
本文設計的感測器的測試
模仿人類面板的綜合能力吸引了人們對人機互動系統的極大興趣，例如語音安全、無人機和機器人的控制以及人工智慧(AI)(圖3a)。為此，本文測試了PENG對不同外界刺激(如機械力、聲波、溫度感測、人體運動)的感測效能，如圖3a所示。圖3b顯示了PENG對一滴水(約30μL)的電壓響應。當一滴水(約30μL，0.03g)落在PENG上時獲得了26.58V的實時電壓響應。圖3c顯示了在較寬的線性範圍內(0.0025N cm−2至0.25N cm−2)對靜力的靈敏電流響應(2.4 mA N cm−2)，而對壓力的電壓響應基本保持不變(約25 V)。圖3d顯示了PENG的ISC對不同靜壓刺激的響應變化，以及用COMSOL有限元方法模擬了PENG基本單元在不同靜壓下的電位分佈。從圖3d可以看出，模擬結果與實驗資料吻合較好。
圖3. 本文設計的感測器和測量系統的示意圖。
PENG與人體面板結合採集訊號的過程
靜態力和動態力的同步檢測對於運動捕獲和識別具有重要意義。圖4a顯示了瞬時動態力(F)和靜態力(P)響應，根據電壓訊號的雙模特性可以很容易地區分這兩種響應。該響應還可用於同時檢測氣流和聲學刺激，如圖4b，c所示。這些訊號易於識別，從而有助於在行為識別中的應用。圖4d-f顯示了PENG在彎曲(2V)、伸展(1V)、拍手(6V)等不同手腕動作時的特徵反應。腳踝動作，如踏步、跳躍和蹲下在本文中也進行了測試。不同的腳部運動可以獲得明顯不同的訊號影象(圖4f)。
圖4.PENG與人體面板結合採集訊號的過程。
基於PENG開發的語音感測器系統
為了進一步探索聲學感知效能，本文準備了貼片式面板語音感測器，用於語音安全授權(圖5a)。圖5a1是使用PENG的授權過程的照片。透過該裝置，可以透過資料擬合(圖5a4)提取波形特徵以進行生物特徵識別。圖5f所示的20000次迴圈聲學測試顯示了其具有良好的穩定性。隨著聲刺激音量(20−100dB)的增大和減小，PENG呈現出顯著的分級規律性。因此，PENG具有良好的仿生識別靈敏度和可靠性，可以開發為自勵式聲學感測器。
圖5.基於PENG開發的語音感測器系統的示意圖。
小結：PZT-SEBS PENG的具有可伸縮、生物相容性和通用性，可以在不同的拉伸條件下對壓力、聲音、溫度和氣流等外部刺激做出同步和獨立的響應。再加上對實際技術應用至關重要的製造效率、卓越的功率可持續性、低毒、機械耐用性，進一步推動了其在長期、高精度和可靠的面板上人體運動監測、語音和手勢識別方面的廣泛應用。
全文連結：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c07236
