综述：柔性PZT复合薄膜压力传感器的研究进展
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）研究人员广泛关注复合薄膜压力传感器具有优异的柔性和压电性能。柔性PZT传感器作为先进智能设备的重要组成部分，在促进未来机器人电子皮肤和智能医疗的发展方面发挥着重要作用。据麦姆斯咨询报道，北京信息技术大学高国伟教授团队对柔性PZT复合膜压力传感器的研究进展进行了综述分析，阐述了柔性PZT复合膜压力传感器的工作原理、制备方法、研究现状和典型应用，并对其未来发展展展望未来。以“柔性PZT复合膜压力传感器研究进展”为题，在《先进陶瓷》期刊上发表了相关研究内容。柔性PZT复合膜压力传感器的原理和制备工艺柔性PZT复合膜压力传感器主要由上下电极和中间PZT复合材料组成。其工作原理是基于PZT复合材料的正压电效应。当被外部压力挤压时，传感器内部极化，上下电极表面产生相反的符号和相同大小的电荷。通过测量电荷，可以实现敏感信息的感知。PZT作为一种无机压电材料，具有优异的压电性能，但其脆性和非生物相容性限制了其在智能电子皮肤和医疗保健领域的应用。PZT粉与PVDF和聚二甲基硅氧烷（PDMS）其他热塑性聚合物形成的压电复合材料可以有效提高PZT本身的硬度和脆性。PZT复合膜的制备是柔性PZT传感器实现柔性弹性的关键步骤。常用的制备方法有流延法、旋转涂层法、静电纺丝法、热压法、溶胶凝胶法、溶剂蒸发法等。基于PZT复合材料的微型传能器、声学传感器、柔性压力传感器等新型设备广泛应用于电子皮肤和医疗健康。柔性PZT复合膜压力传感器因其高灵敏度、柔韧性等优点而被广泛研究。在压电性能优化方面，研究人员将PZT与有机聚合物混合成复合材料，有效提高了柔性PZT复合膜传感器在材料成分和结构创新方面的压电性能。由于PZT压电材料刚脆，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压力传感器的柔韧性优化已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要在柔性基底上集成PZT材料，但制备过程中的高温退火过程会对柔性基底造成损坏。因此，研究人员提出了聚酰亚胺采用无转移激光剥离法（PI）PZT集成双边多模传感器的策略也为多参数柔性PZT传感器集成提供了简单而强大的集成方法，为多物理场监测和柔性医疗设备的开发奠定了基础。图1 （a）PZT/PVDF材料结构图；（b）复合材料工作原理图2 （a）PZT/PVDF材料结构图；（b）PZT/SMPU材料结构图3 柔性PZT集成压力和温度传感器图4 （a）柔性传感器贴片集成；（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）近年来，柔性PZT压力传感器在智能医疗、电子皮肤、运动检测、人机交互等领域得到了广泛的应用，柔性PZT压力传感器在电路集成模块实物图中的应用迅速发展。研究人员充分利用PZT复合膜的高压电性能和高柔韧性，实现了不同领域的深入研究和发展。图5 （a）实时脉搏监测系统；（b）传感器等效电路；（c）10 PZT在kPa压力下的电势：（d）输出电压在不同压力下；（e）传感器输出电压及响应时间图6 （a）(PU)/PZT电子皮肤；（b）PZT/PDMS阵列电子皮肤图7 （a）双传感器供电棉袜；（b）可穿戴步态监测系统图8 基于PZT/PVDF的智能乒乓球拍总结和展望PZT复合膜制备方法的改进，大大提高了复合材料的压电性能和柔韧性。通过传感器材料和结构的开发和改进，出现了低成本、高灵敏度、检测范围广的柔性PZT压力传感器，促进了该传感器广泛应用于智能医疗、机器人电子皮肤、体育检测和体育训练。但目前柔性PZT压力传感器仍面临诸多不足，一些技术问题仍需深入研究。（1）为了更好地适应皮肤和复杂的弯曲表面，需要不断开发新材料，创新结构，寻找复合材料的最佳比例，改进制备工艺，降低成本，实现高性能、低成本的PZT复合膜制备方法。（2）根据PZT压力传感器的工作原理，该传感器不适合静态力测量。未来，研究方向可以集中在如何实现广泛的静态力测量，为智能医疗中微弱信号的监测奠定基础。（3）随着智能感知、自供电和微电子技术的不断发展，将柔性PZT自供电传感器集成到小空间，有利于便携式可穿戴设备的应用。如何实现多维阵列微传感器的高灵敏度、宽检测限制和稳定性是未来研究的重点。（4）随着柔性PZT电子设备在电子皮肤和智能监测中的广泛应用，同时检测多物理量的多参数柔性阵列非常重要。未来，高灵敏度的PZT集成传感器将是多参数检测的关键研发方向之一。论文信息：DOI: 10.16521/j.cnki.issn.1001-9642.2023.10.001
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