壓電駐極體，也稱為鐵電駐極體，具有良好的壓電性能，在可穿戴健康監(jiān)測中有著廣泛的應用。通常情況下，壓電駐極體的蜂窩狀多孔結構對其傳感性能有著重要的影響，因此，結構的改進和優(yōu)化是實現(xiàn)高性能壓電駐極體的可能途徑。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，中國科學院深圳先進技術研究院方鵬研究員課題組提出了一種復合結構的壓電駐極體系統(tǒng)，其中一層聚丙烯（PP）泡沫夾在兩層固體聚四氟乙烯（PTFE）之間，從而形成泡沫結構和層狀結構壓電駐極體的結合。這種復合系統(tǒng)薄而柔韌，表現(xiàn)出穩(wěn)定的電輸出、相對較寬的線性工作范圍和良好的機械穩(wěn)定性。結果表明，該復合系統(tǒng)可以看作是兩種組分的簡單疊加，每種組分對整個體系的貢獻是線性的、獨立的。所提出的復合系統(tǒng)的應用潛力已經(jīng)通過睡眠監(jiān)測以及頸動脈和橈動脈脈搏記錄得到證實，可以從復合系統(tǒng)采集的信號中提取許多有用的生理信息，包括呼吸、心跳和脈搏細節(jié)。本研究可以提供一種柔性傳感器系統(tǒng)，其對于未來的便攜式和可穿戴應用非常有競爭力。

在本項研究中，所提出的復合結構壓電駐極體系統(tǒng)的結構設計如下圖所示，其中一層PP泡沫夾在兩層固體PTFE之間，外部電極沉積在復合系統(tǒng)的兩側。其中，在不使用任何粘合劑的情況下，通過靜電吸附將PP泡沫與PTFE層結合以形成復合系統(tǒng)。將復合系統(tǒng)與外部電路電連接，并用兩層聚酰亞胺膠帶封裝，從而獲得完整的傳感單元。有效傳感面積可根據(jù)應用需求靈活調(diào)整，在本研究中分別為1 × 1 cm2和4.5 × 4.5 cm2。

復合結構壓電駐極體系統(tǒng)示意圖

根據(jù)電輸出性能的研究結果，初步認為，該復合系統(tǒng)可以看作是兩種組分的簡單相加，每種組分對整個系統(tǒng)的貢獻是線性的、獨立的。該復合體系具有良好的結構穩(wěn)定性，即機械可持續(xù)性。此外，在所有測試范圍內(nèi)，所有組分都填充的復合系統(tǒng)的靈敏度最高，其靈敏度大致為在0-10 kPa和10-30 kPa壓力范圍內(nèi)僅填充PP和僅填充PTFE的復合系統(tǒng)的總和。所提出的復合系統(tǒng)可以在壓力下實現(xiàn)相對高的靈敏度和寬的線性工作范圍之間的平衡，這有利于擴展其在各個學科中的應用。

復合系統(tǒng)、PP泡沫和一些代表性自驅(qū)動傳感器的靈敏度-壓力特性

研究人員將復合結構的壓電駐極體系統(tǒng)用于可穿戴健康監(jiān)測，包括睡眠監(jiān)測、頸動脈脈搏記錄和橈動脈脈搏記錄，并通過分析記錄的生理信號來評估應用性能。對于睡眠監(jiān)測，可以從安裝在枕頭上的復合系統(tǒng)（有效傳感面積為4.5 × 4.5 cm2）記錄的信號中提取整個睡眠階段的大量有用信息。

此外，通過一些簡單的處理，如濾波，呼吸和心跳信息仍然可以用波形細節(jié)來區(qū)分，這可以用于未來的醫(yī)學分析以供臨床使用。這一代表性結果表明，借助適當?shù)男盘柼幚砑夹g，傳感器不僅可以安裝在枕頭上，還可以嵌入床墊、靠墊甚至腰帶中，以實現(xiàn)高質(zhì)量的生命信號檢測。類似地，使用復合系統(tǒng)（有效傳感面積為1.0 × 1.0 cm2）進行頸動脈和橈動脈脈搏記錄也是成功的，其中從與呼吸信號混合的信號中識別脈搏信息用于頸動脈測量，并且可以獲取收縮波、潮汐波、重搏切跡和重搏（舒張）波的詳細信息用于頸動脈和橈動脈測量，這對于臨床應用非常有用。

健康監(jiān)測應用中的測量

總而言之，研究人員設計并制作了一種復合結構的壓電駐極體系統(tǒng)。一種非常簡單的層壓結構，即一層PP泡沫夾在兩層固體PTFE之間，被證實具有良好的壓電性能，在此基礎上實現(xiàn)了睡眠監(jiān)測、頸動脈脈搏記錄和橈動脈脈搏記錄的應用。這項工作可能為柔性傳感器和可穿戴健康監(jiān)測應用提供了一種可選方案。

審核編輯：劉清