复合结构压电驻极体系统及其在可穿戴健康监测中的应用

压电驻极体，也称为铁电驻极体，具有良好的压电性能，在可穿戴健康监测中有着广泛的应用。通常情况下，压电驻极体的蜂窝状多孔结构对其传感性能有着重要的影响，因此，结构的改进和优化是实现高性能压电驻极体的可能途径。

据麦姆斯咨询报道，近日，中国科学院深圳先进技术研究院方鹏研究员课题组提出了一种复合结构的压电驻极体系统，其中一层聚丙烯（PP）泡沫夹在两层固体聚四氟乙烯（PTFE）之间，从而形成泡沫结构和层状结构压电驻极体的结合。这种复合系统薄而柔韧，表现出稳定的电输出、相对较宽的线性工作范围和良好的机械稳定性。结果表明，该复合系统可以看作是两种组分的简单叠加，每种组分对整个体系的贡献是线性的、独立的。所提出的复合系统的应用潜力已经通过睡眠监测以及颈动脉和桡动脉脉搏记录得到证实，可以从复合系统采集的信号中提取许多有用的生理信息，包括呼吸、心跳和脉搏细节。本研究可以提供一种柔性传感器系统，其对于未来的便携式和可穿戴应用非常有竞争力。

在本项研究中，所提出的复合结构压电驻极体系统的结构设计如下图所示，其中一层PP泡沫夹在两层固体PTFE之间，外部电极沉积在复合系统的两侧。其中，在不使用任何粘合剂的情况下，通过静电吸附将PP泡沫与PTFE层结合以形成复合系统。将复合系统与外部电路电连接，并用两层聚酰亚胺胶带封装，从而获得完整的传感单元。有效传感面积可根据应用需求灵活调整，在本研究中分别为1 × 1 cm²和4.5 × 4.5 cm²。

复合结构压电驻极体系统示意图

根据电输出性能的研究结果，初步认为，该复合系统可以看作是两种组分的简单相加，每种组分对整个系统的贡献是线性的、独立的。该复合体系具有良好的结构稳定性，即机械可持续性。此外，在所有测试范围内，所有组分都填充的复合系统的灵敏度最高，其灵敏度大致为在0-10 kPa和10-30 kPa压力范围内仅填充PP和仅填充PTFE的复合系统的总和。所提出的复合系统可以在压力下实现相对高的灵敏度和宽的线性工作范围之间的平衡，这有利于扩展其在各个学科中的应用。

复合系统、PP泡沫和一些代表性自驱动传感器的灵敏度-压力特性

研究人员将复合结构的压电驻极体系统用于可穿戴健康监测，包括睡眠监测、颈动脉脉搏记录和桡动脉脉搏记录，并通过分析记录的生理信号来评估应用性能。对于睡眠监测，可以从安装在枕头上的复合系统（有效传感面积为4.5 × 4.5 cm²）记录的信号中提取整个睡眠阶段的大量有用信息。

此外，通过一些简单的处理，如滤波，呼吸和心跳信息仍然可以用波形细节来区分，这可以用于未来的医学分析以供临床使用。这一代表性结果表明，借助适当的信号处理技术，传感器不仅可以安装在枕头上，还可以嵌入床垫、靠垫甚至腰带中，以实现高质量的生命信号检测。类似地，使用复合系统（有效传感面积为1.0 × 1.0 cm²）进行颈动脉和桡动脉脉搏记录也是成功的，其中从与呼吸信号混合的信号中识别脉搏信息用于颈动脉测量，并且可以获取收缩波、潮汐波、重搏切迹和重搏（舒张）波的详细信息用于颈动脉和桡动脉测量，这对于临床应用非常有用。

健康监测应用中的测量

总而言之，研究人员设计并制作了一种复合结构的压电驻极体系统。一种非常简单的层压结构，即一层PP泡沫夹在两层固体PTFE之间，被证实具有良好的压电性能，在此基础上实现了睡眠监测、颈动脉脉搏记录和桡动脉脉搏记录的应用。这项工作可能为柔性传感器和可穿戴健康监测应用提供了一种可选方案。

审核编辑：刘清