西南交大杨维清Nano Energy：一种基于独特豇豆结构CPZNs的柔性自供电压电传感器

【前言】

交互式人机界面（iHMI）使人类能够控制硬件和收集反馈信息，是人与机器之间的桥梁，近几年引起了广泛的关注和迅速的发展。在iHMI中，柔性压力传感器和弯曲角度传感器被认为是机器人和手势识别等应用中最重要的部件。当这些传感器集成到iHMI中，模拟人类皮肤的综合特性时，它们需要被一致地覆盖在人体上，甚至需要集成类皮肤电池或自供能电源。然而，传统的基于压电PZT和AlN的压力传感器由于制造温度高、固有的脆性难以实现弯曲测量，与柔性衬底不兼容。聚合物基压电传感器，如聚偏氟乙烯(PVDF)具有良好的灵活性，但它们压电性能差所制得的器件灵敏度低。目前关于弯曲检测的报道多为定性测量，仅判断是否存在弯曲，但对弯曲角度的定量检测较少。因此，在iHMI中实现具有自驱动能力的弯曲角度的定量测量仍然是一个很大的挑战。

【成果简介】

近日，西南交通大学杨维清教授团队的青年教师邓维礼和研究生杨涛，利用静电纺丝技术构建了一种基于独特豇豆结构CPZNs的柔性自供电压电传感器(PES)，定量测量了其弯曲角度，并成功演示了PES在iHMI手势远程控制中的应用。由于混合PVDF/ZnO的协同压电效应和聚合物的柔韧性，该PES表现出优异的弯曲灵敏度（4.4mV deg-1），角度范围从44°到122°，快速响应时间为76ms，并且具有良好的机械稳定性。此外，PES可在弯曲和按压模式下工作，显示0.33 V kPa-1的超高压力灵敏度，响应时间为16 ms。当集成在iHMI中时，PES可以在不同的曲面上适应性地覆盖，展示精确的弯曲角度记录和快速识别，以实现智能化人机交互。在此基础上，通过与人手同步动作的方式成功实现了机器人手的远程控制应用。这种基于CPZNs的自供电PES在结构和基本机制上是独特的，并且在iHMI中具有巨大的潜在应用。相关研究成果以“Cowpea-structured PVDF/ZnO Nanofibers Based Flexible Self-powered Piezoelectric Bending Motion Sensor Towards Remote Control of Gestures”发表于Nano Energy期刊上，邓维礼和杨涛为共同一作。该项工作得到了国家自然科学基金青年基金、国家重点研发计划项目及四川省科技厅国际合作项目等项目的支持。

【图文导读】

图1. 基于CPZN的自供电PES的结构设计

(a) 应用于iHMI领域的开发智能传感器示意图

(b-d) 分别为传感器结构、NFs薄膜和单根NF的示意图

(e) 弯曲模式下传感器的照片

(f)  NF的SEM图像

(g) 单根NF的TEM图像

(h) FEM模拟的结果

(i) 基于PES的机器人手遥控器的应用

图2. PES的CPZN的制备与表征

(a) PVDF/ZnO柔性传感器制备过程

(b-e) 不同ZnO含量PVDF/ZnO复合材料的SEM图像

(f) PVDF/ZnO NFs的元素分布图

(g) PVDF/ZnO NF的XRD图

(h) PVDF/ZnO NFs的拉曼光谱

(i) PVDF/ZnO NF的FTIR光谱

图3. PES的不同模式下电性能测试

(a) 压力模型下PES的测量示意图

(b-c)不同压力下PES的开路电压和短路电流

(d) 不同作用力下单个周期开路电压的放大图

(e) 按压模式中PES的响应时间

(f) 器件在按压模式中的循环稳定性测试结果

(g)弯曲模型下PES测量的示意图

(h-i)不同弯曲角度下PES的开路电压和短路电流

(j) 不同角度下单个周期开路电压的放大图

(k) 弯曲模型中的PES的响应时间

(l) 器件在弯曲模式中的循环稳定性测试结果

图4. PES在iHMI中的应用

(a) PES检测握力器握力的照片

(b) 不同握力下PES的短路电流输出

(c) PES检测书本开合状态的照片

(d) 书本在不同开合状态下PES的短路电流输出

(e) 人机无线控制系统示意图

(F) 基于PES的手势远程控制的应用

【小结】

研究者通过电纺丝的方法成功地制备了豇豆结构PVDF/ZnO纳米纤维，并展示了其作为柔性自供电压电传感器用于压力传感和弯曲运动监测的应用。所制备的PES在不需要外部电源的情况下既可以在压力模式也可以在弯曲模式下工作，并具有良好的柔韧性和高灵敏度。通过监测信号的无线传输，进一步成功实现了从人类手指到机器人手掌自供电的实时手势远程控制系统。更重要的是，PES的优异性能使其很容易地集成到测量系统中，在iHMI的物理信号监测、手势传感等应用方面具有巨大的应用潜力。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.10.049

本文由西南交大杨维清课题组供稿，材料人编辑部编辑。

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