压电效应是指机械刺激使某些各向异性的晶体材料变形并引起内部偶极子极化,从而导致晶体的两个相对表面之间存在电势差的现象。由于压电材料的独特特性,具有快速响应时间的压电传感器能够有效地测量高频动态信号,并且在自供电设备方面非常有前途。
柔性传感器中常用的压电材料包括P(VDF-TrFE),ZnO,PbTiO3和PZT等。P(VDF-TrFE)由于其柔性,制造工艺简单,性能卓越而成为柔性压电传感器最喜欢的材料之一。稳定性好,压电系数大。Persano等人报告了一种柔性压电传感器,该传感器基于通过电纺丝制备的对准的P(VDF-TrFE)纤维阵列。即使在极小的压力范围(约0.1 Pa)下,这种简单的压力传感器也具有出色的感测性能。结果表明,该技术在人体运动检测和机器人电子领域具有非凡的应用潜力。尽管无机材料缺乏柔韧性,但许多纳米级无机材料和聚合物-陶瓷纳米复合材料(如ZnO NWs,PZT纳米带和纳米片以及P(VDF-TrFE)/ BaTiO3纳米复合材料)可以表现出一定程度的柔韧性。Shin等人将填充锂(Li)的ZnONW封装到PDMS中作为传感元件。掺锂的ZnO NW-PDMS复合材料的压电输出电压是施加力和频率的函数。所制造的设备能够提供人体运动的瞬时信息,这对于电子皮肤设备在人体活动监测中的应用具有重要意义。压电传感器对于检测动态物理刺激特别有用,但在测量静态信号时表现不佳。这是因为由压电材料产生的电压信号只会在施加或撤除压力的时刻出现。为了解决这个问题,Chen等人报告了一种基于PbTiO3纳米线(PTNWs)/石墨烯异质结构的用于静态测量的柔性压电压力传感器。在该器件中,由PTNWs应变引起的极化电荷充当石墨烯中的带电杂质,并影响其载流子迁移率。其工作机制是PTNWs中的极化电荷增加了石墨烯中载流子的散射,从而导致载流子迁移率降低。基于上述机制,如图1所示,该异质结构传感器具有比固有CVD生长的石墨烯压力传感器更高的灵敏度,并且能够测量静态机械信号。
图1 基于PTNW的压力传感器(左)和PTNW /石墨烯晶体管在压力脉冲下的压力响应。
|