基于BNT/OBC復(fù)合膜的壓電傳感器設(shè)計與性能研究

潘曉毅，鄭 婷，張樹斌

（桂林市科學(xué)技術(shù)情報研究所，廣西桂林 541004）

引言

人工智能技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，使得微納壓力傳感器的研究具有重要意義[1-3]。盡管有報道稱由金屬納米線、石墨烯和其他材料制成的各種傳感器通過機械變形來檢測信號，但這些傳感器在工作過程中的供電問題以及材料固有的脆性阻礙了它們的全面應(yīng)用。這使得基于復(fù)合材料的柔性自供電壓力傳感器具有實際意義。對于柔性器件，基于不同的工作機制，傳感器類型主要分為壓電[4-7]、摩擦電[8-10]、熱釋電和壓阻式傳感器[11]，其中壓電傳感器由于其高靈敏度和制備簡單而被廣泛研究。以往，鋯鈦酸鉛被廣泛研究與應(yīng)用[6]，但該材料中含有鉛元素，在制備、使用和后期處理過程中會污染環(huán)境，引起鉛中毒，直接危害人體健康。為了達(dá)到使用壓電傳感器監(jiān)測人體運動的目的，無鉛壓電材料和它們的復(fù)合材料可以成為彌補上述缺陷的有效候選者[12]。人體運動信號的檢測，尤其是監(jiān)測不易察覺的運動變化，仍然是一項重大挑戰(zhàn)。運動員通常進行高強度訓(xùn)練，在這個過程中，不準(zhǔn)確的動作和疲勞會導(dǎo)致身體問題，這可能會增加他們受傷的風(fēng)險。因此，實時監(jiān)測和評估運動員的身體狀況具有重要意義。

隨著納米技術(shù)的發(fā)展，檢測人體運動成為可能。雖然此前已有大量關(guān)于人體生理監(jiān)測的研究報道，但由于運動員的專業(yè)性，運動過程中的正常與異常動作并無明顯區(qū)別，因此，非常需要高性能的傳感器來檢測和監(jiān)控運動員在訓(xùn)練和比賽期間的運動的微小變化。

通過熱壓法制備了基于鈦酸鉍鈉（BNT）的柔性自供電壓電傳感器，該傳感器以熱壓烯烴嵌段共聚物（OBC）為基底，使BNT 均勻混合其中，并且研究BNT 含量對輸出電性能的影響。OBC/BNT 復(fù)合傳感器具有高的靈敏度，能夠檢測微小的人體運動，適合可穿戴人體運動監(jiān)測和安全系統(tǒng)的報警。

1 試驗

1.1 試驗材料及儀器

合成BNT的原材料是Bi2O3、Na2CO3、TiO2（國藥集團化學(xué)試劑有限公司），無水乙醇（上海阿拉丁試劑有限公司），陶氏OBC（ΙNFUSE 9107），導(dǎo)電鋁箔。

1.2 材料與器件制備

采用傳統(tǒng)固相法制備Bi0.5Na0.5TiO3（BNT）陶瓷，按照BNT 的摩爾比稱取一定質(zhì)量的Bi2O3、Na2CO3和TiO2原料粉體，計量比的原料粉體以無水乙醇作為介質(zhì)，3 mm 的鋯球球磨12 h，球磨漿料干燥后的混合物在850 ℃煅燒4 h，然后再次球磨12 h 并80 ℃烘干漿料，干燥的粉末用100 目過篩獲得超細(xì)的BNT粉體。

采用熱壓法制備BNT/OBC(BO)復(fù)合薄膜，定量稱取OBC 于175 ℃熱壓機中熱壓3 min，然后再稱取不同質(zhì)量BNT 粉末與OBC 膜于170 ℃下熱壓3 min。重復(fù)該操作6 次以制備出BNT 不同質(zhì)量比BO 復(fù)合薄膜，所制成膜的厚度為0.15 mm，用切割機將所制備的BO 膜剪切至長2 cm、寬2 cm 的尺寸以便于組裝器件。將導(dǎo)電鋁箔完全貼合于BO 復(fù)合膜的兩面作為器件的兩個輸出電極。

1.3 表征分析方法

BNT 粉體的晶體結(jié)構(gòu)用X 射線衍射儀（XRD、AXS D8-ADVANCE）進行分析，薄膜采用傅里葉紅外光譜（Thermo Fish，Nicolet6700）進行了微結(jié)構(gòu)分析，外部測試的撞擊力由數(shù)顯推拉力計（FG-2）測量，傳感器的輸出電性能用高阻計（6514B，吉時利）測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 器件構(gòu)型

壓電傳感器的器件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。從圖1 中可知該器件由鋁箔、BO 膜兩種材料構(gòu)成三明治結(jié)構(gòu)，上下端為鋁箔電極，中間壓電層為BO 膜。將兩根銅導(dǎo)線分別黏附于鋁箔上作為器件的引出電極，且導(dǎo)線與鋁箔的連接處涂低溫銀漿以消除材料間的接觸電阻，制備出的器件稱為BO器件。

圖1 壓電傳感器的結(jié)構(gòu)示意

2.2 材料測試

通過X 射線衍射分析方法研究了BNT 粉體的微觀結(jié)構(gòu)，其衍射圖譜如圖2(a)，合成的BNT 粉體只有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的衍射峰，沒有第二相的衍射峰，呈現(xiàn)出純的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。BNT 粉體和OBC 薄膜的傅里葉紅外光譜如圖2(b)，在OBC 材料中復(fù)合BNT粉體后沒有改變OBC的分子結(jié)構(gòu)，二者形成了復(fù)合薄膜材料。

圖2

2.3 性能測試

壓電傳感器測試系統(tǒng)由直線電機、計算機和靜電計組成。直線電機由專用軟件控制，通過軟件調(diào)控電機進行周期性的往返運動，據(jù)此以產(chǎn)生穩(wěn)定且可重復(fù)的沖擊力。當(dāng)直線電機在軟件控制下撞擊壓電傳感器時，壓電傳感器由于極化作用在傳感器兩端產(chǎn)生不同電荷，電荷由靜電計收集并通過專業(yè)軟件保存數(shù)據(jù)。

圖3(a)為在機械撞擊力為30N 條件下，BNT 粉體在OBC 中的添加量為10%、20%、30%和40%時的穩(wěn)定輸出電壓信號。從圖3(a)中可知，隨著BNT粉體添加量的增加，傳感器的輸出電壓逐漸從25 V增加，當(dāng)BNT添加量為30%時獲得最高的輸出電壓約為35 V。但是，當(dāng)添加量進一步增加到40%時，傳感器的輸出電壓下降到27 V。由此可知，BNT 的添加量為30%時，壓電傳感器的輸出電壓有明顯提升。因為OBC的韌性表現(xiàn)優(yōu)異，且具有較好的抗疲勞性，在柔性材料OBC 中均勻混合BNT 粉體提高材料的介電常數(shù)，且增加柔性材料中微電容數(shù)量。柔性壓電傳感器中隨著BNT壓電材料的增加，器件的輸出性能逐漸提高，當(dāng)BNT粉體在器件中的添加量達(dá)到一定值時，材料本身表面相互作用在熱壓過程中無法使壓電材料均勻分布導(dǎo)致輸出性能降低。圖3(b)表示BNT 添加量為30%，在不同機械撞擊力作用下的器件輸出電壓。從圖3(b)可知，隨著外部撞擊力的增大，器件的輸出信號電壓呈上升趨勢。當(dāng)外界撞擊力達(dá)到30 N時，輸出電壓從18 V逐步上升為35 V，而當(dāng)外力進一步增加時，輸出電壓明顯降低。壓電傳感器隨著外界作用力的增加，輸出信號電壓基本隨壓力線性變化，可見傳感器的感知效果好。30%的BNT 含量和30 N 外力時，器件在0.1 Hz，0.3 Hz 和0.5 Hz 頻率下的輸出信號電壓如圖3(c)所示。從圖3(c)中可以看出，隨著外力作用頻率的增加，器件的輸出電壓增高，在0.5 Hz時具有高的輸出電壓約35 V，說明該壓電傳感器適用于低頻的外力環(huán)境。圖3(d)展示了器件在手擊打時的輸出信號電壓，通過電壓信號可明顯反映出人手擊打器件的過程，充分說明該器件作為傳感器的潛力。

圖3

2.4 原理解析

測試中以膠板作為器件的受力面，通過控制位移機施加外力，通過膠板的位移程度來改變器件所受外力的大小。壓電傳感器的工作原理如圖4 所示。器件從上到下的結(jié)構(gòu)順序包括電極1(鋁箔)，BO 膜，以及電極2(鋁箔)。在外力作用下可將研究分為兩個主要過程：一個是外界壓力作用下器件發(fā)生形變，另一個是撤銷外界壓力后器件逐漸恢復(fù)到初始狀態(tài)。在t1時刻，器件受到外力作用發(fā)生形變，其中BNT顆粒也因外力作用產(chǎn)生極化現(xiàn)象，從而導(dǎo)致電極1 和電極2 的電勢不同形成電勢差，此時產(chǎn)生的電子從電極1 流向電極2；在t2時刻，外界所施加的壓力維持不變，BO 復(fù)合膜不會繼續(xù)發(fā)生更大的形變，此時產(chǎn)生的電子停止流動，一段時間后電位會逐漸平衡；當(dāng)外力作用到t3時刻時，壓力被釋放，BNT 顆粒和OBC 將逐漸恢復(fù)到初始狀態(tài)，此時產(chǎn)生的電子將反向流動，從電極2 流向電極1；在t4時刻，外力徹底釋放為0，壓電傳感器恢復(fù)到了初始狀態(tài)，電子停止流動，電極1 和電極2 電位逐漸平衡。

圖4 器件的傳感原理

3 結(jié)論

采用熱壓法制備BNT 復(fù)合柔性O(shè)BC 材料的壓電傳感器，通過壓電BNT粉體的壓電性能實現(xiàn)壓力的感知探測，該器件的制備具有工藝簡單的優(yōu)點。不同BNT添加量的結(jié)果表明，BNT的添加量為30%時具有優(yōu)異的輸出電性能。在30 N 的外力作用下，輸出信號的電壓最高可達(dá)到約35 V。在不同低頻彎曲測試條件下，該柔性壓電傳感器具有良好的電壓輸出性，為未來可穿戴壓電傳感器用于實時監(jiān)測提供一種新的思路。