意大利理工学院AFM：超薄保形的压电/摩擦电式可穿戴表皮传感器，用于人体信号检测

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一、文章概述

随着柔性电子的进一步发展，人们对用于监测人体运动的快速便捷、无创且实时的信息器件提出了更高的要求。相对于大多数基于单机制纳米发电机的设备，当前迫切需要同时集成多种机制，以便i）使整个设备小型化和ii）获得更好的性能。近年来，基于压电/摩擦电机制的柔性电子设备逐渐成为了一种用于人体感应极具吸引力的技术。它们的集成克服了单个组件的局限性，从而可以制造具有增强性能和适用性的顺应性皮肤传感器。然而，这种混合设备通常由耐久性差的聚合物或含铅的压电材料而制备，并且通常不具有生物相容性、皮肤适应性差和缺乏多功能性。

近日，意大利理工学院生物分子纳米技术中心Massimo Mariello教授研究团队首次报道了一种无机/弹性三电极可穿戴混合传感器（WHS）原型的开发，该传感器可用于人体运动的多部位和多功能共形感测。与文献中报道的其他HS相比，该设备具有顺应性、皮肤贴合性、生物相容性、柔性和超薄性，它由两部分（压电和摩擦电组件）组成，依靠三种转导机制（压电、皮肤接触致动和压电-摩擦混合接触）协同，可实现最佳效果。相关研究工作以题为“Conformal, Ultra-thin Skin-Contact-Actuated Hybrid Piezo/Triboelectric Wearable Sensor Based on AlN and Parylene-Encapsulated Elastomeric Blend”发表在国际材料学顶尖期刊Advanced Functional Materials (IF=16.836)上，引起了本领域的广泛关注。

二、图文导读

（1）本文提出了一种灵活的，超薄的生物相容性混合压电/摩擦电装置作为人体上的可穿戴共形传感器（WHS）。材料的新颖组合是该混合传感设备的一个创新方面。PS基于沉积在柔性基板上的薄膜AlN溅射而制备，而TS由超软膜（基于PDMS和Ecoflex混合物）封装在摩擦膜（聚对二甲苯）中组成。由于生物相容性的原因，所使用的材料除了具有安全性之外，还能够获得稳定的摩擦电，从而确保稳定的混合信号输出。

A）人体运动HS穿戴式传感器的结构设计，以及相关应用：i）步态行走、ii）人体手势、iii）关节运动。

B）HS的分解图、指示层的堆叠顺序以及压电和摩擦电组件的堆叠顺序。

压电和摩擦电材料的表征。

A）可穿戴混合传感器在人体皮肤上的适用性表示（分解图）。

B）可穿戴混合传感器工作原理：C）与人体皮肤的摩擦电耦合、D）压电/摩擦电混合接触。

E）比较通过可穿戴混合传感器的三种机制生成的信号：压电或PS（i）、摩擦1或皮肤摩擦耦合（TS1）、摩擦2或压电摩擦混合触点（TS2）。

A-D）PS和TS生成的电压/电流波形：A）PS电压VPS、B）PS电流IPS、C）TS电压VTS、D）TS电流ITS，如先前在电路原理图中所定义。

E）整个WHS器件（分别为VHS，IHS）的电压和F）电流波形，在整流器之后检测到。

G）代表WHS的工作机制，并示意性地指出了人体运动过程中由于皮肤变形引起的收缩释放周期。描绘了单个步骤并且对应于可以在电压/电流波形中区分的不同区域。

A）用于连接混合传感器设备的整流电路，基于全波桥低损耗二极管和负载电阻。

B）i）敲击频率≈5Hz，施加在人手腕上的可穿戴混合传感器上施加≈5N的力时，混合传感器的开路电压和ii的短路电流（如图所示）。

C）压电和摩擦电元件以及混合信号的开路电压信号叠加。

D）在≈5Hz的敲击和≈5N的力作用下的可穿戴混合传感器功率密度曲线。

E）用于测量可穿戴混合传感器对人体皮肤的敏感性的设置。

F）在人体皮肤受到冲击的压力下，可穿戴混合传感器产生的输出峰峰值电压：指示了灵敏度值。

（2）研究人员从以下三种情况证明了该传感器的适用性：i）步态行走、ii）手势、iii）关节运动。在所有情况下，WHS都能适应人体皮肤、产生可读/可重复和实时的整流信号，并具有将压电和摩擦电功能相结合的优势。特别地，传感器的桥接结构允许其保持不完全附接到皮肤上，从而在其底表面上也可能产生摩擦电现象。实际上，三重转导机制（压电、皮肤接触致动、压电-摩擦混合接触）的协同作用可以扩大对人体运动的测量范围（微小和不规则运动），因为该器件结合了压电效应的瞬时性以及慢动作中普遍存在的宏观和微观滑动摩擦运动。

演示了步态行走感应。

可穿戴混合传感器在感应人类手势中的应用。

A）人体3D模型以及WHS用于感测手势的位置。

B）通过固定端的桥状结构，将WHS设备应用于人体皮肤。这种配置允许装置的粘附和摩擦。

C）WHS的开路电压，用于监视a）脖子、b）肘、c）手腕、d）膝盖和e）脚踝的运动。

（3）此外，WHS的高稳定性、快速响应和发电输出显示出作为能量收集的巨大潜力，从而有助于开发自供电传感器。其潜在的应用前景包括健康监测、运动或娱乐的运动追踪、瘫痪或身体部位受伤患者的康复、个性化识别以及用于在机器人技术、仿生器件和人机界面中进行手势识别的可穿戴触觉传感技术。

原文链接
https://doi.org/10.1002/adfm.202101047

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