DOI: 10.3390/s21134508

本文介绍了一种在压电材料中同时产生纳米级和微米级孔隙，并结合铁电材料中分子β相偶极子和空间电荷偶极子特性来提高传感器灵敏度并调节材料响应频率带宽的方法。基于这一思想，作者提出了一种含纳米级和微米级孔的铁电杂化自供电柔性心音检测传感器。采用酸蚀刻和静电纺丝制备工艺构建了具有纳米级和微米级孔隙的压电薄膜，电晕极化用于空气离子化以产生驻极体效应。本文介绍了传感器的制备工艺，讨论了多孔结构和电晕极化对提高传感器性能的影响。所提出的柔性传感器的等效压电系数d33为3312pC/N，远大于普通压电材料的压电系数。以SS17L心音传感器（BIOPAC，Goleta，CA，USA）为参照，通过实验验证了柔性传感器的功能。测试结果证明了其在可穿戴心音检测方面的实用性以及在心脏病检测中的应用潜力。本文提出的柔性传感器可实现批量生产，与现有的心音检测传感器相比，其具有较好的柔性、较低的生产成本以及较短的加工时间。

图1.通过静电纺丝和酸溶液蚀刻制备压力响应薄膜的示意图。（a）混合氧化锌纳米颗粒；（b）溶解P（VDF-TrFE）粉末。（c）静电纺丝的概念结构。（d）酸蚀刻后的响应薄膜。

图2.制备柔性传感器的步骤示意图。（a）PDMS密封作为保护层和驻极体层。（b）电晕极化。（c）传感器图。（d）尺寸为2×2cm2的样品（左）以及传感器结构的横截面图（右）。

图3.特性分析示意图：（a）三种P（VDF-TrFE）聚合物薄膜的XRD光谱；（b）FTIR光谱；（c）纤维中纳米级孔的SEM图像（测量刻度为1μm）。（d）纳米级孔的放大图（测量刻度为500nm）。（e）静电纺丝纤维的整体形态（测量刻度为3μm）。

图4.柔性传感器的工作原理示意图。

图5.压电效应和压电系数d33试验示意图。（a）在正向和反向电气连接的一个按压和释放循环中，传感器的短路电流响应。（b）比较了四种不同制备工艺和微结构的传感器在d33测试中的转移电荷。（c）不同结构传感器在相同机械刺激下的转移电荷和相应的压电系数（插图是虚线框的放大图）。

图6.柔性传感器的动态响应示意图。（a）测试动态刺激系统。（b）传感器在可变声频（SPL-95dB）下的响应。（c）传感器在可变SPL（频率-200Hz）下的响应。

图7.柔性传感器的动态响应示意图。（a）在2500个循环期间，传感器在恒定施加动态刺激下的输出电压与时间的关系（频率-140Hz；SPL-95dB）。（b）7.5-8s左右输出电压波形的放大图。（c）Amp（ins）/Amp（ave）％与时间的关系。

图8.用于比较含多尺度孔的杂化自供电传感器和标准心音传感器（SS17L，Biopac，Goleta，CA，USA）的装置示意图。

图9.SS17L（BIOPAC，Goleta，California，USA）和本研究所提出的传感器的病理心音检测示意图。（a）瞬时S2分裂的心音信号，（b）固定S2分裂的心音信号，（c）主动脉瓣返流的心音信号和（d）心房间隔缺损的心音信号的代表性特征。

图10.人体心音检测示意图。（a）原始心音信号；（b）用滤波器处理后的心音信号。（i）标准传感器SS17L（BIOPAC，Goleta，CA，USA）的附件示意图；（ii）本研究所提出的柔性传感器的附件示意图。

图11.小波变换后的时频图。（a）本研究所提出的柔性传感器的时频图；（b）标准SS17L传感器的时频图。