西南交大杨维清：PVDF/ZnO纳米纤维柔性自驱动压电传感器

交互式人机界面（iHMI）使人类可以或许操纵硬件和网络反馈信息，是人与呆板之间的桥梁，近几年引起了遍及的存眷和敏捷的进展。在iHMI中，柔性压力传感器和弯曲角度传感器被以为是呆板人和手势辨认等应用中最紧张的部件。当这些传感器集成到iHMI中，模仿人类皮肤的综合特性时，它们必要被同等地笼罩在人体上，乃至必要集成类皮肤电池或自连续电源。然而，传统的基于压电PZT和AlN的压力传感器因为制造温度高、固有的脆性难以实现弯曲丈量，与柔性衬底不兼容。聚合物基压电传感器，如聚偏氟乙烯(PVDF)具有精良的机动性，但它们具有低敏锐度，以及压电性能差。现在关于弯曲检测的报道多为定性丈量，仅推断是否存在弯曲，但对弯曲角度的定量检测较少。是以，在iHMI中实现具有自驱动本领的弯曲角度的定量丈量仍旧是一个很大的挑衅。

克日，西南交通大学杨维清传授课题组使用静电纺丝技能构建了一种基于奇特豇豆布局CPZNs的柔性自供电压电传感器(PES)，定量丈量了其弯曲角度，并乐成演示了PES在iHMI手势长途操纵中的应用。因为混淆PVDF/ZnO的协同压电效应和聚合物的柔韧性，该PES体现出优秀的弯曲敏锐度（4.4mV deg^-1），角度范畴从44°到122°，快速相应时间为76ms，而且具有精良的机器稳健性。别的，PES可在弯曲和按压模式下事情，表现0.33 V kPa^-1的超高压力敏锐度，相应时间为16 ms。当集成在iHMI中时，PES可以在差别的曲面上顺应性地笼罩，展示准确的弯曲角度记载和快速辨认，以实现智能化人机交互。在此底子上，通过与人手同步行动的方法乐成实现了呆板人手的长途操纵应用。这种基于CPZNs的自供电PES在布局和根本机制上是奇特的，而且在iHMI中具有庞大的潜伏应用。相干研究结果以“Cowpea-structured PVDF/ZnO Nanofibers Based Flexible Self-powered Piezoelectric Bending Motion Sensor Towards Remote Control of Gestures”颁发于Nano Energy期刊上。

图1. 基于CPZN的自供电PES的布局设计。(a) 应用于iHMI范畴的开辟智能传感器表示图。(b) 装置，(c) NFs薄膜和(d) 单跟NF的表示图。(e) 弯曲模式下传感器的照片。(f)NF的SEM图像。(g) 单跟NF的TEM图像。(h) FEM模仿的效果。(i) 基于PES的呆板人手遥控器的应用。

图2. PES的CPZN的表征。(a) PVDF/ZnO柔性传感器制造历程。PVDF/ZnO中 ZnO含量为(b)0wt％，(c) 1wt％，(d) 3wt％，(e) PVDF/ZnO 5wt％的SEM图像。(f) PVDF/ZnO NFs的元素漫衍图。(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. 设计的PES的电气特性。(a) 压力模子下PES的丈量表示图。0.35 N ~ 8.75 N差别力下PES的开路电压(b)和短路电流(c)的干系。(d) 差别作用力下一周期开路电压的放大图。(e) 压力模子中PES的起落次数。(f) 压力为4.67 kPa的重复加压/减压条件下的PES在5000次轮回下的力学历久性试验。(g) 表现弯曲模子下PES丈量的表示图。差别的角度（φ）范畴从122°到44°，PES的开路电压(h) 和短路电流 (i) 干系。(j) 差别角度下增添开路电压。(k) 弯曲模子中的PES的上升/降落时间。(l) 角度为97°连续5000次轮回重复弯曲/不弯曲条件下，PES的机器历久性试验。

图4. 设计的PES在iHMI中的应用。(a) 检测PES握把气力的照片。(b) 差别握把强度下PES的短路电流输出。(c) 安排在书中的PES检测开/合书角度的照片。(d) PES在封闭阶段（赤色地区）和开启阶段的短路电流输出（蓝色地区）。(e) 一种人机遥控体系表示图，采纳几个简洁的电气模块实现手势长途操纵。(F) 基于PES的手势长途操纵的应用。

综上所述，研究者通过电纺丝的要领乐成地制备了豇豆布局的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活动监测的应用。所制备的PES既可以在压力又可以在弯曲条件下不必要外部电源的情形下事情，并具有精良的柔韧性和高敏锐度。通过无线传输脉冲信号从人类手指到呆板人手掌，进一步乐成实现自供电的及时手势长途操纵体系。更紧张的是，PES的优秀性能使其很简单地集成到丈量体系中，为iHMI的物理信号监测、手势传感等应用提供了庞大的潜力。

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