压电力传感器 柔性传感器之压电力传感器

柔性传感器之压电力传感器

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作者：Lee

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。

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什么是压电压力波（PWP）传感器？看完就懂了

压电材料作为感知电力设备放电、振动等信号的关键材料，在电力设备振动监测、放电检测、探伤、温度测量、电压传感等领域得到广泛应用。

压电材料在压电传感器件中的应用多种多样，其核心在于机械能和电能的相互转换：压电材料受机械振动（压电振动传感器）、声波传导（压电声传感器）等机械外力作用时晶格形变，引起极化状态的变化，输出传感电信号，或通过对压电材料受电场作用产生的形变进行测量来反映电场大小（压电电压传感器）。

声波信号可较好地实现与电信号的耦合与相互转换。根据声波激励、传播和耦合方式的不同，压电声传感器可分为压电超声传感器、声表面波传感器、电声脉冲传感器、压力波传感器等。

除压电电声脉冲传感器外，压电压力波（Pressure Wave Propagation, PWP）传感器同样被广泛用于固体介质空间电荷测量。

不同压电压力波传感器产生压力波的方式略有不同，如利用薄压电陶瓷片产生压力脉冲即压电感应压力波传播法（PIPWP）、利用PVDF压电薄膜产生压力脉冲（压电压力波传播法（Piezo-PWP））等，但测量原理基本相同：产生压力波在介质中传播引起介质产生形变，导致介质内部局部电场的微小变化，从而在外电路上感应出对应的电压或者电流信号，由此反映绝缘介质内部的空间电荷分布情况。常见压电压力波传感器测试装置如图1所示。

压力波阶跃上升沿宽度或脉冲宽度应尽可能窄（远小于介质厚度），以提高压电压力波传感器分辨率和灵敏度。郑飞虎等研究发现，压电薄膜厚度、电脉冲下降沿宽度、背衬层材料及声传播介质等因素都会对压力波脉冲波形和脉冲宽度产生影响，实际测试时选用25μm压电薄膜产生脉宽约50ns的单极性压力波声脉冲。

图1 压电压力波传感器测试装置

目前压电压力波传感器的理论模型与测量技术已经基本明晰，在工业界已开始推广应用。如S.Holé等将压电压力波传感器用于欧洲BESTPATHS项目中高压超导直流电缆绝缘测试，在极低温度下对液氮/纸复合绝缘空间电荷分布进行了测量，其测试装置如图2所示。

图2 压电压力波传感器测试装置

本文编自2021年第7期《电工技术学报》，论文标题为“压电材料与器件在电气工程领域的应用”，作者为姚睿丰、王妍 等。

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