该文通过两步水热法制备了钛酸钡纳米线(BTO NWs), 采用旋涂法与聚偏氟乙烯(PVDF)复合制备BTO NWs/PVDF复合薄膜。系统地研究了水热反应中不同NaOH浓度、不同反应时间及不同BTO NWs掺杂量对BTO NWs/PVDF复合薄膜压电输出性能的影响, 并与商用钛酸钡纳米球(BTO NPs)制备的BTO NPs/PVDF复合薄膜进行了压电性能对比。结果表明, 当NaOH浓度为10 mol/L, 反应时间为10 h时, BTO NWs/PVDF复合薄膜开路电压和短路电流分别可达5.42 V和1.81 μA。当BTO NWs掺杂量(质量分数)为20%时, 复合压电薄膜的开路电压可达9.34 V, 短路电流可达2.15 μA, 分别是BTO NPs/PVDF复合薄膜输出电压和电流的1.92倍和1.49倍。当负载电阻值为5 MΩ时, BTO NWs/PVDF复合薄膜输出功率可达1.44 μW。经过4 000次循环敲击测试, BTO NWs/PVDF复合薄膜表现出良好的机械稳定性, 其有望在自供电器件、柔性可穿戴电子设备等领域得到广泛应用。

阻塞型睡眠呼吸暂停综合征(OSAS)是常见的睡眠类疾病, 为满足居家对OSAS进行初步筛查和诊断, 该文设计了基于聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜的鼾声监测系统。可穿戴式的鼾声监测系统包含高灵敏度鼾声传感器、低噪声信号调理电路、嵌入式系统及上位机系统。根据鼾声段和非鼾声段能量差异大的特点, 基于短时能量法进行鼾声端点检测算法设计, 通过采集的鼾声信号进行算法验证。经测试, 系统采集的鼾声信号信噪比高, 端点检测平均误差小于0.032 s, 准确率达92.6%, 满足潜在OSAS患者的筛查要求以及进行康复训练的自我检查, 同时可减轻患者筛查和医学多导睡眠图(PSG)检测的负担。

以聚偏氟乙烯（PVDF）作为触力传感器的敏感元件, 通过控制变量的方法探究了PVDF触力传感器的上下衬底材料的类型和厚度对传感器灵敏度的影响。通过对压电材料的压电方程的理论计算, 得到触力输入与电压输出的关系。有限元分析结果表明, 上下衬底材料的厚度和弹性模量对触力传感器的灵敏度影响较大。当采用0.025mm的PDMS作为上下衬底材料时, 触力传感器的灵敏度达到0.527mV/N。

为了进一步研究非线性材料基底对于压电能量采集器输出性能的影响, 该文对以FR-4绝缘板为基底的悬臂梁式压电能量采集器的结构参数进行优化研究。在正交实验和单因素实验方案的指导下, 通过仿真及实验验证得出各参数对采集器输出影响的一般规律。结果表明, 基底厚度对结构固有频率影响最大, 贡献率达到了91.98%。悬臂梁长L、厚S和宽H改变时, 输出响应曲线呈现出非线性特性; 而末端质量m与输出性能间则存在近似线性的关系。实验中, 当L=80 mm, S=13 mm, H=1 mm, m=1 g时, 输出功率可达37 μW。通过方差分析结果表明, 末端质量对输出性能的影响最大, 梁宽对输出性能的影响次之, 梁长对输出性能的影响最小。

聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜是一种压电高分子材料, 具有广泛的科学价值和技术应用前景。PVDF薄膜因具有独特的压电效应, 且质地软,灵敏度高及频响范围宽等优点, 使其在能量收集、新型智能传感器、生物医学、电池隔膜等领域得到了广泛的应用和关注。PVDF晶区中至少有4种晶型, 其中β晶型PVDF具有优异的压电性能。该文总结了近年来通过制备工艺、化学掺杂及改性方法的优化来提高β晶型含量,进而提升薄膜性能的方法, 系统地介绍了PVDF压电薄膜在部分领域的应用, 并对其未来发展做出了展望。

采用表面对称电极含金属芯聚偏氟乙烯(PVDF)纤维(SMPF)传感器, 代替人体纤毛细胞感受器, 设计制备了一种仿生半规管。根据压电方程和密度差理论, 建立仿生半规管的密度差感知机理理论模型。搭建了实验系统, 测试了传感器对仿生内淋巴液与仿生壶腹嵴之间密度差变化的感知功能。实验结果表明, 仿生壶腹嵴传感器在液体压力作用下可以产生相应的变形, 并且不同密度差下的响应幅值不同, 同时验证了人体半规管中, 当密度差足够大时, 半规管具有对直线加速度产生反应的能力。

以激光加工工艺为基础,仿照荷叶超疏水表面对聚偏氟乙烯薄膜进行加工,实现了具有微结构、低表面能的超疏水聚偏氟乙烯表面,该方法简便且不涉及化学试剂。实验结果表明,激光处理后的聚偏氟乙烯薄膜表面具有类似荷叶表面的微乳突结构,碳元素与氟元素的含量(原子数分数)比由1.2提高至11.5。聚偏氟乙烯薄膜的水滴接触角约为82°,激光处理过的聚偏氟乙烯薄膜的水滴接触角约为150°,这表明经激光处理后的聚偏氟乙烯材料具有超疏水特点。

悬臂梁的材料与结构对压电俘能器的输出响应具有重要影响。为了 研究在1.5~5.8 m/s低风速环境下不同基底材料对接触式压电俘能器的影响, 该文选择聚氯乙烯(PVC)、304不锈钢、1060铝和H68黄铜材料为基底的柔性聚偏氟乙烯(PVDF)压电悬臂梁结构, 并进行了对比实验与分析。结果表明, 以304不锈钢为基底的悬臂梁结构输出功率最大。通过计算不同基底材料梁的结构参数发现, 在低风速工况下, 梁的结构刚度与减幅因数是影响压电俘能器输出性能的主要因素。同等工况下, 梁的结构刚度越小, 接触式压电俘能器的启动风速越低, 风致振动的激振力频率越高; 减幅因数越小, 悬臂梁的输出功率越大。

呼吸、心率、鼾声反映了人体在睡眠时的大量信息, 该文以聚偏氟乙烯(PVDF)作为敏感单元进行呼吸、脉搏、鼾声信号的监测。根据所采用的传感器特性分别进行了电荷放大电路、陷波电路及电压放大电路的设计。硬件电路通过聚合物锂电池进行供电, 根据聚合物电池的特性分别为电池设计了充电电路、保护电路及放电电路, 硬件电路整体集成在一块印制电路板(PCB)上。同时设计了基于Android 设备的APP, 以可视化形式实时显示生理信号数据, 并对其进行长期储存, 便于后期医生进行睡眠呼吸病症的分析诊断。该研究的目的是能准确监测睡眠生理参数, 提高被测试者的使用舒适感。

为模拟人类触觉感知功能, 实现智能触觉, 研制了一种基于聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜的多信息触觉检测系统, 初步实现了对物体表面柔软度、黏性、纹理粗糙度、纹理规律性、热度5种维度信息的检测识别。该触觉检测系统利用凸点型压电薄膜传感器获取物体表面信息, 上位机对采样信号进行数字滤波、特征提取及特征分类, 最终得到物体表面特性信息, 并绘出物体表面特性五感图。其中纹理粗糙度采用主频率识别方法, 利用傅里叶变换(FFT)进行特征提取。实验结果表明, 该系统能够有效区分被测物体表面信息。