基于聚偏二氟乙烯压电薄膜的高灵敏柔性应变传感器阵列

摘要

我们演示了一个4×4柔性传感器阵列，包含16个由50 μm厚聚偏二氟乙烯（PVDF）压电薄膜制备的微电容单元。光学成像和压电响应力显微镜（PFM）确认了清晰的PVDF/电极界面和稳健的压电畴。该阵列实现超高信噪比，输出电压与施加压力呈线性关系，灵敏度达12 mV kPa⁻¹。瞬态响应恢复时间小于2.5 μs，凸显其快速机电性能。理论仿真显示，178 kPa以下相邻单元间信号串扰可忽略，验证了设计的可扩展性。

背景

聚偏二氟乙烯（PVDF）是一种化学稳定的压电聚合物，以其热释电、压电和铁电特性著称[1, 2]。其优异的机械韧性——杨氏模量2500 MPa、抗拉强度近50 MPa——使基于PVDF的压力传感器具有高度柔性和抗疲劳性[3, 4]。与传统铁电PZT传感器相比，PVDF提供无毒、生物相容的替代方案[5, 6]，且柔软度更优，能贴合复杂几何形状，这对先进应变传感应用至关重要[7, 8]。近期工作已演示PVDF传感器集成于智能导管用于实时压力监测[11]、驾驶员手部脉搏波监测用于安全应用[12]、以及同时感知压力和温度的人工皮肤[13]。然而，多数报告器件仅提供单点感测，空间分辨率有限。

在真实场景中——如绘制人体压力分布的可穿戴生物传感器——对多点、高柔性、超灵敏感测阵列有明确需求[14–16]。本文提出基于PVDF薄膜的4×4柔性传感器阵列，实现12 mV kPa⁻¹灵敏度和2.5 μs响应时间。我们还绘制了人手指常见动作时的压力分布，展示阵列的实际应用潜力。

设计与实验

传感器阵列的设计与制备

传感器采用三明治结构：50 μm PVDF薄膜（中国锦州科新公司）双面涂覆20 μm铝电极层。图1a展示设计，16个微电容单元按4×4网格排列，每四个单元共用一根输出导线以简化布线。

制备在PDMS涂层玻璃载玻片上进行以提供刚性支撑。已金属化的PVDF薄膜置于衬底上，旋涂3000 rpm光刻胶40 s。光刻后经掩膜对准器（美国ABM公司）湿法刻蚀铝形成16单元图案。完成阵列从载玻片释放，各电容用导电银胶连接导电走线。为确保生物相容性，整个组件封装于PDMS中，60°C固化12 h。图1b展示弯曲缠绕圆柱体的成品柔性传感器。

基于PVDF薄膜的传感器阵列压电性能

在PVDF表面进行PFM测量（日本Seiko公司），2 V交流偏压下扫描2×2 μm²区域。相位对比确认了清晰的压电畴及与下层电极的清晰界面。

传感器阵列标定

标定使用电机械平台配合National Instruments DAQ-USB6008施加受控压力。记录传感器输出电压随压力变化，构建电压-压力标定曲线。

结果与讨论

图2a显示刻蚀后光学显微镜下的表面形貌，清晰对比度指示干净的PVDF/铝界面。图2b、c分别为PVDF表面及其PFM相位图；平滑形貌和强相位信号证实稳健的压电行为。

单电极施加恒定98.1 kPa压力时，传感器输出123.1 mV，噪声可忽略（图3a）。四个电极同时施加相同压力时，各输出约190 mV，展示阵列极佳同步性（图3b）。60–150 kPa线性电压-压力标定斜率为12 mV kPa⁻¹，截距–159.2 mV（图3c）。

瞬态响应测试施加约75.1 kPa冲击压力，频率90 Hz。传感器电压在2 ms内升降，表明快速机电响应（图4a）。60–150 kPa范围内响应时间恒定低于2 ms，输出幅度符合线性标定。

通过COMSOL Multiphysics仿真考察相邻电极间信号串扰。每电极面积1.4 mm²。图5b显示压力施加于电极A时的应变分布，邻近位置应变增大。模拟干扰电压随压力线性变化，斜率0.028 mV kPa⁻¹，截距5×10⁻⁴ mV（图5c）。178 kPa以下干扰低于5 mV，实际可忽略。减小电极面积可进一步缓解干扰，0.8、1.0、1.2 mm²电极仿真确认（图5d）。

为展示实际效用，我们测绘拇指三种常见动作（指压、揉捏、摩擦）时的压力分布。图6显示指压时指尖中心出现集中76 kPa压力点，揉捏时前表面压力较高，摩擦产生较均匀~68 kPa分布。这些发现与临床观察一致，确认传感器捕捉细微手指运动压力的能力。

总之，制备的4×4基于PVDF的传感器阵列提供柔性、高灵敏度应变检测与快速响应。其在人手指上的压力测绘演示显示出在可穿戴生物传感和机器人触觉应用中的巨大潜力。

缩写

PFM:

压电响应力显微镜

PVDF:

聚偏二氟乙烯