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作者与发表信息
本研究的通讯作者为Massimo Mariello，合作作者包括Luca Fachechi、Francesco Guido及Massimo De Vittorio，均来自意大利技术研究院（IIT）的生物分子纳米技术中心及萨兰托大学创新工程系。研究成果发表于《Advanced Functional Materials》期刊（2021年卷31期，文章编号2101047）。
学术背景
研究领域为柔性可穿戴电子器件，聚焦于人体运动传感技术。传统压电/摩擦电传感器存在材料毒性（如含铅压电材料）、生物相容性差、耐久性不足等问题。本研究旨在开发一种超薄、生物相容且多功能的混合压电-摩擦电传感器（hybrid piezoelectric/triboelectric wearable sensor, HWS），通过结合压电效应（piezoelectric effect）与摩擦电效应（triboelectric effect）提升性能。
研究方法与流程
1. 材料设计与器件结构
- 压电组件（PS）：采用无铅压电材料氮化铝（AlN），通过直流反应溅射（DC reactive sputtering）在聚酰亚胺（PI）柔性基底上沉积1 µm厚AlN薄膜，上下各覆盖200 nm厚钼（Mo）电极。AlN具有高热/湿稳定性、生物相容性及良好的压电性能。
- 摩擦电组件（TS）：由PDMS与Ecoflex弹性体混合的多孔超软贴片构成，双侧封装1 µm厚聚对二甲苯（Parylene C）摩擦膜，经氧等离子体和紫外线臭氧处理以增强表面粗糙度及电荷转移效率。
2. 器件集成与工作机制
- 三电极混合设计：PS与TS通过中间电极（Mo）耦合，形成三电极系统。器件通过“桥式”结构贴合皮肤，允许微滑动摩擦。
- 三重工作机制：
- 压电效应：快速机械变形产生电荷。
- 皮肤接触驱动（skin-contact-actuation）：TS与皮肤摩擦产生摩擦电荷。
- 压电-摩擦电混合接触（piezo-tribo hybrid contact）：PS与TS接触时压电与摩擦电效应协同增强信号输出。
3. 实验验证
- 材料表征：
- XRD、SEM、AFM验证AlN薄膜的晶体取向与表面形貌（RMS粗糙度6.32 nm）。
- 动态机械分析（DMA）显示PS的杨氏模量为2.8 GPa，TS可承受200%应变。
- 电学性能测试：
- 压电组件电容测试显示介电常数稳定。
- 摩擦电组件表面电势经处理提升至2.7 V，电荷密度达43.9 µC/m²。
- 应用场景测试：
- 步态监测：器件嵌入鞋底多层结构（PDMS/氯丁橡胶），监测行走与跑步时的电压峰值（4.5–17 V）。
- 手势识别：5个传感器贴于手背，区分不同手指伸展动作，信号幅度与关节角度相关。
- 关节运动监测：贴附于颈部、手腕、膝盖等部位，实时输出收缩-释放循环信号。
主要结果
- 灵敏度与量程：在0–50 kPa低压区间灵敏度为59.4 mV/kPa，50–120 kPa中压区间提升至160 mV/kPa，适应人体运动压力范围（如心跳、关节运动）。
- 能量收集：在5 Hz敲击频率下，开路电压达8 V，短路电流0.5 µA，峰值功率密度97.5 mW/m²。
- 多场景适用性：
- 步态分析：可量化步频（100步/分钟）、步速（0.92 m/s）等参数。
- 手势识别：通过信号峰值序列实现复杂手势编码（如手语输入）。
- 关节运动：信号波形反映运动速度与幅度，可用于康复监测。
结论与价值
- 科学价值：首次将AlN压电材料与Parylene摩擦电材料结合，提出三重工作机制，解决了传统混合传感器阻抗不匹配与信号抵消问题。
- 应用价值：器件兼具生物相容性（FDA认证材料）、超薄（总厚度<100 µm）及多场景适应性，适用于医疗监护、运动康复、人机交互等领域。
研究亮点
- 材料创新：使用无铅AlN与Parylene C，避免毒性并提升耐久性。
- 结构设计：“桥式”贴合策略优化皮肤适应性，减少运动干扰。
- 信号协同：压电与摩擦电效应互补，拓宽检测范围（瞬态与连续运动）。
其他价值
研究展示了器件作为自供电源的潜力，通过能量收集可为更复杂的穿戴系统供电，符合物联网（IoT）设备低功耗需求。
（注：报告全文约2000字，涵盖研究全貌，重点细化方法与结果部分。）