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医用压电俘能技术的研究综述
作者:网站采编关键词:
摘要：1 引言 随着医疗和健康管理的发展，便携式、植入式传感检测系统的应用越来越广泛，但其难以持续供能的问题是制约医用传感监测系统的发展重要因素。对于便携式传感系统，特别是
1 引言
随着医疗和健康管理的发展，便携式、植入式传感检测系统的应用越来越广泛，但其难以持续供能的问题是制约医用传感监测系统的发展重要因素。对于便携式传感系统，特别是身体植入式器件的供能问题，往往以电池、电子作为主要供能源，但由于电子、电池的电量存储有限，需要定期更换，存在对病人二次/多次伤害，存在严重的弊端。因此，亟需一种持续有效、绿色环保、寿命长久、价格低廉的供能方式，其中将机械能转换成电能的压电俘能方式可有效解决此问题。压电俘能器是将环境中的机械振动能转换成电能，可长期有效的供给低能耗电子产品/系统[2]。
鉴于此，基于压电俘能技术，对医用自供能技术的研究现状、应用价值和发展前景进行综述分析，为医用压电设备自供能技术的研究提供一定的理论和技术支持。
2 压电俘能技术的基本原理
压电能量采集装置称之为压电俘能器，其工作原理是当压电材料沿极化方向受到外力作用时，受正压电效应影响，在电极表面产生电荷，电荷聚集而产生电压。影响压电俘能器性能的主要参数是压电材料的压电常数dij（i=1，2，3；j=1，2，3，4，5，6），表征应力和电荷的关系。当发生正压电效应时，压电晶体产生的电荷和应力成正比，其电位移D 与应力、应变的关系表示为：
式中：dmi—压电应变常数；emj—压电应力常数；Ti—应力；Sj—应变。
压电俘能器的工作模式主要有d31、d33和d15。d31工作模式为应变方向与极化方向垂直；d33工作模式为应变方向与极化方向相同，而d15工作模式为平行于电场平面内的面内剪切变形。研究压电俘能器的基础是压电方程组，一般选择电位移D 和应力T 为因变量，应变S 和电场强度E 为自变量，响应的压电方程组为[3]：
3 压电俘能技术在医疗中的研究现状
人体每天的自主和非自主运动均能产生大量的能量，如：走路、摆臂、呼吸、心跳等等。研究表明：一个68 公斤的成年人的足部行走可产生约为67W 的能量[4]，只要能够转换人体运动1%的能量就可为身体携带的电子设备供电。压电俘能器可将周围的振动能转换成电能，在一些特殊的场合（如：体内）可以替代电池、电子，为医用电子器件持久有效的供能。同时，考虑使用便捷性、舒适性，对于医用压电俘能器的设计，应满足微型化和高效性，减少对人体的伤害。
3.1 压电材料的影响
压电材料是决定压电俘能器的发电性能的最重要因素，目前主要的压电材料有压电陶瓷系列、有机聚合物PVDF 家族，以及氧化锌纳米线等新型压电材料。其中氧化锌纳米线柔性大，制作工艺简单，常用作制备柔性压电俘能器。Lee et al 研制了一种由氧化锌纳米线薄膜制成的柔性压电俘能器，该俘能器可置于医用注射器内，其工作时可产生3.2V 的开路电压；同时该压电俘能器可作为自供能脉搏传感器工作，在医疗领域有重要的应用价值[5]。
另一种常用柔性压电材料为PVDF 及其P（VDF-TrFe）等聚合物材料，同样因其具有良好的柔性和机械韧性，在自供能柔性可穿戴电子设备方面具有巨大潜力。Persano et al 研制的P（VDFTrFe）压电纤维柔性俘能器，研究发现，该俘能器在形变频率为10Hz 时可产生5μV 的电压[6]，如图1 所示。该压电俘能器的低频发电特性适合人体振动能的收集，可满足对可穿戴医用低能耗设备的能量供给。值得注意的是，氧化锌纳米线和压电聚合物材料虽柔性大，但压电常数较低；PZT 虽具有较高的压电常数，但PZT脆性高，常采用柔性衬底（PET）与PZT 纤维结合制备柔性压电俘能器，例如：Park et al 以PZT 为压电材料研制的柔性压电俘能器可在手指弯曲一个有效面积（3.5*3.5cm）内产生峰值为8μA 的电流，一个手指的弯曲动作产生的电量可点亮105 个LED[7]。随着材料科学技术的发展，介电弹性聚合物材料发电也得到了学者的重视。密歇根州立大学研制的铁电驻极体纳米发电机，该发电机由聚丙烯铁电驻极体、聚酰亚胺、银和硅晶片通过纳米技术研制，具有良好的生物相容性，可以像纸张一样弯曲，形成不同形状的微型发电机，可将人体运动或者触压的机械能转变成电能，实验测试可产生1.5V 的电压和0.1μA 的电流；在手指触压下，该发电机可点亮20 个LED 二极管，如图2 所示[8]。由于介电弹性聚合物是由介电材料和有机聚合物叠堆黏合而成，相比于传统的压电材料，具有良好的低频发电性能，可满足人体的低频振动环境发电[9-10]。
文章来源：《医疗装备》 网址: http://www.ylzbzz.cn/qikandaodu/2021/0305/1042.html
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