文章链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104033

摘要：可穿戴电子产品因其在构建以人为中心的智能世界中的潜在用途而受到关注。压电驻极体具有高柔性、重量轻、生物相容性和压电性能高等优点，是构建高性能自供电可穿戴电子器件的最有前途的材料之一。在此，本文综述了这一领域的最新进展。首先，介绍了压电驻极体的机理、理论进展和制作技术。然后，依次介绍了基于不同压电驻极体材料的人体机械能采集器，并展示了其主要应用，包括自供电声换能器、柔性压力传感器和可穿戴式生理监测仪。最后，讨论了压电驻极体的发展前景和面临的挑战。预计在不久的将来，设计独特的传统压电驻极体将在可穿戴式能量采集和人体生理信号监测中发挥重要作用。

关键词：可穿戴电子设备、能量采集器、传感器、压电驻极体、纳米发电机

可穿戴电子产品正在改变人们的生活方式，相关的新材料和技术已经成为21世纪的重要研究领域。在可穿戴设备的辅助下，未来的智能世界可以在以人类为中心的同时运行。以主动的方式，我们可以使用可穿戴设备向智能世界传递指令，以被动的方式，可穿戴设备可以收集我们的生理信息，用于医疗保健。已经提出了许多可穿戴设备，它们专注于人体能量采集、人机交互、人体运动检测、人工神经和个性化健康监测。在这些操作场景中，可穿戴电子设备应该满足一些基本要求，包括高效率、生物相容性、柔性、耐用性、重量轻和低能耗。虽然驱动可穿戴电子设备所需的功率必须在毫瓦甚至微瓦范围内，但提供连续的能源供应仍然是一个重大挑战。通常，可穿戴电子设备由刚性电池供电。然而，这可能不是一个好的选择，因为这些电池带来了一些问题，如体积大、寿命有限、更换困难和不利的环境影响。为了应对这一挑战，一些能够从人类活动中获取能量的可穿戴电子设备已经被开发出来。

这些被称为纳米发电机的可穿戴电子设备不仅可以作为自供电传感器(或有源传感器)，也可用作低功耗无源电子设备的微电源。它们主要基于压电、静电、摩擦电或热电效应，将人体机械能或热能转化为电能。热电效应或Seebeck效应能够将温差直接转化为电能。然而，使用无机固体热电装置收集低级热量受到它们的高成本、低效率以及它们限于含有有毒或稀有元素的材料的事实的阻碍。相比之下，纳米发电机用于机械能收集，特别是压电和摩擦电纳米发电机可以利用具有高灵活性和令人满意的性能的功能聚合物作为有源元件，更广泛地用于可穿戴电子设备。许多优秀的综述从各个方面全面讨论了这些能量收集概念的相对优势和劣势。

在上述技术中，压电性是一种将机械能转化为电能的直接方法，这意味着压电纳米发电机不需要两个相对移动的部件，就像静电或摩擦电纳米发电机一样。原则上，一块压电材料能够完成能量转换过程。该特征使得压电电子器件能够容易地小型化，并且制造/集成到复杂的形状/结构中。随着其良好的能量转换性能，压电纳米发电机吸引了可穿戴电子领域工程师和研究人员的最大关注，在过去10年中有近5000篇出版物(约占机械能收集和自供电物理传感器出版物总数的52%)。然而，对于压电纳米发电机来说，在机械柔性和压电性能方面似乎存在相互冲突的特性。无机压电材料，如压电陶瓷或单晶，表现出良好的压电性(具有大的压电系数，d33 = 200~500 pC/N)，但总是坚硬和易碎。另一方面，压电聚合物，如压电聚偏氟乙烯(PVDF)及其衍生物，具有良好的柔韧性和耐久性，但其压电系数(d33 = 20~40 pC/N)比无机材料低一个数量级以上。一些研究人员试图将无机压电纳米材料混合到有机弹性体中，以形成柔性压电纳米复合材料，但纳米粒子的大刚度差异和空间不连续性导致从聚合物到纳米粒子的应力传递相当差，极大地限制了纳米复合材料的压电性能。考虑到这一背景，一种充满椭圆形空气空隙的聚合物引起了研究人员的注意。这些聚合物充电后表现出很强的压电性，其压电系数高达200~400 pC/N，比PVDF高出数倍。因此，在适当的制造之后，这些聚合物可以提供与压电陶瓷具有竞争力的压电系数。此外，由于它们的充气结构，它们重量轻、柔韧且具有高弹性。因此，这类聚合物成为可穿戴电子产品的最佳候选材料之一。

这种新材料基于驻极体聚合物，由于存储电荷的移动和静电感应，表现出宏观压电性。因此，它被称为“压电驻极体”。经过多年的广泛发展，压电驻极体的典型压电系数d33现在能够达到3000~6000 pC/N，各种基于压电驻极体的可穿戴电子产品的原型已经被设计并成功应用于人类使用(Figure 1)。为了进一步促进对这种材料的详细了解，并充分利用这种了解来促进当前可穿戴电子设备性能的改善，我们从压电驻极体的基本工作原理和性能增强机制出发，对其进行了简要概述。然后介绍了几种典型的压电驻极体材料，包括聚丙烯(聚丙烯)、氟乙烯丙烯(FEP)、聚四氟乙烯(PTFE)、环烯烃共聚物(COC)及其相应的制作方法和极化工艺。随后，展示了各种基于压电驻极体的可穿戴电子产品的研究进展，以及在人体能量采集、人机交互、人体运动监测和人体保健方面的应用。最后，对可穿戴设备压电驻极体的发展前景进行了展望。

驻极体是一种呈现准永久电荷的电介质材料。一般来说，这种电介质材料是一种体膜，而“真实”电荷大多分布在表面或表面附近。在20世纪80年代，Kirjavainen等人提出了一种基于驻极体的电热机械薄膜(ETMF)。ETMF由发泡成全泡孔型的均匀膜层组成，并通过双轴取向方法制造。所用的驻极体材料是聚丙烯(聚丙烯)，其中的小室充满了空气。极化后，气泡在其内部顶面和底面上积累正/负电荷并长期储存。正负电荷对在细胞膜内形成电畴，被称为宏观的“准偶极子”。由于“准偶极子”，基于驻极体材料的ETMF表现出类似于压电晶体/陶瓷的性质，因此在后来的研究和应用中被称为“压电驻极体”(或“铁电驻极体”)。

在传统的压电晶体/陶瓷(石英、BaTiO3、Pb(Zr1-xTix)O3等)中，电偶极广泛且随机地分布在主体内部(Figure 2a)。基于偶极子的运动，传统的压电晶体/陶瓷表现出压电效应或逆压电效应，如Figure 2b-c所示。

压电驻极体具有与传统有机压电材料类似的机电行为。在压电驻极体(以聚丙烯为例)中，大量的透镜状空隙(从~1到~100μm)分布在驻极体结构内部。充电后，一些正/负电荷对在气泡的内部顶/底表面上积累，形成宏观的“准偶极子”，如Figure 2d所示。这些宏观的“准偶极子”产生一个强大的内部电场，并在电极内部感应出相反极性的电荷。当对压电驻极体施加机械应力时，空气空隙变形，内部偶极子被迫相应移动，如Figure 2e所示。宏观“准偶极子”的运动打破了材料内部的电位平衡；因此，在两个电极之间将产生电势(在开路条件下),或者在外部电路中诱导电荷流动，直到建立新的平衡。相反，当向压电驻极体施加外部电压时，宏观偶极子将沿着外部电场的方向移动，并在材料内部产生内应力，这进一步诱发变形(Figure 2f)。

详细的机械能转换过程包括四个状态，如Figure 3a所示。在初始状态下(Figure 3a-I)，存储的电荷对和电极上感应的相反电荷处于静电平衡状态；因此，电路中没有电信号(电压或电流)。在压缩状态期间(Figure 3a-II)，空气层的总厚度减小，这降低了宏观偶极子的极化强度，从而在电极处产生电势。因此，电子将从顶部电极流向底部电极，并且观察到瞬时负电流信号。在压缩状态下(Figure3a-III)，压电驻极体的厚度降至最小，转移的电荷量达到最大，建立了新的静电平衡。在释放状态下(Figure 3a-IV)，压电驻极体由于其弹性将逐渐恢复到其原始形状，并且空气层的总厚度将增加。因此，产生反向电势，这导致电子从底部电极回流到顶部电极，从而产生瞬时正电流信号。当外力完全移除时，压电驻极体返回到其初始状态，完成一个工作循环。在整个过程中转移的电荷如Figure 3b所示。

压电系数d33是评价压电驻极体材料性能的关键参数。下标表示输入压力信号和输出电信号都在厚度方向上。压电驻极体材料的d33系数可以从电荷弹簧模型中推导出来，如Figure 4所示。通常，压电驻极体材料由两相系统组成，其中一相较硬，另一相较软。对于多孔聚丙烯压电驻极体，硬相是其驻极体材料相，软相是电荷相，储存在空隙中，如Figure 4a所示。在不同的压电驻极体材料中，唯一的区别是两相的规模和变形。在弹性均匀材料系统中，由于仿射变形，不能获得压电响应。这一观察表明，压电驻极体材料需要具有至少两种不同弹性模量相的弹性不均匀电介质，电荷在相界面处或相界面附近。

这里，根据理论和实践的观点，压电驻极体结构的重点在于理解基体相“M”和随机分布在基体相中的偶极子“D”之间的相互作用。因此，为了说明基本的物理机制，压电驻极体结构可以通过弹簧和电荷的排列进一步简化，如Figure 4b所示。

直接压电效应是压电驻极体电极化的线性变化。在一定的厚度方向力的作用下，得到的公式可写为：d33=−P/YM+P/YD，压电系数d33与剩余极化P、偶极相的弹性模量YD和基质相的弹性模量YM有关。根据该方程，压电驻极体材料的压电性包括两部分。第一部分(“次级压电性”)是右边等式第一项的基质效应或偶极密度效应，其包含剩余极化与基质相弹性模量的比率。第二部分是偶极矩效应，由于偶极相的弹性模量低，通常称为初级效应。

如果基质相和偶极相具有相同的弹性模量，则不能预期有压电效应。因此，为了产生电输出，部件的弹性模量应该不同。如果偶极相非常硬，对d33的主要贡献来自偶极密度效应，因为基质相被压缩，导致负电流符号。相反，由于偶极矩效应，刚性基质相将产生正信号。公式是有助于理解压电现象的来源和设计具有两相或多相的压电驻极体材料。

为了预测机电运行期间压电驻极体的电输出并分析影响压电性能的关键微结构因素，已经开发了几个理论模型。早期模型(Sessler等人开发的)被广泛使用，由平面平行固体层和空气层组成，如Figure 5所示。Figure 5a显示了多孔聚丙烯薄膜的典型横截面。Figure 5b展示了其相应的层模型，包括与气体间隙交替的固体驻极体层，并且在最顶层和最底层装有电极。驻极体层和气体层的厚度可以分别用d1i和d2j表示，i=1,2,…, n+1，且j=1,2,… n，其中n是总层数。极化后，相反的电荷被固-气界面捕获，形成偶极状电荷对。受内部类偶极电荷对的影响，在顶部和底部电极上感应出电荷，在顶部具有的负电荷密度−σ，在底部具有的正电荷密度σ。此外，Zhou等人提出了一个等效电路模型。在该模型中，固体层和气泡由固定电容器C1i和可变电容器C2j表示，该模型能够计算压电驻极体的弹性性质的影响，如Figure 5c所示。

其中ε0是真空介电常数(~8.85×10-12F/m)，εr和εg分别是驻极体材料和气体的相对介电常数。

在短路(SC)电流条件下，可由式(7)得到QSC：

为了深入研究参数对输出的影响，建立了一个理想的物理模型来模拟动态机械能转换过程，如Figure 6所示。在该理论模型中，材料变形被视为匀速或余弦运动，其中压电驻极体在外力下被压缩，并在力移除后恢复。Figure 6a显示了不同匀速运动状态下空气层的总厚度(dair)。电压/电流信号是在电荷转移的变形过程(状态II和IV)中产生的。当压电驻极体被压缩到最小厚度时(状态III)，转移的电荷达到最大值并且无输出信号，如Figure 6b所示。

基于计算结果，转移电荷的峰值与压电驻极体的总厚度(D)具有低相关性。然而，当占空比(dair/D)增加时，该值会显著增加，如Figure 6c所示。此外，相对介电常数(εr)值较大的驻极体材料有利于提高输出性能，如Figure 6d所示。

此外，深入研究了外部负载和刺激速度的影响。当压电驻极体处于开路状态(R = 0)时，由于电阻抗可以忽略不计，在短时间内在电路中输送了大量电荷。随着外部负载的增加，电荷转移受阻，导致电流下降。最后，电路断开，电流降至零，而输出电压达到最大值，如Figure 6e所示。另一方面，随着匀速运动速度的增加，转移电荷的总量保持不变，因为相同的压力决定相同的变形，如Figure 6f所示。然而，由于总电荷转移时间的减少，输出电流将会增加。

2.4.1 典型的压电驻极体材料和制造方法

多孔聚丙烯因其柔韧性、独特的多孔结构、良好的稳定性和较大的d33系数而成为应用最广泛的压电驻极体材料。因此，人们已经付出了巨大的努力来研究聚丙烯。工业上利用双轴取向方法大规模制造多孔聚丙烯。通过在纵向和横向拉伸本体聚丙烯膜(混合有矿物纳米颗粒)，可以产生许多直径为1-100μm的透镜形状的空气空隙。这些空隙增强了聚丙烯薄膜的柔韧性。为了进一步提高多孔聚丙烯的压电活性，应该增加空隙的长度。此外，一些研究人员开发了压力膨胀法。多孔聚丙烯在其软化温度高气压下(空气或氮气，大约20至50bar)持续数小时，然后快速放气。内部高压和外部低压形成大的气压差，扩大了空气空隙。如Figure 7a和7b所示，在膨胀过程之后，空气空隙的尺寸将明显增加，这将降低杨氏模量并大大提高压电系数。

多孔聚丙烯膜的厚度可以通过控制膨胀压力和加热温度来人为调节。Paajanen等人研究了气体处理压力和升高的温度对多孔聚丙烯厚度的影响。本研究调查了初始厚度为37和52μm的两种不同多孔聚丙烯样品。已经确定，压力和温度的提高都会增加样品的厚度。随着厚度的增加，多孔聚丙烯膜的d33系数将逐渐增加到最佳值，然后降低。

为了进一步提高多孔聚丙烯薄膜的d33系数，Zhang等人开发了一种双膨胀工艺。在第一次膨胀后，多孔聚丙烯的厚度将轻微自发衰减，然后在金属化过程中急剧减小(Figure 7c)。通过第二次膨胀，带电多孔聚丙烯的厚度将再次增加。结果表明，T1和T2在60℃以上开始影响厚度，温度越高，厚度越大。然而，如果T2太高，d33系数将降低。因此，最佳T1固定在90至100°C之间，T2固定在60至70°C之间(Figure 7d)。

聚丙烯面临的挑战是其相对较弱的电荷保持能力和较低的熔点，这限制了其压电性能和工作温度(低于60°C)。为了获得具有更高压电性和更好热稳定性的压电驻极体，研究人员对一些含氟聚合物进行了改性，并开发了氟碳压电驻极体材料。碳氟化合物材料(或氟聚合物)，尤其是FEP、PTFE和其它全氟聚合物，作为杰出的聚合物驻极体是众所周知的，并通过模板方法用于制造具有蜂窝状结构的压电驻极体。如Figure 8a所示，Zhang等人使用了金属网制造聚PTFE-FEP层压薄膜的模板。将线间距为0.4或1mm的金属网放置在层压膜的顶部，该层压膜由交替的PTFE层(三层)和FEP层(两层)组成。然后，在金属网上施加20 N的力，使叠层经受高温。如Figure 8a中的扫描电子显微镜(SEM)图像所示，在金属丝施加压力的地方，薄膜熔合在一起，在层之间形成气泡。充电后，具有五个子层的层压膜表现出大约1000 pC/N的高热稳定性d33系数，当暴露于90℃时，每天仅降低3%。

Altafim等人开发了另一种产生更大空隙的方法 (Figure 8b)。通过激光切割制备了具有平行矩形开口(1.5 mm × 30 mm)的Teflon PTFE模板。然后将该模板插入两个FEP膜中，将这三个膜压缩并加热至300℃。冷却后，FEP膜通过PTFE的开口熔合在一起。由于相对于FEP具有较高的熔点和较弱的粘性，PTFE模板可以容易地从叠层中取出。因此，获得了具有大的开放管状通道的两层FEP层压膜，如Figure 8b的SEM图像所示。这种管状通道FEP膜显示出高达160 pC/N的压电d33系数，并且在至少130℃的温度下是热稳定的。

虽然具有激光穿孔的PTFE模板可以用来容易地制造具有大空隙结构的氟碳压电驻极体，但是它只能使用一次。Zhang等人开发了使用金属模板制造具有图案化空隙结构的高热稳定性压电驻极体的方法，如Figure 8c和d所示。一种制造方法使用刚性模板，该模板基于表面经过蚀刻形成正方形阵列(1 mm × 1 mm × 500μm)的雕刻覆铜层压板。将多孔PTFE膜放置在刚性模板和金属平板之间，并压制形成图案结构。然后，图案化的多孔PTFE被夹在FEP层中并熔合在一起。Figure 8c显示了图案化空隙结构的SEM图像。通过使用刚性的模板，一个三层层压的FEP/PTFE薄膜显示出d33值高达500 pC/N。另一种制造工艺类似，但它使用中空模板，如Figure 8d所示。首先，将一个软橡胶垫和两个FEP薄膜夹在两个金属模板之间并热压。然后，移除软垫，并且获得两个图案化结构膜。然后，这两层薄膜可以直接熔合在一起，形成双层层压薄膜。此外，可以在熔接之前插入新的平坦聚合物膜，以形成更多的空隙。在制造后进行适当的退火处理，最终的三层FEP-PTFE层压膜表现出高于1000 pC/N的压电d33系数，并且在120℃的温度下是热稳定的。

与物理膨胀方法相比，这些模板制造方法可以有效地在纯碳氟化合物材料中产生空气空隙。此外，这种方法便于修改不同类型的规则结构以优化压电驻极体的d33系数。通过模板设计，可以人工控制空隙的大小、间距和分布，并且通过选择含氟聚合物层压层的适当厚度，也可以预先确定空隙壁的厚度。

除了多孔聚丙烯和氟碳材料，最近还开发了许多其他性能优异的多孔聚合物压电驻极体，如多孔聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、多孔环烯烃共聚物(COC)、多孔聚二甲基硅氧烷(PDMS)和多孔聚乙烯(PE)。

PEN是一种热稳定压电驻极体材料，具有高达80°C的高热稳定性，比多孔聚丙烯压电驻极体高20°C。采用“造孔+充气+拉伸”工艺制造多孔笔，如Figure 9a所示。通过暴露于高压超临界二氧化碳(sc-CO2 )，未汽化的PEN膜被气体变饱和。当温度升高到膜的玻璃化转变点并且sc-CO2的体积突然增加时，PEN膜变得发泡，并且产生许多圆形空隙。圆形空隙的尺寸可以通过另一种压力处理来增加。之后，PEN薄膜将在纵向和横向上被拉伸，横向比例约为1.5，使得圆形空隙变成椭圆形。多孔PEN膜显示约140 pC/N的压电d33系数。

COC是另一种热稳定压电驻极体材料，其温度稳定性高达120℃。COC的制造还利用了sc-CO2辅助下的模板法，这可以大大降低熔焊所需的温度。在一个实例中，制造了五层蜂窝状COC膜，如Figure 9b所示。使用计算机控制的激光将两个COC膜蚀刻成矩形通道阵列，然后以交替的顺序与另外三个普通的COC膜(其中两个在一侧涂有电极)堆叠。在sc-CO2的帮助下将层压层熔合在一起。由于COC和CO2之间的强相互作用，在120℃下成功地制备了多孔COC膜，并且表现出超过1000 pC/N的大d33值。

如Figure 9c所示，通过软光刻法和PTFE涂层制造多孔PDMS压电驻极体。将液体PDMS倒入预先设计的硅模板中，并在85℃下固化1小时。然后将其剥离并通过作为载体的空白PDMS膜移除。两个PDMS膜的表面都预先通过电晕放电处理，因此，它们紧密结合在一起并形成蜂窝状结构。此外，PTFE薄膜是旋涂在空洞内，以提高压电驻极体电荷存储能力。通过重复流延和粘合过程，可以制备具有多层结构的蜂窝状PDMS膜。极化后，多孔PDMS压电驻极体显示出大于300 pC/N的大d33值和大约500 kPa的低弹性模量。这种制造方法与微机电系统(MEMS)兼容，有利于压电驻极体与普通微系统的集成。

如Figure 9d所示，可以通过溶胀法制造多孔PE压电驻极体。首先在高温下将固体PE膜浸入良溶剂中。在这些条件下，PE膜的无定形区域迅速膨胀，而晶体区域几乎完全不受影响。因此，PE膜沿着它的晶体区域扩展。随后，PE膜被转移到不良溶剂，因此膨胀区域可能会重结晶。结果，PE膜变得多孔，并且其压电系数d33从200增加到400 pC/N。

2.4.2 充电

需要合适的充电方法来增加压电驻极体的电荷密度并实现更强的极化。一般来说，正负电荷源于气体的破坏性放电，并根据帕邢定律对压电驻极体充电。根据Paschen定律，每个气体-驻极体界面上的最大电荷密度由气体以及气体层和驻极体层各自的厚度决定。有两种方法通常用于给压电驻极体材料充电。一种是电晕充电(Figure 10a)，另一种是接触充电(Figure 10b)。

当电晕电极表面的电场超过气体电离的临界电场Ec时，发生电晕放电，导致在初始电中性气体体积中存在大量电荷载流子。由于电晕偏压，这些电荷载流子被注入驻极体的表面。栅极电场的加速导致形成均匀的表面电荷分布。电晕偏压和表面积累的电荷会影响材料内部电场的强度，从而在充满气体的空隙中产生足够高的电场，导致Paschen击穿并对材料内部的气体-驻极体界面充电。

相比之下，接触充电需要更低的电压，效率更高，在接触充电中，电压直接施加到材料上，通过蒸发的电极引起内部电击穿。必须注意的是，边缘效应和材料的不均匀性可能导致不可控的电介质击穿。

在充电过程中，从聚合物空隙中的阻挡微放电发出的蓝光可以用肉眼观察到，如Figure 10c所示。如Figure 10d所示，充电后，通过铁电磁滞回线来表征压电材料的极化是很方便的。压电驻极体的铁电磁滞回线证实了高电压可以产生压电驻极体内部的准偶极子。

压电驻极体作为一种新型柔性材料，在可穿戴能量采集和人体生理信号检测方面的应用引起了广泛关注。各种基于压电驻极体的可穿戴电子器件已经被制造和优化，例如可穿戴运动学和振动能量采集器、双功能声学换能器、大线性区域压力传感器和脉搏波监视器。此外，由于其简单的结构、良好的性能、高鲁棒性和可靠性，基于压电驻极体的可穿戴电子设备柔软且重量轻，由无毒成分组成，并且可以容易地制成几乎任何尺寸或形状。这些优点对于构建舒适、自然的可穿戴电子产品具有重要意义。

人体是一个巨大的能量库。正如Starner所总结的，一个68 kg的成年人日常活动产生的电能可以达到100 W以上，包括呼吸(1.83 W)、血压(0.93 W)、体热(2.4-4.8 W)、行走(67 W)、手指(6.9-19 mW)和肢体运动(60 W)。这意味着大多数便携式电子设备只需从人体转换1~5%的能量即可供电。在过去十年中，已经开发了各种类型的可穿戴能量采集器，它们的输出性能总结在Table 1中。

总的来说，人体机械能可以分为两类：运动能，振幅高但频率低，包括行走、肢体运动等；和振动能(或惯性能)，频率高但振幅低。Zhou等人应用多孔聚丙烯压电驻极体采集人体运动能量和检测人体生理信号(Figure 11a-b)。纳米发电机是通过压力膨胀和电晕充电制造的，随后被切成小块。作者详细研究了影响器件输出的因素。当外加负载为40MΩ时，纳米发电机达到最大峰值功率密度52.8 mW/m2(激励力为5 N，频率为5Hz)，如Figure 11c所示。同时，该器件表现出良好的长期稳定性和热稳定性。其d33系数在6周后保持稳定在大约200 pC/N(Figure 11d)并且低于60°C(Figure 11e)。此外，在循环过程中，纳米发电机不断受到金属刺激器的冲击(~10 500次循环)，器件输出没有明显下降，如Figure 11f所示。该结果证明了基于多孔聚丙烯的能量采集器的高耐久性。由于其对力的良好线性输出响应(Figure 11g)，纳米发电机被连接到人的喉咙、手腕和手臂上，用于检测声音振动和动脉脉搏(Figure 11h-i)。

由于基于多孔聚丙烯的可穿戴能量采集器薄而轻，其输出可以通过折叠或堆叠进一步提高。Sepulveda等人通过将蜂窝状聚丙烯压电驻极体沿其对称轴折叠3次，将输出电压和电流提高了8倍。当薄膜折叠一次时，Voc和Isc都加倍。这一观察表明，在多孔聚丙烯压电驻极体表面上产生的电荷与受压面积成正比，在折叠过程中受压面积增加2n(“n”代表沿对称轴的折叠次数)。Luo等人制造了一个80层蜂窝状聚丙烯鞋垫，并用它给一个2.2 μF电容充电。对于每一个脚步，电容器中可以存储超过100.9 μJ的能量。每走3到4步，就有一个8位无线数据传输器成功通电。

水的存在将加速积累电荷的消散。因此，如果在没有适当保护的情况下直接在水下或高湿度条件下工作，基于压电驻极体的能量采集器将逐渐失效。Lin等人通过热压方法制造了一个完整的基于聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)/乙烯醋酸乙烯酯(EVA)压电驻极体的可穿戴能量采集器，并使用防水胶带密封采集器(Figure 12a-b)。这种方法显著提高了压电驻极体纳米发电机的防水性能。PET驻极体薄膜和EVA共聚物粘合层紧密融合，大空隙结构提高了压电驻极体纳米发电机输出性能。当连接到60MΩ的最佳负载时在给定的外加压力和频率(分别为6.67 kPa和5 Hz)下，纳米发电机达到了约25.923 μW/cm2的最大输出功率密度(Figure 12c)，并在90 000次循环后保持稳定，没有明显的劣化。作者系统研究了PET/EVA/PET纳米发电机在不同恶劣环境下的输出稳定性。通常，当完全浸泡在水中时(Figure 12d)，每次手压收割机可以点亮6个串联的蓝色LEDs (Figure 12e)，其负载峰值电流密度在25分钟内稳定在约0.256 μA/cm2(Figure 12g)。此外，当PET/EVA/PET压电驻极体发生器被加热到70°C并在该温度下保持25分钟时，它仍然提供稳定的输出，负载峰值电流密度在0.251和0.263 μA/cm2之间轻微波动。这种可靠耐用的PET/EVA/PET纳米发电机在恶劣环境下具有出色的输出稳定性，揭示了压电驻极体用于可穿戴能量收集的可行性。

Sessler等人研究了压电驻极体的振动能量收集性能。2014年，他们利用9层蜂窝聚丙烯鞋垫和8 g的地震振动质量，在140 Hz下产生高达1.3 μW的功率，输入加速度为1 g。后来，他们建立了一个基于多孔聚丙烯的振动能量收集机电模型，并推导出产生的电荷、电流、电压和功率的方程。2016年，他们制造了一个平行隧道FEP压电驻极体，有效面积为5cm2，厚度为350μm，以基于横向压电效应收集振动能量。在30 Hz的低共振频率下实现了0.2 mW的大功率输出，输入加速度为1 g，地震质量仅为2 g，2018年，他们进一步集成了振动能量采集器，将其尺寸缩小到0.4 cm2 ×0.3 cm。这种新型收集器的结构如Figure 13a-c所示。两片图案化的FEP薄膜通过热压熔合在一起，形成平行隧道压电驻极体。接触充电后，平行隧道FEP压电驻极体表现出相当高的3.0 Vm/N的横向压电系数g31和1300 pC/N的频率稳定的纵向压电系数d33(Figure 13d-f)。如Figure 13g所示，能量采集器甚至比美分硬币还要小，但在57 Hz时，输入加速度为1 g，相对小0.09 g的地震振动质量情况下，可产生高达57 μW的功率(Figure 13h-i)。

无处不在的智能设备(智能手机、iWatch、谷歌眼镜、活动带等等)给人类的日常生活带来了极大的便利。为了熟练地使用它们，在大多数应用中需要增加更多的交互，因此，人和机器之间的有效通信从未如此重要。加速度计或压力传感器通常用作采集生理信号的硬件，包括身体运动、声音、心率、呼吸节律、血压等。为了满足未来智能移动电子产品对人机交互和个人医疗保健的需求，必须开发与皮肤或器官兼容的低模量、轻质、高柔性和高拉伸性的可穿戴压力传感系统。Table 2总结了各种压力传感器的检测性能。

3.2.1 压电驻极体作为自供电声学传感器

声音是人类重要的生理特征。通过声学传感器，人们可以与机器交流，并记录他们的身体状况，以进行安全保护。然而，由电容性或有机压电系统制成的传统声换能器坚硬、笨重、结构复杂且不便携。相比之下，基于多孔聚丙烯的可佩戴压电驻极体声学装置薄、重量轻、设计简单，仅由多孔膜和背衬组成。Sessler等人通过厚度膨胀改善了多孔聚丙烯的压电活性，并开发了一种具有膨胀膜的麦克风，其在1 kHz下显示出约2.2 mV/Pa的灵敏度。然后，他们通过堆叠五层蜂窝状聚丙烯膜进一步提高了压电驻极体麦克风的灵敏度，并实现了10.5 mV/Pa的灵敏度。等效噪声级为单层薄膜传感器约为36 dB(A )，层叠式传感器约为26 dB(A)。在164dB的声压级(SPL)下，失真度小于1%。该结果表明压电驻极体麦克风具有高灵敏度、非常低的谐波失真和高截止频率。研究人员还改进了麦克风的结构，制造了一个非常简单的无外壳压电驻极体麦克风。压电驻极体薄膜或薄膜叠层可以直接安装在PCB板上，而FET和其它电子元件放置在压电驻极体薄膜附近。此外，研究人员使用蜂窝状聚丙烯压电驻极体薄膜构建超声波发送器，并系统地研究了其性能的影响因素。他们发现，换能器产生的声压与距换能器的距离成反比，与换能器尺寸、交流电压、频率的平方以及压电驻极体薄膜的有效d33系数成正比。对于施加的46 Vrms的交流电压信号、1.8 cm2的换能器面积和60 mm的距离，在100 kHz以上的频率范围内测量到超过10 Pa的声压。对于2层和3层蜂窝状聚丙烯膜层的叠层，在60和120 kHz之间的频率下，分别可以获得大约20和40 Pa的声压。

基于压电驻极体的扬声器和录音机具有相同的结构，但是不同的工作模式。基于这种双重性，Sepulveda等人开发了一种双功能柔性声学装置。该设备可以根据用户的要求方便地切换其功能(录音或讲话)。Figure 14c展示了具有不同输入电压(100、200和300 V)的卷起型压电驻极体扬声器的强SPL 5 kHz方向性。中央对称使这个设备成为一个全向扬声器。因为较大的电压会增加压电驻极体内部的巨大偶极子的膨胀或收缩幅度，所以在厚度方向上会产生较大的位移并产生较大的声压。压电驻极体的电状态和机械状态之间的可逆机电相互作用允许该装置作为麦克风工作，同时保持其扬声器功能(Figure 14d)。由于不需要外部电源，这种柔性压电驻极体声学装置可以实时录制声音，可以看出录制音乐的声学信息(Figure 14f)与原音乐的声学信息(Figure 14e)高度相似。

Zhou等人通过偶极子取向控制方法，基于三层蜂窝聚丙烯堆叠制造了一种灵敏度增强的可穿戴有源声纹传感器(SWAVS)(Figure 14g)。与简化的细胞聚丙烯传感器相比，SWAVS对声音刺激具有灵敏和稳定的响应，表现出三倍的输出电流(从0.89到2.79 μA/m2)和增强的灵敏度(在115 dB时从1.98 pA/Hz到5.81 pA/Hz)。如Figure 14h所示，单个口语单词的截取信号指示丰富的高频信号，其响应于人类说话期间发生的具体动态变化。通过对信号进行傅立叶变换，SWAVS可以识别人类声纹的个人频率，如Figure 14i所示。此外，作者构建了基于SWAVS的声纹识别系统，实现了非接触式生物识别和安全保障。

3.2.2 压电驻极体作为自供电触觉/压力传感器

压力是最常见的人体生理信号，可以反映触觉、身体运动或许多其他身体活动。Zhou等人开发了一种新型纸基主动触觉传感器阵列(PATSA)。该设备灵活、轻便、耐用、可切割、自供电，用于定位触摸点并实时记录压力信息。因此，通过手指打字，该设备可以精确地读入并快速发送出相对的计算结果。如Figure 15a-b所示，PATSA由聚丙烯(PP)压电驻极体薄膜和带有2D网格印刷电极的纸质基板组成。Figure 15b中的数字照片展示了PATSA的灵活性，其动态灵敏度高达0.35 V/N。此外，纸质主动触觉传感器阵列可以轻松裁剪，以定制其形状或尺寸，满足不同要求。如Figure 15e和f所示，PATSA的其余部分仍然表现良好。Sepulveda等人基于蜂窝聚丙烯压电驻极体制造了一种自供电的30键键盘。这键盘由蜂窝状聚丙烯膜和图案化的涂漆电极组成。它重量轻，有弹性，卷起或折叠时仍能保持其功能。

肌肉收缩总是伴随着肌肉体积的变化，在径向产生压力。通过记录力分布图，可以获得相关的身体运动。Zhang等人利用基于压电驻极体的压力传感器开发了一种力肌图(FMG)记录系统。通过将五个折叠的市售辐照交联聚丙烯(IXPP)压电驻极体传感器单元(1.44 cm2×0.24 mm)附着到大腿肌肉，正常地捕获了健全受试者的四个基本下肢运动，即腿抬起、腿落下、膝伸展和膝弯曲。作者采用三种模式识别算法，K-最近邻(KNN)、线性判别分析(LDA)和人工神经网络(ANN)进行运动分类，平均运动分类准确率分别达到92.9%、84.8%和88.1%。此外，他们通过压力膨胀和电晕充电制造了具有更高d33系数(~309 pC/N)的新型压电驻极体传感器，并使用八个传感器单元(1 cm2 x ~367μm)进行手和手腕运动检测。通过线性判别分析和人工神经网络算法对FMG模式进行评估和识别，平均运动分类准确率分别达到96.1%和94.8%。

Zhou等人开发了一种和压电驻极体压力传感器，该传感器具有高灵敏度和大线性区域。通过层压优异的正电荷存储材料THV、负电荷存储材料COC和优异的弹性PDMS阵列，该传感器获得了30 mV/kPa的高灵敏度和高达150 kPa的大线性区域，具有高线性度(R = 0.99963)。此外，这种THV/COC压力传感器还表现出强大的稳定性，OC电压在10000个工作周期后没有衰减(Figure 16d)。如Figure 16e和f所示，通过将THV/COC传感器放置在人手上，可以检测从手指打字到拳头击打的各种手掌运动过程中的皮肤压力。此外，作者建立了一个理论模型来优化压电驻极体压力传感器的灵敏度。在这个模型中，他们估算了结构可调压电驻极体的可压缩性并分析了其压敏性。通过制造基于全氟(烷氧基烷烃)(PFA)驻极体的压电驻极体纳米发电机和调整支撑结构来进行实验验证。最后，他们制造了一种基于压电驻极体的压力传感器，在0–2.5kPa的压力范围内具有15 V/ kPa的优化灵敏度。

3.2.3 压电驻极体作为自供电生物医学传感器

全球老年人口的不断增加引起了可穿戴生物医学传感器研究者的关注。大多数老年人患有慢性疾病，这需要长期监测身体的生命体征。一些身体体征，如心跳、呼吸、血压和脉搏波，是重要的健康指标，但相对较弱。Zhou等人通过三步热压法开发了一种超灵敏蜂窝状氟碳压电驻极体压力传感器(FPS)。柔性FPS显示出以下优点：在微压状态 (