复旦朱国栋教授、同济张晓青教授团队Adv. Fiber Mater.：用于声学检测和识别的波浪形压电纳米纤维传感器
随着物联网和可穿戴电子器件的快速发展，如何方便快捷地为传感器供电仍然是一个巨大的挑战。采用能量收集策略来收集环境能量并将其转换为电能是一种有效的方式，其中，压电聚合物被用作柔性收集器来转换机械能。然而，相对较低的压电性能限制了它们在弱机械激励检测和转换中的应用。近期，复旦大学朱国栋教授团队联合同济大学张晓青教授及姜在秀博士在Adv. Fiber Mater.上发表了题为 "Wave-Shaped Piezoelectric Nanofiber Membrane Nanogenerator for Acoustic Detection and Recognition" 的文章。结合电纺及模压工艺制备波浪形PVDF纳米纤维传感器，这种波浪形器件实现了比平面器件更好的纵向和横向压电性能，可应用于可听声的检测和识别。所研制器件的频率分辨率优于0.1Hz，可用来分析各类可听声源的频谱。
静电纺丝是一种高效制造大面积压电聚合物纤维膜的技术，整个静电纺丝系统如图1a所示。在图1b中显示了PVDF纳米纤维膜的实物图，其纤维直径约为200nm（图1c）；XRD分析进一步证实纤维中形成了电活性β相（图1d），其特征衍射峰出现在2θ=20.42°。
图1 波浪形PVDF纳米纤维膜的制备流程
进一步采用模压工艺使电纺制备的纳米纤维膜形成波浪形结构，三种波形PVDF膜的SEM图像如图2所示，模压处理导致薄膜密度增大，机械拉伸分析（图2i）显示，波浪形PVDF膜的断裂强度和断裂伸长率均低于平面膜的数值。然而，在低应变区波浪形膜具有极低的表观弹性模量，意味着其适用于微弱机械信号探测。
图2 平面和波浪形纳米膜的SEM和机械拉伸分析
波浪形器件用于声学检测，图3a显示了声学检测系统配置，在图3b中绘制了器件开路电压Voc对声激励(100Hz, SPL110dB)的响应，图3c和3d显示了器件开路电压随声激励频率的改变，器件为自支撑结构，低频下存在机械共振，因而当激励频率高于200Hz时器件响应衰减。图3e显示器件开路电压随声压级的增加而增加。
图3 平面膜和波浪形膜的声学检测
频谱分析是声传感器的一项基本功能。研究中将两个单频信号混合后经由扬声器发出，典型的器件开路电压响应如图4a、4b所示，图中所标数字为频率值，曲线相应的FFT频谱分析绘制在图4c中。FFT谱可以精确区分小至0.1Hz的频率差(100Hz/100.1Hz)。
图4 波浪形纳米纤维膜的频率分辨能力分析
在此基础上，对七种动物声音（虎、狗、狼、公鸡、猫、鸭、鹰）进行了探测和FFT频率分析(图5)，结果显示这种 “声音指纹” 是一种很有前景的动物识别方法。
图5 动物声音的频谱分析
复旦大学博士研究生许凡为本文第一作者，复旦大学朱国栋教授、同济大学张晓青教授及姜在秀博士为论文共同通信作者。
课题组简介
朱国栋，教授/博导，复旦大学科学系。主要研究方向包括：1) 铁电/压电聚合物及其应用，含电性能表征及增强，铁电存储，压电传感，微能量收集；2) 有机半导体及传感器件，含有机晶体管、接近传感等。
张晓青，教授/博导，同济大学物理科学与工程学院。主要研究方向包括电活性柔性电介质材料；柔性轻量化可穿戴传感器；空气耦合超声换能器；微能源采集。
原文信息
Fan Xu, Jiang Yang, Ruizhi Dong, Hanxiao Jiang, Conghuan Wang, Weilin Liu, Zaixiu Jiang*, Xiaoqing Zhang*, Guodong Zhu*,Wave‑Shaped Piezoelectric Nanofiber Membrane Nanogenerator for Acoustic Detection and Recognition.Adv. Fiber Mater.,2021.
https://doi.org/10.1007/s42765-021-00095-7
期刊介绍
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