在我们生活的周围存在着无限的动能,压电材料有助于充分吸收、储存和使用各类机械动能,改变人与自然的互动方式。伴随着数字无线传输技术的日益成熟,智能压电材料传感器应用愈加普及,特别是未来物联网的快速发展。

压电材料
压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。一般分为有机压电材料、无机压电材料以及复合压电材料。
压电器件最早采用的材料是石英晶体,接着是BaTiO3、Pb(Zr,Ti)O3 等压电陶瓷以及铌酸锂、钽酸锂和氧化锌等压电晶体。这些晶体的对称性较低,当受到外力作用发生形变时,晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合,导致晶体发生宏观极化,而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影,所以压电材料受压力作用形变时两端 面会出现异号电荷。反之,压电材料在电场中发生极化时,会因电荷中心的位移导致材料变形。
基于硅半导体的压电材料通常为晶体状态,可有效将各类微小的机械动能转化为所需的电能,当对压电材料施加外部机械动能时,材料内部电荷重新排列形成电位差。最典型的压电材料应用是打火机点火装置,将手指机械压力动能转化为火花电能。
压电材料技术同纳米技术相结合,如纳米线、纳米片或纳米薄板,最大的优势在于同电子微芯片的相互兼容性、灵活性和可穿戴性,可同时实现各类数字、电子、压电、储能等功能。
欧盟科研理事会为此提供200万欧元,资助西班牙国家微电子中心领导的欧洲SINERGY科研团队,致力于纳米结构智能压电材料传感技术的开发及应用。目前的研发创新活动主要集中于空客(Airbus)智能压电材料传感器的研制开发,已取得多项技术突破。飞机内部6000多各类传感器,相互连接的电缆布线和运营维护成本高昂,无线传输和压电材料传感技术相结合,可高效提供低成本的节能储能解决方案。
纳米结构压电材料传感器结合微芯片,在日常数字电子产品领域具有广泛的应用前景。科研团队已创办2家初创公司,正在从事智能压电材料传感器的商业化推广应用,并成功进入智能电网、智能交通、智能家庭和智慧城市等行业。
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