研究背景

在医疗检测和生物机器人等领域，同时感知静态力和动态力对提升监测精度至关重要。现有双模态传感器依赖压阻-压电、压阻-摩擦电或压电-电容等异质集成方案，虽能分时捕捉信号，但面临多层结构复杂、信号串扰严重和制造成本高等问题。近年来，单材料双模态传感通过本征特性解耦信号，为简化结构、降低成本提供了新路径。

Piezotronic Sensor for Bimodal Monitoring of Achilles Tendon Behavior

Zihan Wang, Shenglong Wang, Boling Lan, Yue Sun, Longchao Huang, Yong Ao, Xuelan Li, Long Jin, Weiqing Yang, Weili Deng*

Nano-Micro Letters (2025)17: 241

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01757-6

本文亮点

1. 性能飞跃：持续静态力响应能力长达600s，开/关比率高达 1029，增益因子高达 23439，是传统压电器件的 4000 倍。

2. 技术革新：基于压电电子学效应，实现了静态和动态刺激的双模态监测，通过有限元模拟并结合实验测试，阐明了压电势调制电流传输的微观机理。

3. 应用前景：实现了跟腱行为的双模态监测识别，准确率达到 96%，在柔性可穿戴电子领域展现了广阔的应用前景。

内容简介

复杂外力的精准解耦是推动智能传感器发展的关键所在，其在人工智能、电子皮肤等领域具有重要的应用价值。然而，传统双模态传感器在器件制备与信号解耦方面面临异质功能层集成困难、信号串扰严重等挑战。针对这一问题，西南交通大学材料学院邓维礼副教授和杨维清教授团队提出一种创新的解决方案：基于压电电子学效应，通过协同调控典型压电半导体材料(ZnO)内部载流子和压电极化电荷，在单一材料中实现了双模态力传感。

通过低温水热法，结合稀土(Y)掺杂共生长技术，制备载流子浓度可控、极化电荷可调的ZnO纳米棒有序阵列，实现压电特性与半导体特性协同增强。实验与模拟结果共同证明，ZnO利用压电势作为“门”电压调节／控制接触处或结区载流子传输过程，可以在实现高灵敏度静态力检测的同时，也对持续静态力有良好的检测能力。

此外，研究团队展示了其在监测跟腱行为方面的独特应用，BPS能够连续准确地识别跟腱行为，在解耦复杂生物力学信号方面的分类准确率达到 96%。在此基础上，传感器还可以对运动中跟腱危险行为进行预警，出色的灵敏度和双模监测能力使 BPS 成为用户友好型长期医疗保健监测可穿戴设备的理想选择。这一发现为双模态传感器的设计提供了新思路，为发展新一代智能诊疗系统提供了重要参考。

图文导读

I BPS的工作机制与跟腱行为检测原理

如图1所示，当受到恒定外力时，传统的压电传感器会因产生极化电荷而产生瞬时电信号，但这些信号会因电荷中和而迅速衰减。相比之下，压电电子学传感器具有独特的双模态响应能力，能保持稳定的信号输出，准确追踪变化和恒定的力。对比两者的结构可知：传统的压电传感器采用垂直结构，在施加力的方向上产生电位差，从而产生瞬时信号；压电电子学传感器配有外部电源，利用压电势来调节界面势垒高度，从而控制流经传感器的电流。为了细致分析压电电子学器件的工作原理，以 n 型压电半导体(ZnO)为例，将一端的银电极定义为漏极，另一端定义为源极，当沿 c 轴产生应变时，该器件会在绝缘体/半导体界面上产生正压电电荷，可有效降低势垒高度，促进电子穿过势垒并产生电流变化。在恒定外力作用下，势垒高度的变化始终保持不变，从而提供了检测静态力的能力。当 BPS 用于跟腱行为监测时，会由于跟腱的变形而发生弯曲或伸长，进而通过氧化锌纳米棒阵列将机械应变转换为电输出，随后对信号进行深度学习分析，可准确确定跟腱状态、运动模式和整体组织健康状况，是无创生物力学监测技术的一大进步。

图1. BPS的设计理念与工作原理。(a)基于BPS的跟腱行为监测系统的示意图。(b)传统压电传感器无法检测到静态力，因为在保持外力时感应电荷会消散，而压电电子传感器可以检测静态力和动态力。(c) 传统压电传感器(顶部)和压电电子学传感器(底部)的结构比较。(d) BPS微观工作机制示意图。(e) BPS的金属/绝缘体/压电半导体结构示意图以及正压电电荷的相应传导能带分布。BPS附着在跟腱上，随着跟腱的运动而发生变形(f)，ZnO纳米棒阵列也随之产生形变 (g)，通过深度学习进行运动状态分析(h)。

II ZnO和 Y-ZnO 的微观结构及基本特性

为了探寻压电性增强与压电电子学特性的关系，研究团队在ZnO中引入了稀土离子(Y)，可引起ZnO 原有晶体结构的对称性破缺，有助于增强压电极化；另一方面，利用稀土离子独特的表面电子状态，降低金属-半导体界面势垒，优化ZnO本征载流子浓度，提升载流子迁移率，改善半导体特性。利用拉曼光谱(Raman spectra)、稳态/瞬态荧光光谱仪(PL)、X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)等表征手段，系统分析了稀土离子掺杂对ZnO晶格畸变、载流子状态、极化电荷、界面势垒等特性带来的影响。研究结果表明，Y3⁺离子的引入有效增加了晶格畸变，有效了降低载流子浓度。结合有限元分析，证明了载流子浓度降低会导致压电性增强，从而增强了压电电子学器件的性能。这种通过掺杂协同改变压电性与半导体特性的策略，为设计高性能压电电子学传感器提供了参考。

图2. 未掺杂ZnO(左)和Y-ZnO(右)的横截面(a)和纵截面(b)扫描图像。比例尺为100 nm。(c) BPS的横截面EDS光谱。(d) ZnO和Y-ZnO NRs的HRTEM图像。比例尺为0.5 nm。(e) KPFM测量表面电位的示意图。(f) 未掺杂ZnO-Au(I)和Y-ZnO-Au(Ⅱ)的表面电势分布比较。(g) ZnO和Y-ZnO NRs的VB-XPS、(h) XRD图谱、(i) 室温PL光谱、(j) 拉曼光谱和 (k)紫外-可见吸收光谱。

III BPS的电学性能表征

为了评估BPS的优势，研究团队将其与传统压电器件以及已有研究中的ZnO基传感器进行了对比。结果表明，BPS在响应时间、灵敏度、增益因子等方面均优于传统压电器件及ZnO基传感器，且能连续相应一系列静态和动态压力。同时，通过对比ZnO与Y-ZnO的性能可知，压电输出增强的根本原因是掺杂降低了载流子浓度、增加了带隙，减少了极化电荷屏蔽，显著增强了压电响应。这些改变促进了载流子在半导体界面上的传输，最终提高了 BPS 的性能，这为后续基于压电电子学双模态传感器的发展奠定了基础。

图3. 传统压电传感器和压电电子学传感器的比较在静态力(a)、动态力检测(b)和响应/恢复时间(c)方面的比较。(d) 用于比较两种传感器之间不同性能的雷达图。(e) 在 -3 和 +3 V 之间的扫描偏压下，BPS的I-V 特性曲线随外力的改变而变化，(f) 在 -1.5、-1、-0.6、0、0.6、1 和 1.5 V 偏压下 BPS 的电流-压力关系。(g) 在不同正向和反向偏压条件下，BPS 的电流变化比与压力的关系。(h)本研究与一些现有的ZnO基传感器的增益因子比较。(i) ZnO 和 Y-ZnO 的 PFM 测试结果。 (j) 7～19N梯度静压下BPS的电流响应。(k) Y-ZnO与ZnO基本性质比较。

IV 利用机器学习辅助跟腱行为监测

作为概念验证，研究团队验证了BPS在跟腱行为检测方面的应用，如拉伸、踮脚、走路等。实验结果表明，BPS能精准识别出跟腱的行为，并分析出当前跟腱的健康状态，识别准确率可达96%。除此之外，BPS在危险预计方面也展示出了应用前景，通过设置阈值，BPS能准确的在运动过程中识别到危险动作，并发出预警。这些特点为开发双模态应力传感器带来了更多的可能性，有望在无创检测中促进其应用。

图4. (a) 用于捕捉各种姿势的部署在跟腱上的BPS的示意图、用于识别健康状态的所构建的1D-CNN模型的详细架构。(b) 4种跟腱行为的压力分布和相应的电流反应。(c) 4种跟腱行为的电流强度比较。(d) 跟腱康复训练期间动态和静态力的监测。(e) 采用t-SNE降维对深度学习后的输出数据进行可视化。(f) 跟腱运动期间的早期预警。

V 总结

文章针对现有双模态传感器过度依赖多功能层耦合的局限，创新性的在单一材料(ZnO)中利用压电电子学效应，实现了双模态检测。所开发的器件表现出卓越的机电性能，开/关比高达1029，测量因子高达23439，持续静态力响应能力超过600秒。与传统的压电传感器相比，其性能有着较大的提升，尤其是在同时进行静态和动态力检测方面。作为概念验证，所开发的压电传感器能够连续准确地识别跟腱行为，在解耦跟腱复杂行为的分类准确率达到96%。出色的灵敏度和双模监测能力使BPS成为用户友好型长期医疗保健监测可穿戴设备的理想选择，在数字健康监测、智能软机器人系统和交互式可穿戴电子设备中展现了广阔的应用前景。文章不仅为双模态传感器的设计与性能提升提供了新的思路和方法，也为其他基于压电电子学传感器的设计提供了有益的借鉴和参考。

作者简介

邓维礼

本文通讯作者

西南交通大学材料科学与工程学院 副教授

▍主要研究领域

纳米功能材料(压电、压阻、光电)；柔性可穿戴传感；自供能传感一体化集成系统。

▍主要研

副教授，博士生导师，四川省学术和技术带头人后备人选，美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)及河滨分校(UCR)访问学者，入选全球前2％顶尖科学家榜单, 担任Nano-Micro Letters青年编委，Materials Futures青年编委，Soft Science青年编委，Journal of Functional Biomaterials编委，四川大学学报(自然科学版)编委。长期从事关于力电耦合的纳米功能材料及柔性电子的基础研究，近年来以第一或通讯作者身份在Chem. Soc. Rev.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Nano-Micro Lett.、InfoMat等国际知名期刊发表学术论文40余篇，包括ESI热点论文1篇，ESI高被引论文8篇，封面论文8篇，论文引用9000余次(Google Scholar)，相关研究成果获授权发明专利10余件，部分专利已完成成果转让。主持国家自然科学基金NSAF联合基金项目、青年科学基金项目、四川省科技厅重点研发项目、四川省自然科学基金面上项目等多项国家及省部级科研项目。

▍Email：weili1812@swjtu.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

关于我们

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 JCR IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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