From synthesis to application: High-quality flexible piezoelectric sensors fabricated from tetragonal BaTiO3/ P(VDF-TrFE) composites

材料科学 压电 复合材料 复合数 压电系数 四方晶系 电介质 压电传感器 铁电性 制作 相(物质) 光电子学 医学 化学 替代医学 有机化学 病理
作者
Sepide Taleb,Miguel Badillo,Francisco Javier Flores‐Ruiz,Mónica Acuautla
出处
期刊:Sensors and Actuators A-physical [Elsevier BV]
卷期号:361: 114585-114585 被引量:19
标识
DOI:10.1016/j.sna.2023.114585
摘要

In this work, a simple process for fabrication of piezoelectric BaTiO3 /P(VDFTrFE) composites from synthesis to its application as a wearable piezoelectric sensor is presented. Addition of 10 wt% synthesized tetragonal BaTiO3 particles (200 nm in diameter) enhanced the mechanical and piezoelectric properties of P(VDF-TrFE) better than commercial cubic phase particles (<100 nm in diameter). Although P(VDF-TrFE) and tetragonal BaTiO3 have opposite piezoelectric coefficients, BaTiO3 improved the performance of the final piezoelectric sensor by modifying the distribution of stress in the P(VDF-TrFE) matrix, reducing the viscosity, and causing the mechanical reinforcement of the composite films. This requires the uniform distribution of particles in the polymer matrix, which was succeeded by prior surface modification of the particles. Inverse piezoelectric properties of BaTiO3 /P(VDF-TrFE) composites were enhanced by obtaining a higher polarization (Pr = 6.18 µC/cm2) and dielectric constant value (εr = 30.3) compared to pure P(VDF-TrFE)(Pr = 4.23 µC/cm2, εr = 8.8). Furthermore, the ferroelectric and switching behavior in the composites happened at lower electric fields. With respect to direct piezoelectric properties, the voltage coefficient of this composite is 30% higher than the pure P(VDF-TrFE). By fabricating simple wearable piezoelectric sensors for finger joint movement detection, the composite device showed an enhancement in output voltage (2.1 times), power (4.6 times), and sensitivity (1.6 times) in comparison to the pure P(VDF-TrFE) sensor. The composite sensor with a sensitivity of 10.16 mV/N, is able to produce a maximum peak-to-peak output voltage of 400 mV by bending the finger without the need for any amplification or post-processing.
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