寧俐彬，高國偉,2

(1.北京信息科技大學 傳感器重點實驗室，北京100192；2.北京信息科技大學 現代測控技術教育部重點實驗室，北京100101)

0 引言

機器人的研究與發(fā)展距今已有100年歷史，從機械傳動到人工智能，機器人已廣泛應用于各個領域。在工業(yè)、醫(yī)療、汽車及航空等方面機器人技術展現出了巨大的潛力[1]。依托于深度學習技術，機器人技術在視覺及聽覺等方面取得了突破性的進展，而觸覺已制約了其向智能化方向發(fā)展。觸覺傳感器作為機器觸覺不可缺少的一部分，可將外界環(huán)境狀態(tài)轉變?yōu)榭杀粶y量的電信號，達到壓力檢測、溫濕度感知及材質預測等目的，實現與人類皮膚相似的效果[2]。

根據感知原理的不同，觸覺傳感器可分為電容式[3-5]、壓阻式[6-8]、壓電式[9-11]和光纖式[12-14]等。目前，電容式、壓阻式及壓電式3類應用最廣。電容式傳感器設計原理借鑒了電容器具有高靈敏性及低功耗等特點。當外部壓力改變時，傳感器電極距離及有效接觸面積等發(fā)生變化，導致電容值發(fā)生改變。通過對電容值的變化量進行測量，可獲取外部壓力信息。壓阻式傳感器因響應速度快，構造簡單及感知范圍廣等優(yōu)點而被廣泛應用。由于材料的壓阻效應，外界壓力將導致材料電阻率發(fā)生變化，從而改變電阻信號。通過對輸出電信號進行測量可得壓力的變化。壓電式傳感器利用材料的壓電效應，輸出與材料形變程度成比例的電信號，具有動態(tài)特性好，頻帶寬及聲阻抗低等優(yōu)點。

目前，關于壓電式傳感器的研究已取得較成功的進展。Bodkh S等[15]研發(fā)了一種基于聚偏二氟乙烯(PVDF)的3D打印材料系統(tǒng)，可在無需極化的單步打印過程中制造可積傳感器，對創(chuàng)建多種智能結構具有重要意義。Wang X等[16]研究并實現了一種基于聚偏二氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)納米纖維和聚二甲基硅氧烷(PDMS)/多壁碳納米管(MWCNT)薄復合膜的柔性納米發(fā)電機，在壓力5 N時該發(fā)電機的輸出電壓峰-峰值為25 V，功率為98.56 mW，功率密度為1.98 mW/cm3。與PVDF、PVDF-TrFE等新材料相比，傳統(tǒng)鋯鈦酸鉛(PZT)材料具有易脆性等缺點，但PZT材料有更高的靈敏度，更高的介電常數，且只需很小的接觸面積即可產生電信號，而PVDF需要更大的面積。為了克服柔彈性差的缺點，PZT復合材料的制備已成為重要的研究方向之一。目前，高壓電特性的柔性PZT壓電薄膜在光電子學、微電子學、微機電系統(tǒng)(MEMS)和集成光學等領域有廣泛的應用[17-21]。

1 PZT觸覺傳感器原理及制作工藝

PZT由PbO、ZrO2、TiO2等原材料制備，具有價格低，響應快，精度高和化學惰性好等優(yōu)點，已廣泛應用于MEMS等領域。為了提高柔彈性，滿足實際應用的需要，通常采用具有較好柔韌性的材料為基底，如聚酰亞胺(PI)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等?；撞牧弦话阒粚鞲衅鞯娜釓椥援a生影響，傳感器的性能主要取決于敏感材料。

1.1 PZT觸覺傳感器的工作原理

1.1.1 壓電效應

1880年，法國的居里兄弟在研究石英晶體的過程中首次發(fā)現了壓電效應。壓電效應可分為正壓電效應和逆壓電效應。正壓電效應是指壓電體受外部機械力作用在壓電體兩端產生與外力大小成正比的極性相反的束縛電荷的現象，它實現了機械能到電能的轉換。逆壓電效應是指壓電體受外部電場作用產生與電場強度成正比的形變現象，它實現了電能到機械能的轉換。

PZT是一種人造多晶壓電材料，可實現機械能與電能的雙向轉換。當施加固定方向應力時，材料發(fā)生形變，內部發(fā)生電極化現象,如圖1所示。將同時在對稱的兩個平面上產生正負電荷，此時機械能轉化為電能；當施加外部交變電場時，電介質內部正負電荷的中心發(fā)生相對位移，引起電介質的機械形變，此時電能轉換為機械能。

圖1 PZT極化過程

如圖2(a)所示，當施加垂直于極化面的z向作用力Fz時，上下兩個極化面會產生正負電荷，此時產生的電荷Qzz與外力Fz成比例關系，即：

Qzz=dzzFz

(1)

式中dzz為PZT的縱向壓電系數。此時輸出電壓為

(2)

式中Cz為壓電陶瓷的電容。

如圖2(b)所示，當施加沿x向的作用力Fx時，對應極化面產生電荷，此時電荷量及輸出電壓為

(3)

圖2 z、x向施力

(4)

當施加沿y向的作用力Fy時，對應極化面產生電荷，此時電荷量及輸出電壓為

(5)

(6)

式中:dz1,dz2為PZT的橫向壓電系數;Sx,Sy,Sz分別為垂直于x、y、z軸的壓電陶瓷晶片面積。

1.1.2 觸覺傳感器工作原理

為了達到布線少、大面積制備等目的，觸覺傳感器通常被設計為陣列形式。當外力作用于傳感器陣列時，電荷相應地集中于材料表面。從觸覺傳感器的本質上看，傳感器產生的電信號具有電流小、干擾多的特點，為了得到較可靠的信號，通常需要后續(xù)的選通、信號調理等一系列處理，如圖3所示。

圖3 觸覺傳感器工作原理

選通電路用于將產生電信號的傳感器單元逐一接入后續(xù)的信號調理電路，通常采用多路選擇開關來實現。信號調理電路通常包括放大電路及濾波電路等模塊，用于去除可能導致模/數(A/D)轉換器產生混疊的高頻信號。同時系統(tǒng)根據負載大小對采樣負載電阻進行實時調整，滿足在不同大小外力作用下的信號梯度性，使放大器的輸出能適應外力的變化調整到盡量滿值的A/D轉換結果，便于后續(xù)信號的處理[22]。此時已可得到外力的作用位置，再將獲得的模擬信號通過A/D轉換器轉換為數字信號，并傳輸給上位機，通過式(1)～(6)可反推得到外力的大小。同時，根據電路采集到的信號也可得知物體表面的幾何性質和材料性質等有效信息[23-24]。

1.2 PZT觸覺傳感器的制作工藝

PZT觸覺傳感器的制作關鍵是PZT壓電薄膜的制備，其結構如圖4所示[25]，一般由上下電極、PZT薄膜、連接層和基底構成。隨著薄膜技術的不斷進步，PZT壓電薄膜的制備方法較多，其中溶膠-凝膠法、化學氣相沉積法、水熱合成法、磁控濺射法和脈沖激光沉積法應用較廣。

圖4 PZT觸覺傳感器結構

1.2.1 溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法由于可精確控制薄膜的組成成分，便于添加不同類型的離子溶液，有利于復合材料的制備，且還具有價格低及可大面積制備等優(yōu)點，其工藝流程如圖5所示[26]。將金屬化合物與穩(wěn)定劑、催化劑等在一定化學條件下進行混合，得到特殊溶膠。之后通過水解、縮聚等反應制得PZT前驅體溶液(即凝膠)。將所得凝膠進行均勻旋涂、低溫熱處理及高溫退火等處理，把多余有機物熱解，最終制備出PZT多晶薄膜。Budd K D等[27]將乙酸鉛、乙酸鑭及異丙醇鋯等作為前驅體原料，以乙二醇甲醚作為溶劑經混合、脫水及濃縮等操作制備了0.1 μm的PZT薄膜，同時采用多層沉積技術，在保證較少裂紋的情況下得到了厚1 μm的PZT薄膜。Philippe等[28]選用乙酸鉛、正丙醇鋯、異丙醇鈦和乙二醇制備PZT前驅體溶液，經涂覆、退火得到了厚200 nm的無裂縫PZT單層膜，其介電常數可達900。

圖5 溶膠-凝膠法制備PZT薄膜

當薄膜厚為10～100 μm時，一般稱為壓電厚膜。PZT厚膜可廣泛應用于MEMS領域中，作為新型微結構執(zhí)行器，提供較大的驅動力。然而傳統(tǒng)的溶膠-凝膠法很難制備出超過厚3 μm的PZT膜。為了進一步提高PZT薄膜的性能，研究人員改進了傳統(tǒng)的溶膠-凝膠法，制備出了更具應用價值的PZT厚膜，其工藝流程如圖6所示[26]。對比圖5、6可看出，兩種工藝的不同之處主要是凝膠的制備。厚膜工藝通過在溶膠中添加少量的PZT納米粒子，得到了含有PZT粉末的前驅體溶液。Dauchy F等[29]利用溶膠-凝膠法結合納米級PZT粉末進行厚膜沉積，通過反復分層和滲透，在硅片上制備出了2～35 μm的PZT厚膜，同時各層間的應力水平達到最小。由于燒成溫度較低，該方法也可制備嵌入薄金屬電極(厚100 nm)的PZT薄膜。

圖6 溶膠-凝膠摻雜法制備PZT厚膜

1.2.2 化學氣相沉積法

化學氣相沉積法是近幾十年發(fā)展的無機材料制備工藝，通過氣態(tài)物質在氣固界面上的反應生成固態(tài)沉積物(如PZT薄膜)。氣溶膠沉積法作為化學氣相沉積法中的一種，具有高沉積速率、低工藝溫度和沉積過程無需蝕刻等優(yōu)點[30]，在MEMS技術和微量全分析系統(tǒng)中展現出廣闊的應用前景，氣溶膠沉積裝置如圖7所示[31]。首先，通過溶膠-凝膠法制備出所需的薄膜材料并研磨為直徑約?2 μm的PZT微粒；其次，將PZT微粒與惰性載流氣體混合后通過氣溶膠室形成流體；最后，利用流體管道與沉積室間的高壓差進行加速，通過噴嘴使PZT微粒與基體高速碰撞形成致密的薄膜。由于產生的薄膜由納米晶粒和非晶相組成，還需進行額外的后退火處理，從而促進晶粒生長提高薄膜結晶度，改善壓電性能[32]。

圖7 氣溶膠沉積裝置

由于氣溶膠沉積法是利用PZT微粒對基體的高速沖壓，所以得到的薄膜內部存在高壓應力。這種固有殘余應力將隨著薄膜厚度的增加而變大，從而對薄膜性能造成影響。Choi J J等[33]研究發(fā)現，利用氣溶膠沉積和后退火處理制備的薄膜厚度超過20 μm時會出現分層現象。為了消除這種高壓應力，他們將含有PZT微粒的有機物作為起始材料，在薄膜中引入了納米尺寸的微孔結構，獲得了厚20～100 μm、具有良好壓電性能的薄膜。

1.2.3 水熱合成法

水熱合成法制膜是一項具有很大潛力的液相成膜技術，在壓電厚膜領域有廣泛的應用，它模擬地下礦物質在高溫環(huán)境中成型的過程，通過人工制造高溫高壓環(huán)境，使在常溫常壓下難以溶解的物質發(fā)生進一步反應或重結晶，之后通過晶體生長階段制得PZT厚膜，其工藝流程如圖8所示。

圖8 水熱合成法制備PZT厚膜

將含有Ti、Zr、Pb(NO3)2的無機鹽與氧化物混合作為前驅體溶液，在低溫(150 ℃)條件下將其沉積于高壓釜的鈦基片，形成PZT晶核。PZT晶核在低溫(120 ℃)條件下具有較快的生長速度，經過重復生長制備出PZT厚膜。與其他制備方法(如溶膠-凝膠法)相比，水熱合成法具有所需溫度及壓力較小，不需要高溫燒結等優(yōu)點。因此，避免了高溫處理中可能出現的開裂及卷曲等成膜缺陷。

Kanda等[34]在140 ℃的低溫環(huán)境下通過水熱沉積制備出厚38 μm的PZT膜，其最大可承受應力為14.8 MPa，壓電應力常數e31可達0.34 C/m2。Ishikawa等[35]通過改變起始材料將鈦基片上的沉積速率提高到了7 μm/24 h，最終制備出厚50 μm的PZT膜，其壓電應變常數d31可達2.6×10-11m/V，楊氏模量可達2.2×1010N/m2。趙海波等[36]采用不同化學試劑對水熱合成法制備PZT膜的鐵電性、生長速率和密度進行了研究，結果發(fā)現，采用TiCl4試劑時所得壓電膜性能良好，介電常數為15×10-9F/m，生長速率為3 μm/次，平均密度為4 929 kg/m3。

1.2.4 磁控濺射法

與化學氣相沉積相比，物理氣相沉積技術具有沉積溫度低及薄膜成分無雜質等優(yōu)點?；瘜W氣相沉積一般在800～1 100 ℃的真空下進行，而物理氣相沉積溫度一般低于600 ℃。磁控濺射法作為物理氣相沉積技術中的一種，在最近50年得到了快速發(fā)展?，F有技術一般將氬氣作為反應氣體，靶材作為陰極，基片作為陽極。在濺射室內電子與氬原子碰撞產生氬離子，氬離子在電場的作用下以極快的速度轟擊陰極，從而使靶材發(fā)生濺射。濺射后的靶原子吸附于基片形成晶核，晶核成長并相互聯(lián)結得到所需薄膜。在此過程中，施加一個與電場垂直的正交磁場來約束電子的運動，使更多電子與氬原子發(fā)生碰撞，提高了電離效率，從而實現了高的沉積速率。由磁控濺射法制備的PZT薄膜具有表面粗糙度較低，壓電特性突出等優(yōu)勢。

為了進一步提高由磁控濺射法制備的PZT薄膜的性能，目前主要對靶材組分控制和濺射工藝參數設定進行研究。2012年，Wasa K等[37]選擇Pb(Mn,Nb)O3-Pb(Zr,Ti)O3作為靶材，制備出厚0.5～5 μm的PZT單晶薄膜，同時將鈣鈦礦結構鈮鎂酸鉛(PMN)作為弛豫劑，有效地改善了沉積薄膜的介電與壓電響應。該薄膜的相對介電常數為100～150，有效橫向壓電常數為-12 C/m2，在壓電MEMS領域具有潛在的應用前景。2018年，Zhao H等[38]研究了退火溫度對PZT薄膜性能的影響，并在工作壓力為3 Pa、Ar/O2氣體流量比為80/20、退火溫度為700 ℃的條件下制備出了厚430 nm的PZT薄膜。該薄膜表面光滑，在1 kHz下介電常數可達500，熱釋電系數可達0.033 μC·cm-2·K-1，可滿足在熱釋電紅外探測器中的應用要求。

1.2.5 脈沖激光沉積法

1987年，美國貝爾實驗室利用準分子激光成功制備出了高溫超導薄膜，自此脈沖激光沉積法得到科研界的重視。經過多年快速發(fā)展，脈沖激光沉積法已成為一種頗具優(yōu)勢的薄膜技術，具有薄膜組分易標定及沉積速率快等優(yōu)點，在熱學、光學與電子學等領域得到了廣泛的應用。脈沖激光沉積法制備PZT薄膜主要分3個階段：

1) 靶材等離子體的產生，具有高能量密度的激光照射于靶材局部表面使其快速升溫蒸發(fā)，形成所需等離子體。

2) 等離子體羽輝的形成，激光束與等離子體繼續(xù)作用在基底方向造成等溫膨脹，完成定向擴散運動。

3) 等離子體沉積于基底表面并繼續(xù)生長，得到所需PZT薄膜。由脈沖激光沉積法制備的PZT薄膜具有組分與靶材近似一致、雜相較少的優(yōu)點。

2010年，尚杰等[39]采用脈沖激光沉積法在對基底進行10°傾斜的條件下，完成了不同組分和摻雜的PZT薄膜的制備。當紫外激光能量密度為0.16 J/cm2時，摻雜了Na元素的PZT薄膜的激光感生熱電電壓峰值可達61 mV，比未摻雜時提升了近50%，為應用相關效應的器件研制提供了參考。2018年，李爭剛等[40]在GaAs基片上制備了復合緩沖層TiO2和STO，同時進一步研究了用脈沖激光沉積法制備PZT薄膜過程中氧分壓和基片溫度的影響。實驗結果表明，不采用緩沖層時PZT薄膜表面粗糙度較大，且有多個結晶取向，采用緩沖層且在550 ℃、15 Pa氧分壓條件下制備的PZT薄膜取向單一，剩余極化強度為24 μC/cm2，飽和極化為17 μC/cm2，矯頑磁場為300 kV/cm，同時短路電流和開路電壓分別達到了11.01 mA/cm2和0.22 V，為PZT薄膜在太陽能電池方面的應用提供了參考。

2 PZT觸覺傳感器的研究進展

1950年，工業(yè)界發(fā)現了PZT等壓電材料，PZT材料由于其各方面的優(yōu)異特性，而被廣泛應用于傳感器等領域。人工智能、機器人等概念的提出為PZT觸覺傳感器提供了一個更適合發(fā)展的平臺。為了應對工業(yè)化的需求，早日實現實際應用上的突破，各國研究人員圍繞PZT觸覺傳感器的材料優(yōu)化、結構優(yōu)化、柔彈性優(yōu)化和可擴展性優(yōu)化等方面進行了大量的研究。

2.1 PZT觸覺傳感器的材料優(yōu)化

觸覺包括法向靜力、拉伸應變、切向力和振動感知，所以壓力檢測是PZT觸覺傳感器的一個重要功能。在壓力檢測中，力的大小、位置與方向是最主要的信息，通過對PZT觸覺傳感器的材料進行優(yōu)化，可提高傳感器的靈敏度，更準確地獲知力的大小。傳統(tǒng)PZT材料具有高壓電、介電常數的優(yōu)點，但拉伸能力差；而壓電聚合物材料雖然可提供較好的機械靈活性與生物相容性，但通常具有壓電常數d33較低的缺點，如PVDF材料的d33為20～34 pC/N，遠低于PZT材料。因此，將PZT材料的高靈敏度與聚合物材料的高柔韌性相結合，可制備出具有不同連通性的復合材料。

2020年，Sappati K K等[41]制備了一種低成本的柔性PZT-PDMS壓電薄膜，全面提升了電壓響應、壓電常數等參數。一方面從極化原理出發(fā)，采用電暈極化的方式，作用于PZT顆粒中的偶極子，使PZT顆粒上的電壓降增加，提高了極化效率，未極化薄膜的最大電壓響應為1.14 V，而極化薄膜的最大電壓響應達到了4.7 V。另一方面從PZT顆粒含量出發(fā)，當PZT顆粒的體積分數φ(PZT)=28%時，此薄膜的d33可達78.33 pC/N，而PVDF材料d33僅20～34 pC/N。與此同時，隨著PZT顆粒摻雜量的增加，介電常數呈變大的趨勢，這表明可根據實際應用需求進行不同介電常數復合材料的定制。在以往的PZT-PDMS薄膜制備工藝基礎上，將不同濃度的PZT顆粒分散到PDMS溶液中，并通過攪拌、旋涂、固化和剝離等操作可制備出這種復合材料，圖9為φ(PZT)=28%的PZT薄膜截面的SEM圖像[41]。由圖可看出PZT顆粒均勻分布于PDMS溶液中。

圖9 φ(PZT)=28% PZT薄膜截面SEM圖

2017年，Khanbareh H等[42]制備了一種PZT-PU微孔復合薄膜，借助靈敏度與介電常數的相互關系，將壓電電壓敏感度提高到165 mV·m/N，與其他粒子復合傳感器相比敏感度更高。壓電電壓敏感度g33為

(7)

式中：d33為復合材料的壓電常數；εr為相對介電常數。

d33保持不變，通過降低聚合物基體的介電常數來提高壓電電壓敏感度。材料采用了均勻球形微孔結構，提高了孔隙率，從而降低了介電常數。同時，通過發(fā)泡過程向聚合物樹脂中加入氣相，有效地降低了介電常數，在氣體體積分數為56%時，介電常數從11.1降低為4.2，降低了62%。PZT在孔壁上的介電泳微孔復合結構有助于降低介電常數。

2.2 PZT觸覺傳感器的結構優(yōu)化

在壓力檢測中，優(yōu)化PZT觸覺傳感器的結構可提高傳感器的準確度，更準確地獲知力的位置與方向。單個傳感器只能檢測一個位置的壓力，所以通常用傳感器陣列實現大面積壓力分布檢測。Acer M等[43]設計了一個1×3 PZT傳感器陣列并嵌入硅材料，在保證較高空間分辨率和靈敏度的前提下，實現了對受力位置的連續(xù)定位檢測。該傳感器的空間分辨率為5 mm，在脈沖力0～1 N下具有線性特性，靈敏度為0.578～0.821 V/N，同時傳感器的可重復性約為95.65%。觸覺傳感器由3個PZT單元和5層結構組成，如圖10所示[43]。其中，每個PZT單元的大小為4 mm×4 mm，為了保證區(qū)分每個PZT單元的信號，間隔設置為5 mm。經過模具貼附、激光切割、濕法刻蝕、導電膏焊接和嵌入硅膠等步驟，具有5層結構的觸覺傳感器制作完成，如圖11所示[43]。從PZT1的中心沿縱向向PZT3施加1 N的壓力，3個PZT單元的輸出電壓如圖12所示[43]。從3個PZT單元的峰-峰值電壓響應可看出，雖然PZT單元以離散形式存在，但由于嵌入了硅膠材料，可實現連續(xù)的壓力定位。

圖10 觸覺傳感器PZT層及整體結構

圖11 觸覺傳感器實物展示

圖12 相對于力方向的PZT響應

2.3 PZT觸覺傳感器的柔彈性優(yōu)化

一種物體受力發(fā)生形變的程度通常用彈性模量來衡量，彈性模量越大，越不易發(fā)生形變，即剛性越強。為了提高觸覺傳感器的柔彈性，各個組成部分應盡量選用彈性模量小的材料。Liu Y等[44]用石墨烯、PZT和PDMS合成了一種三元復合傳感器，該傳感器厚為1.2 mm，可檢測2.5 kPa～0.15 MPa的應力，并成功將彈性模量降至約1 MPa。圖13為石墨烯壓電橡膠器件結構及相關展示[44]。在圖13(a)所示的傳感器結構中，唯一具有較高彈性模量的部分為Au電極。此電極采用了圖13(d)所示的對稱蛇形結構，具有較好的力學性能，保證了很大的可拉伸性。該傳感器在無縫貼合于人體皮膚后，仍可保持良好的工作性能，如圖13(e)所示。將該傳感器貼附于膝蓋并彎曲135°時，測得最大開路電壓為1.2 V，短路電流為2.6 μA。

圖13 石墨烯壓電橡膠器件結構及相關展示

Liu Y等雖然實現了具有較高柔彈性觸覺傳感器的制作，但由于其電極設計為橫向條紋塊狀，僅在單一方向具有可拉伸性。在此基礎上，姚寬明等[45]優(yōu)化了電極設計，改進的M型蛇紋線結構叉指電極如圖14(b)所示，實現了器件的橫向、縱向拉伸及扭轉彎曲變形。同時進一步簡化了結構，去除了原有結構中的PI層，使傳感器厚度由1.2 mm降低至0.4 mm，更具無感穿戴的優(yōu)勢。在電學性能方面，該傳感器可檢測2.84～11.72 kPa內的外力，當手指敲擊時最大輸出功率為14.68 μW，功率密度為729 μW/cm3。在力學性能方面，當拉伸率小于10%時對電能輸出無明顯影響，當兩個方向的拉伸率為20%時，可保持未拉伸狀態(tài)80%的電能輸出。

圖14 柔性電子皮膚器件結構及相關展示

2.4 PZT觸覺傳感器的可擴展性優(yōu)化

觸覺傳感器的實際應用對其可擴展性提出了更高的要求。在各個場景中，單個單元傳感器難以滿足應用需求，大面積、高密度、長連續(xù)已成為新的研究方向。2020年，Liu Y等[46]提出了一種高通量制造工藝，制造出一種高密度PZT觸覺傳感器，傳感單元密度可達25 個/cm2。該傳感器應力檢測范圍為0.5～110.4 kPa，靈敏度為20 pC/N。當施加外力為87.5 kPa時，最大響應電壓可達5.2 V。如圖15(a)、(b)所示[46]，將PZT納米顆粒與PDMS混合后，通過絲網印刷的方式與特殊結構的電極基板相結合，得到了高密度的電子皮膚。該電子皮膚在2 cm×2 cm區(qū)域內集成了100個單元傳感器，如圖15(c)所示，保證高密度的同時，實現了高靈敏、高耐久及高柔彈性。

圖15 高密度PZT觸覺傳感器及相關展示

在大規(guī)模觸覺傳感器陣列中，信號串擾影響較大。當信號變化速度較快時，將引起較大的噪聲。為了減少信號串擾，通常在傳感器信號處理電路部分對噪聲進行抑制[47-51]。為了進一步降低信號串擾的影響，Chen Y Q等[52]從結構設計出發(fā)，將壓電膜進行隔離，減少了相鄰單元間的信號串擾。如圖16所示[52]，利用溶膠-凝膠法制備出PZT薄膜后，將其刻蝕為間隔100 μm的壓電陶瓷細胞，隨后采用化學氣相沉積技術將厚200 nm的SiO2附著于PZT單元上，實現了相鄰單元的隔離。Chen Y Q等用此壓電膜制造了一種微機械超聲換能器，其諧振頻率可達24.82 Hz，有效機電耦合系數為0.129 3，機械品質系數可達198。

圖16 高密度傳感器陣列制作流程

3 PZT觸覺傳感器的應用

3.1 運動檢測方面的應用

人工智能技術的進步給大量行業(yè)帶來了新的發(fā)展思路。由于天氣、路況、人為等因素導致傳統(tǒng)的汽車駕駛事故發(fā)生率較高，在汽車駕駛方面應用人工智能技術可降低事故發(fā)生率。目前，智能駕駛中通過計算機視覺技術來對司機的疲勞情況進行監(jiān)測，然而由于圖像分辨率及異常遮擋等影響，在部分場景中這種技術不可靠。近期，Chaofeng等[53]運用MEMS工藝和轉印技術制造了一種用于眼疲勞檢測的超薄柔性PZT傳感器。此傳感器厚約10 μm，對眼瞼的整體抗彎剛度僅0.69×10-4。同時，在端到端位移為2.5 mm、外部激勵為4 Hz三角波的條件下，傳感器響應電壓峰谷值可達200 mV。該傳感器直接與眼瞼貼合，避免了外部干擾，具有高耐久、高靈敏度快速響應的優(yōu)點。如圖17所示[53]，通過測量電壓與實時眼瞼運動的對應關系，可識別長時間閉合、快速眨眼及長時間凝視3種典型疲勞狀態(tài)。

圖17 眼瞼運動監(jiān)測及理論預測

步態(tài)檢測是繼人臉識別、指紋識別等常規(guī)生物識別技術后的新興技術，具有更高的準確性、環(huán)境適應性等優(yōu)勢。與此同時，步態(tài)檢測也可用于醫(yī)療健康領域，輔助術后康復、日常監(jiān)測等。2019年，Zhu M等[54]研制了一款采用壓電和摩擦電混合機制的多功能襪，集成了摩擦納米發(fā)電機(TENG)和PZT觸覺傳感器，具有自供電的能力。該多功能襪靈敏度為0.06 V/N，輸出功率為1.71 mW，功率密度為11 μW/cm2。在負載電阻0.4 MΩ、外力12 N的條件下，單個PZT單元的最大輸出功率為32 μW，最大功率密度為128 μW/cm2。該產品可檢測出多種典型步態(tài)并加以識別,如圖18所示[54]，同時，Zhu M等研究了不同體重人群對于輸出信號的影響，證明了多功能襪的檢測范圍寬。此外，他們將該產品用于帕金森患者，成功檢測出正常步幅、步態(tài)紊亂及無步幅情況下的步態(tài)。

圖18 正常人與帕金森患者室內步態(tài)檢測

3.2 在醫(yī)療健康方面的應用

隨著機器人視覺、人機接口技術和多傳感器信息融合等技術的發(fā)展，機器人在醫(yī)療領域的應用也越來越廣泛。與傳統(tǒng)外科手術相比，微創(chuàng)手術機器人有視野良好，對人體傷害低及不易感染等天然優(yōu)勢。目前，達芬奇手術機器人在世界上應用最廣，占據了絕對壟斷地位。然而，最新一代的達芬奇手術機器人仍沒有一套較成熟的機器人觸覺解決方案，各國研究人員對此進行不斷地探索。2019年，Yun Y等[55]提出了一種用于機器人微創(chuàng)手術中檢測病變組織剛度的微型PZT共振觸覺傳感器，具有尺寸小，成本低及易殺菌的特點，接觸深度控制精度為0.1 mm。如圖19所示[55]，該傳感器使用了獨特的阿基米德螺旋結構，當用探針接觸不同組織時，系統(tǒng)共振頻率發(fā)生偏移，導致PZT雙晶片的電阻抗發(fā)生變化。通過檢測PZT雙晶片電阻抗的變化，可對腫塊進行定位。Yun Y等的實驗中，當樣品楊氏模量為50 kPa時，該傳感器系統(tǒng)諧振頻率為365 Hz，PZT晶片電阻抗可達7×104Ω；當樣品楊氏模量為500 kPa時，該傳感器系統(tǒng)諧振頻率為675 Hz，PZT晶片電阻抗可達3.9×104Ω，成功實現了對不同腫塊的定位。

圖19 觸覺傳感器原型

可植入電子設備為醫(yī)療提供了一個新途徑，通過這些設備可更便捷地對人體狀況進行監(jiān)測或調節(jié)機體活動。納米技術的飛速發(fā)展使可植入電子設備的體積越來越小，但這也使設備的能量供應成為新的挑戰(zhàn)。由于壓電效應的存在，利用柔性觸覺傳感器可將人體內普遍存在的機械能轉化為電能，達到自供電的特性。Lu B等[56]研發(fā)了一種基于PZT的超柔性能量采集器，其厚度為75 μm，彈性模量為2.83 GPa，單位厚度的彎曲剛度僅為常見醫(yī)用滌綸的3.95%。將該傳感器固定于左心室尖到右心室，在心跳和呼吸頻率分別為1.25×102bpm、21 bpm的條件下，響應電壓峰-峰值約為3 V，能夠滿足可植入醫(yī)療設備的功率要求(2.4～2.8 V)。如圖20所示[56]，當心臟發(fā)生舒張時，觸覺傳感器發(fā)生相應形變，并將產生的電能通過高級通信功能(ACF)柔性電纜輸出。同時，由于該傳感器的超柔性，不會對心臟產生額外的機械負擔，進一步證明了該傳感器用于能量收集的可行性。

圖20 心臟舒張期的傳感器圖像

3.3 在人機交互方面的應用

人機交互實現了人與機器間的信息傳遞，可幫助使用者更直觀、有效地完成所需操作。視覺識別和聽覺識別是人機交互中重要的解決方案，但都難以實現精細化的感知。觸覺識別具有高精度的特點，可作為人機交互中的一種重要補充方案。2020年，Zhu M等[57]研制了一款觸覺反饋智能手套，當外部應力為3.5 N時，傳感器電壓輸出約為0.5 V，響應時間為30～40 ms。利用PZT柔性觸覺芯片的逆壓電效應在頻率270 Hz，外部激勵6～10 V的條件下，實現了對虛擬觸覺的反饋，建立了棒球事件中的沉浸式體驗。如圖21所示[57]，在手指根部安裝5個PZT柔性觸覺芯片，當虛擬觸覺事件發(fā)生時，將脈寬調制(PWM)輸入通過PZT芯片轉換為機械刺激，同時設置了3個強度等級，實現了虛擬網球游戲中對握棒、輕擊、重擊和松手等行為的識別。

圖21 智能手套中的PZT觸覺刺激

傳統(tǒng)的人機交互依賴于鍵盤、鼠標等輸入設備，是人與機器進行信息傳遞的直接橋梁，然而由于可傳遞的信息種類單一、信息傳遞速度慢等缺點無法應用于復雜的任務中。利用手勢識別技術可充分提高人機交互中的可操作性，并使個人經驗得到最直接的體現。2018年，Yi Z等[58]展示了一種基于PZT的高靈敏度柔性壓電傳感器，該傳感器壓電層厚度為50 μm，靈敏度約10 V/N，響應時間為11 ms。同時，該傳感器監(jiān)測到的動脈脈沖電壓幅度可達180 mV，與之前的PZT薄膜(100 mV)相比提高了約1倍，可用于健康監(jiān)測、手勢識別等領域，對手部細微動作進行很好的識別。將該傳感器置于人體橈動脈處，分別以15 次/min和40 次/min的速度鍵入單詞“FACE”。如圖22所示[58]，當速度較慢時，不同信號可被清晰地識別；當速度較快時，不同信號出現了混疊現象，此時根據不同信號的特征峰可將不同的動作提取出來。

圖22 不同速度下的信號提取

4 PZT觸覺傳感器的不足及未來趨勢

圍繞PZT觸覺傳感器的材料優(yōu)化、結構優(yōu)化、柔彈性優(yōu)化和可擴展性優(yōu)化4方面，研究人員進行了大量的工作，并取得了跨越式的發(fā)展，然而一些關鍵技術也遇到了瓶頸，需要進一步攻克：

1) PZT材料的放電特性導致其無法用于靜態(tài)力的測量。盡管已有團隊提出了一種靜態(tài)力測量的新方法，但仍無法得到所施加應力的位置及三維方向。如何同時實現三維靜態(tài)力和動態(tài)力的檢測是未來一個主要的研究方向。

2) 為了達到更好的性能，關于復合PZT材料的研究較多，但大多采用較復雜且非常規(guī)的生產步驟，導致成本較高，無法用于批量生產。同時，相對于新材料，目前在新結構方面的研究較少，未來在新材料工藝簡化和新結構實際應用方面的研究十分必要。

3) 納米技術的飛速發(fā)展使傳感器的性能表現越來越優(yōu)異，與之相比電源技術較落后。大多數傳感器目前都采用外部供電方式，影響了器件的便攜性。盡管已提出自供電的觸覺傳感器，但都降低了器件的柔彈性，未來可在自供電能力的持久穩(wěn)定性、兼顧器件的自供電和柔彈性等方向做進一步工作。

4) 觸覺傳感器的大面積制備是未來的發(fā)展趨勢，但高密度的傳感單元會導致信號串擾，難以消除，對信號的采集處理提出更高要求。目前已有電容傳感器采用m+n陣列結構，消除了信號串擾的影響，未來或許可進行借鑒將其運用到壓電傳感器中。

5) 人體的觸覺感知包括壓力、溫度和濕度等，現有觸覺傳感器大多數只能實現單一功能的感知，無法實現真正的“觸覺”。通過多傳感器融合的技術實現PZT觸覺傳感器的多功能感知將是未來商業(yè)應用中的一個突破點。

6) 各方面技術的發(fā)展使現有PZT觸覺傳感器大多具有較高的靈敏度，可實現對微弱力的感知，但這種精細感知大多局限于一個較小的量程中[59]。可同時兼顧高靈敏度和寬檢測范圍的觸覺傳感器需進一步深入研究。

5 結束語

PZT材料及其復合物具有穩(wěn)定性好，易摻雜改性，靈敏度高，響應速度快及壓電常數大等優(yōu)點，在觸覺傳感器領域有著不可忽略的價值與潛力。隨著材料科學，尤其是納米材料的出現，PZT材料可很好地改善傳統(tǒng)的易脆性等缺點。然而在商業(yè)化進程中，基于PZT的觸覺傳感器仍有著成本較高、功能集成單一、高密度陣列信號串擾等一系列問題亟待解決。相信未來PZT觸覺傳感器會兼顧自供電、自修復、自清潔等功能，以體積小、性能高的優(yōu)勢應用于各種復雜環(huán)境中。