基于PZT的壓電觸覺(jué)傳感器的研究進(jìn)展綜述

觸覺(jué)傳感器作為機(jī)器觸覺(jué)不可缺少的一部分，可將外界環(huán)境狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀粶y(cè)量的電信號(hào)，達(dá)到壓力檢測(cè)、溫濕度感知及材質(zhì)預(yù)測(cè)等目的，實(shí)現(xiàn)與人類(lèi)皮膚相似的效果。鋯鈦酸鉛（PZT）由于具有靈敏度高、響應(yīng)速度快及壓電常數(shù)大等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于觸覺(jué)傳感器及超聲換能器等領(lǐng)域。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，針對(duì)基于PZT的壓電式觸覺(jué)傳感器的研究進(jìn)展，北京信息科技大學(xué)傳感器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高國(guó)偉教授等人進(jìn)行了綜述分析，闡述了基于PZT的觸覺(jué)傳感器的原理及制作工藝，并從材料優(yōu)化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、柔彈性?xún)?yōu)化和可擴(kuò)展性?xún)?yōu)化四個(gè)方面概述了PZT觸覺(jué)傳感器的研究進(jìn)展，討論了其在運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、醫(yī)療健康和人機(jī)交互領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，最后對(duì)PZT觸覺(jué)傳感器的不足和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析。相關(guān)內(nèi)容以“基于PZT的壓電觸覺(jué)傳感器的研究進(jìn)展”為題發(fā)表在《壓電與聲光》期刊。

PZT觸覺(jué)傳感器的工作原理及制作工藝

PZT是一種人造多晶壓電材料，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能的雙向轉(zhuǎn)換。當(dāng)施加固定方向應(yīng)力時(shí)，材料發(fā)生形變，內(nèi)部發(fā)生電極化現(xiàn)象。如圖1所示。PZT觸覺(jué)傳感器的制作關(guān)鍵是PZT壓電薄膜的制備，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，一般由上下電極、PZT薄膜、連接層和基底構(gòu)成。

圖1 PZT極化過(guò)程

圖2 PZT觸覺(jué)傳感器結(jié)構(gòu)

隨著薄膜技術(shù)的不斷進(jìn)步，研究人員已開(kāi)發(fā)出多種PZT壓電薄膜制備方法，其中溶膠－凝膠法、化學(xué)氣相沉積法、水熱合成法、磁控濺射法和脈沖激光沉積法應(yīng)用較廣。（1）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(lèi)型的離子溶液，有利于復(fù)合材料的制備，且還具有價(jià)格低及可大面積制備等優(yōu)點(diǎn)。（2）化學(xué)氣相沉積法是近幾十年發(fā)展的無(wú)機(jī)材料制備工藝，通過(guò)氣態(tài)物質(zhì)在氣固界面上的反應(yīng)生成固態(tài)沉積物（如PZT薄膜）。氣溶膠沉積法作為化學(xué)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(guò)程無(wú)需蝕刻等優(yōu)點(diǎn)，在MEMS技術(shù)和微量全分析系統(tǒng)中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。（3）水熱合成法制膜是一項(xiàng)具有很大潛力的液相成膜技術(shù)，在壓電厚膜領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，它模擬地下礦物質(zhì)在高溫環(huán)境中成型的過(guò)程，通過(guò)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(zhì)發(fā)生進(jìn)一步反應(yīng)或重結(jié)晶，之后通過(guò)晶體生長(zhǎng)階段制得PZT厚膜。（4）磁控濺射法作為物理氣相沉積技術(shù)中的一種，在最近50年得到了快速發(fā)展。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(shì)。（5）脈沖激光沉積法作為一種頗具優(yōu)勢(shì)的薄膜技術(shù)，具有薄膜組分易標(biāo)定及沉積速率快等優(yōu)點(diǎn)，在熱學(xué)、光學(xué)與電子學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

PZT觸覺(jué)傳感器的研究進(jìn)展

人工智能（AI）、機(jī)器人等概念的提出為PZT觸覺(jué)傳感器提供了一個(gè)更適合發(fā)展的平臺(tái)。為了應(yīng)對(duì)工業(yè)化的需求，早日實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用上的突破，研究人員們圍繞PZT觸覺(jué)傳感器的材料優(yōu)化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、柔彈性?xún)?yōu)化和可擴(kuò)展性?xún)?yōu)化等方面進(jìn)行了大量的研究。

在材料方面，通過(guò)對(duì)PZT觸覺(jué)傳感器的材料進(jìn)行優(yōu)化，可提高傳感器的靈敏度，更準(zhǔn)確地獲知力的大小。壓電聚合物材料可提供較好的機(jī)械靈活性與生物相容性，將PZT材料的高靈敏度與聚合物材料的高柔韌性相結(jié)合，可制備出具有不同連通性的復(fù)合材料。

圖3 Sappati K K等人制備的柔性PZT-PDMS壓電薄膜截面SEM圖

在結(jié)構(gòu)方面，通過(guò)優(yōu)化PZT觸覺(jué)傳感器的結(jié)構(gòu)可提高傳感器的準(zhǔn)確度，更準(zhǔn)確地獲知力的位置與方向。單個(gè)傳感器只能檢測(cè)一個(gè)位置的壓力，所以通常用傳感器陣列實(shí)現(xiàn)大面積壓力分布檢測(cè)。

圖4 Acer M等人設(shè)計(jì)的1 × 3 PZT傳感器陣列

在彈性?xún)?yōu)化方面，通?？梢允褂脗鞲衅麝嚵袑?shí)現(xiàn)大面積壓力分布檢測(cè)。一種物體受力發(fā)生形變的程度通常用彈性模量來(lái)衡量，彈性模量越大，越不易發(fā)生形變，即剛性越強(qiáng)。為了提高觸覺(jué)傳感器的柔彈性，各個(gè)組成部分應(yīng)盡量選用彈性模量小的材料。

圖5 姚寬明等人提出的柔性電子皮膚器件結(jié)構(gòu)及相關(guān)展示

此外，觸覺(jué)傳感器的實(shí)際應(yīng)用對(duì)其可擴(kuò)展性提出了更高的要求。在各個(gè)場(chǎng)景中，單個(gè)單元傳感器難以滿(mǎn)足應(yīng)用需求，大面積、高密度、長(zhǎng)連續(xù)已成為新的研究方向。

圖6 Liu Y等人提出的高密度PZT觸覺(jué)傳感器及相關(guān)展示

PZT觸覺(jué)傳感器的應(yīng)用

PZT觸覺(jué)傳感器在運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、醫(yī)療健康、人機(jī)交互等方面具有重要應(yīng)用價(jià)值。在運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方面，步態(tài)檢測(cè)是繼人臉識(shí)別、指紋識(shí)別等常規(guī)生物識(shí)別技術(shù)后的新興技術(shù)，具有更高的準(zhǔn)確性、環(huán)境適應(yīng)性等優(yōu)勢(shì)。與此同時(shí)，步態(tài)檢測(cè)也可用于醫(yī)療健康領(lǐng)域，輔助術(shù)后康復(fù)、日常監(jiān)測(cè)等。

圖7 Zhu M等人提出的多功能襪用于步態(tài)檢測(cè)

在醫(yī)療健康領(lǐng)域，可植入電子設(shè)備為醫(yī)療提供了一個(gè)新途徑，通過(guò)這些設(shè)備可更便捷地對(duì)人體狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)或調(diào)節(jié)機(jī)體活動(dòng)。納米技術(shù)的飛速發(fā)展使可植入電子設(shè)備的體積越來(lái)越小，但這也使設(shè)備的能量供應(yīng)成為新的挑戰(zhàn)。由于壓電效應(yīng)的存在，利用柔性觸覺(jué)傳感器可將人體內(nèi)普遍存在的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，達(dá)到自供電的特性。

圖8 Lu B等人提出的基于PZT的超柔性能量采集器用于心臟能量采集

人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)了人與機(jī)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(jué)識(shí)別和聽(tīng)覺(jué)識(shí)別是人機(jī)交互中重要的解決方案，但都難以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的感知。觸覺(jué)識(shí)別具有高精度的特點(diǎn)，可作為人機(jī)交互中的一種重要補(bǔ)充方案。

圖9 Zhu M等人提出的觸覺(jué)反饋智能手套

研究展望

PZT材料及其復(fù)合物具有穩(wěn)定性好、易摻雜改性、靈敏度高、響應(yīng)速度快及壓電常數(shù)大等優(yōu)點(diǎn)，在觸覺(jué)傳感器領(lǐng)域有著不可忽略的價(jià)值與潛力。隨著材料科學(xué)，尤其是納米材料的出現(xiàn)，PZT材料可很好地改善傳統(tǒng)的易脆性等缺點(diǎn)。雖然基于PZT的觸覺(jué)傳感器已經(jīng)取得了跨越式的發(fā)展，但目前仍有一些關(guān)鍵技術(shù)需要進(jìn)一步攻克，包括成本較高、功能集成單一、高密度陣列信號(hào)串?dāng)_等一系列問(wèn)題亟待解決。相信隨著研究的深入和技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)PZT觸覺(jué)傳感器將會(huì)兼顧自供電、自修復(fù)、自清潔等功能，以體積小、性能高的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用于各種復(fù)雜環(huán)境中。

審核編輯：劉清