觸覺是人類認知外界的重要感知途徑，觸覺傳感器也是機器與人、與外界進行交互和感知的重要手段。目前人們已研發(fā)出多種基于不同原理制成的觸覺傳感器，主要分為壓阻式、電容式、壓電式、摩擦電式、光學式和磁力式等。壓電式觸覺傳感器憑借著自發(fā)電、高柔韌性、高靈敏度等優(yōu)點在觸覺傳感器領域占據重要地位。目前壓電式觸覺傳感器在電子皮膚、醫(yī)療檢測、力學檢測和觸覺檢測等方面都有廣泛的應用，特別是在結合人工智能（AI）后，使壓電式觸覺傳感器的準確性得到進一步提高。

據麥姆斯咨詢報道，針對壓電式觸覺傳感器的研究進展，北京信息科技大學傳感器重點實驗室高國偉教授等人進行了綜述分析，簡述了有機、無機壓電材料在壓電性能和機械性能上的優(yōu)劣，對壓電材料的改進與制備工藝進行了評述，重點闡述了通過改進結構和使用復合材料的方式提升壓電式觸覺傳感器性能的相關研究，以及壓電觸覺傳感器在醫(yī)療診斷、電子皮膚、人工智能、三維力監(jiān)測方面的應用進展，最后對壓電式觸覺傳感器的發(fā)展進行了總結與展望。相關內容以“壓電式觸覺傳感器的優(yōu)化與應用的研究進展”為題發(fā)表在《微納電子技術》期刊。

壓電式觸覺傳感器

壓電式觸覺傳感器使用的壓電材料分為無機材料、有機材料和復合材料，無機壓電材料一般采用鋯鈦酸鉛（PZT）、鈦酸鋇（BaTiO3）、鈦酸鉛（PbTiO3）和鈮酸鋰（LiNbO3）等，有機材料采用聚偏二氟乙烯（PVDF）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）等。PZT這類無機壓電材料有著較高的壓電參數，但也有著過脆的特點，并且張力較弱，這使其在要求柔性的領域受到較大限制。而PVDF有著較高的柔韌性且質量輕，在隨身穿戴等要求一定柔性的領域有著較好的應用，同時其還有較好的壓電與熱釋電性能，不過在靈敏度和壓電性能方面都不及PZT等無機壓電材料。而復合壓電材料可以將無機壓電材料與有機壓電材料的各自的優(yōu)點，即高壓電性能和高柔韌性結合起來，并彌補二者的缺陷。

目前商業(yè)上常用的壓電傳感器基本上具有扁平或者纖維狀的結構，因此僅限于使用單一的壓電常數來進行機電耦合。壓電材料在3D打印時可從3D設計中獲得改進的機電響應，提高了輸出電壓，從而提高了器件的靈敏度。在壓電材料的改進與制備工藝方面，研究人員們已開展了多種方法研究，包括摻雜鈦酸鋇納米粒子的聚偏二氟乙烯纖維的制備方法、含不同體積分數鋯鈦酸鉛的聚二甲基硅氧烷復合薄膜的制備方法、可3D打印不進行極化具備一定壓電性能的壓電傳感器系統(tǒng)、通過長絲擠壓技術制備液晶聚合物-鋯鈦酸鉛復合材料的制備方法等。

在壓電式觸覺傳感器的設計優(yōu)化方面，通過增加新結構，可以拓展壓電式觸覺傳感器的功能，增強其性能。2020年，J.Wang等人基于Z.L.Wang研究團隊利用壓電材料的機械響應產生的壓電勢代替FET的柵極電壓，設計了一種高性能、高能效、全柔性的壓電式觸覺傳感器，該傳感器中的PVDF陣列與并五苯晶體管并聯(lián)耦合，其結構如圖1所示。這種傳感器的壓力靈敏度、檢測極限和響應時間分別為5.17 kPa?1、175 Pa和150 ms，而且節(jié)能、靈活、性能優(yōu)異，同時可以識別不同的質量（10 ~ 200 g）和實時檢測手腕的彎曲程度（0° ~ 90°）。

圖1 壓電晶體管組成的示意圖

壓電式觸覺傳感器的應用

觸覺表面紋理中存在3個獨立的維度：粗糙度、硬度和反映擠壓彈性的第三種維度，其中粗糙度是表面紋理的主要感知維度，在人類和機器人的觸覺對象感知中起著重要作用。2021年，K.Kim等人開發(fā)了一個觸覺化身系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用人類對應的觸覺決策進行訓練，能夠做出類似于人類的觸覺決策，如圖2所示，包括一個由壓電材料制成的多陣列觸覺傳感器，以及一個基于人類觸覺認知的深度學習網絡。其傳感器有著與人類皮膚觸覺感受器相同的分辨率。

圖2 觸覺化身系統(tǒng)示意圖

從現(xiàn)實環(huán)境的復雜條件下獲取所需的觸覺信息十分重要。通常的觸覺傳感器只能提供力的大小，無法提供力的方向來源，可以識別三維力的觸覺傳感器已經成為一個新的研究熱點。2021年，張艷芳等人設計了一款基于PVDF的三維力傳感器，可以實現(xiàn)動態(tài)三維力測量。不同于傳統(tǒng)的四棱臺結構，張艷芳等人的設計采用了3個PVDF傳感器，其相互間夾角為120°，外層受力介質為直徑3 cm的PDMS半球，結構如圖3所示。

圖3 三維力傳感器結構示意圖

對于電子皮膚的材料，可以通過機械拋光或化學手段使固體材料的厚度大大減小以獲得足夠的柔性，但這一過程往往過于成本高且復雜，并不實用。電子皮膚受到現(xiàn)有制備技術等方面的限制，薄膜器件的單位密度依然較低。2020年，Y.M.Liu等人提出了一種大型高通量的觸覺傳感器陣列的制備方法，采用該方法制備的PZT觸覺傳感器陣列具有高分辨率，可以簡化數據采集從而降低成本。制備的具有4 × 4陣列的電子皮膚示意圖如圖4所示，該傳感器陣列在多種手部運動以及壓力傳感場景中展現(xiàn)了高分辨率和高準確性的特點。

圖4 具有4 × 4陣列的電子皮膚示意圖

人類活動監(jiān)測系統(tǒng)（HAMS）可以監(jiān)測心電圖、體表溫度等數據，并通過無線傳輸將數據傳輸至云端或者計算機，這使醫(yī)生可以快速及時地對佩戴者身體數據進行評估。在HAMS系統(tǒng)中增加觸覺功能，即可穿戴系統(tǒng)通過觸摸或振動來刺激佩戴者。觸覺傳感器與觸覺裝置的結合，可以實現(xiàn)HAMS與佩戴者之間的雙向、直接溝通，佩戴者可立即收到信息。K. Kanda等人研制了一種新型低功耗的微型觸覺裝置，可以給人振動刺激，該裝置由PZT薄膜及聚合物組成。裝置結構如圖5所示。聚合物和PZT結合可提高耐久性，所制備的觸覺裝置具有低電壓、低功耗的特點。

圖5 觸覺裝置結構示意圖

研究展望

近期無鉛壓電材料受到更多關注，同時對其的研究也取得了不小的進展，純鈦酸鋇（BTO）和鈮酸鉀鈉（KNN）陶瓷的壓電常數要比PZT基陶瓷的低得多，隨著研究的進展（諸如進一步研究納米疇等對無鉛材料壓電性能的影響），經過改良后的BTO、KNN和鈦酸鉍鈉（BNT）基陶瓷的壓電性能已經得到了很大提高。

對壓電式傳感器結構的改進以及引入其他技術和多傳感器相結合，使傳感器能檢測到的數據種類得到增加，這方面仍是未來研究的趨勢，通過獲取更多信息能進一步提高傳感器的準確性并拓寬應用場景。而對于提高傳感器的準確性，傳感器采取陣列式分布，可以為交叉驗證獲得的信號搭建一個理想的平臺，從而減少信號中的隨機噪聲和系統(tǒng)噪聲，進而提高準確性。

展望未來，壓電式觸覺傳感器有著極大的發(fā)展?jié)摿?，將會朝向智能化、小型化、高靈敏度、多信息化和自供能方向發(fā)展，而諸如3D打印、人工智能等新技術，以及復合材料、無鉛材料等新材料與新型傳感器結構相結合，更進一步為壓電式觸覺傳感器的發(fā)展拓寬了道路。

審核編輯：劉清