觸覺傳感器作為機器觸覺不可缺少的一部分，可將外界環境狀態轉變為可被測量的電信號，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。鋯鈦酸鉛（PZT）由于具有靈敏度高、響應速度快及壓電常數大等優點，被廣泛應用于觸覺傳感器及超聲換能器等領域。

據麥姆斯咨詢報道，針對基于PZT的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，闡述了基于PZT的觸覺傳感器的原理及制作工藝，并從材料優化、結構優化、柔彈性優化和可擴展性優化四個方面概述了PZT觸覺傳感器的研究進展，討論了其在運動檢測、醫療健康和人機交互領域的實際應用，最后對PZT觸覺傳感器的不足和未來發展趨勢進行了分析。相關內容以“基于PZT的壓電觸覺傳感器的研究進展”為題發表在《壓電與聲光》期刊。

PZT觸覺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，材料發生形變，內部發生電極化現象。如圖1所示。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2所示，一般由上下電極、PZT薄膜、連接層和基底構成。

圖1 PZT極化過程

圖2 PZT觸覺傳感器結構

隨著薄膜技術的不斷進步，研究人員已開發出多種PZT壓電薄膜制備方法，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。（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點。（2）化學氣相沉積法是近幾十年發展的無機材料制備工藝，通過氣態物質在氣固界面上的反應生成固態沉積物（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點，在MEMS技術和微量全分析系統中展現出廣闊的應用前景。（3）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境中成型的過程，通過人工制造高溫高壓環境，使在常溫常壓下難以溶解的物質發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。（4）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、壓電特性突出等優勢。（5）脈沖激光沉積法作為一種頗具優勢的薄膜技術，具有薄膜組分易標定及沉積速率快等優點，在熱學、光學與電子學等領域得到了廣泛的應用。

PZT觸覺傳感器的研究進展

人工智能（AI）、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展的平臺。為了應對工業化的需求，早日實現實際應用上的突破，研究人員們圍繞PZT觸覺傳感器的材料優化、結構優化、柔彈性優化和可擴展性優化等方面進行了大量的研究。

在材料方面，通過對PZT觸覺傳感器的材料進行優化，可提高傳感器的靈敏度，更準確地獲知力的大小。壓電聚合物材料可提供較好的機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合，可制備出具有不同連通性的復合材料。

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

在結構方面，通過優化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。

圖4 Acer M等人設計的1 × 3 PZT傳感器陣列

在彈性優化方面，通常可以使用傳感器陣列實現大面積壓力分布檢測。一種物體受力發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。

圖5 姚寬明等人提出的柔性電子皮膚器件結構及相關展示

此外，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、長連續已成為新的研究方向。

圖6 Liu Y等人提出的高密度PZT觸覺傳感器及相關展示

PZT觸覺傳感器的應用

PZT觸覺傳感器在運動檢測、醫療健康、人機交互等方面具有重要應用價值。在運動檢測方面，步態檢測是繼人臉識別、指紋識別等常規生物識別技術后的新興技術，具有更高的準確性、環境適應性等優勢。與此同時，步態檢測也可用于醫療健康領域，輔助術后康復、日常監測等。

圖7 Zhu M等人提出的多功能襪用于步態檢測

在醫療健康領域，可植入電子設備為醫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測或調節機體活動。納米技術的飛速發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。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。

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。

圖9 Zhu M等人提出的觸覺反饋智能手套

研究展望

PZT材料及其復合物具有穩定性好、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的易脆性等缺點。雖然基于PZT的觸覺傳感器已經取得了跨越式的發展，但目前仍有一些關鍵技術需要進一步攻克，包括成本較高、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。相信隨著研究的深入和技術的發展，未來PZT觸覺傳感器將會兼顧自供電、自修復、自清潔等功能，以體積小、性能高的優勢應用于各種復雜環境中。

審核編輯：劉清