压电式触觉传感器的优化与应用研究进展

触觉是人类认知外界的重要感知途径，触觉传感器也是机器与人、与外界进行交互和感知的重要手段。目前人们已研发出多种基于不同原理制成的触觉传感器，主要分为压阻式、电容式、压电式、摩擦电式、光学式和磁力式等。压电式触觉传感器凭借着自发电、高柔韧性、高灵敏度等优点在触觉传感器领域占据重要地位。目前压电式触觉传感器在电子皮肤、医疗检测、力学检测和触觉检测等方面都有广泛的应用，特别是在结合人工智能（AI）后，使压电式触觉传感器的准确性得到进一步提高。

针对压电式触觉传感器的研究进展，北京信息科技大学传感器重点实验室高国伟教授等人进行了综述分析，简述了有机、无机压电材料在压电性能和机械性能上的优劣，对压电材料的改进与制备工艺进行了评述，重点阐述了通过改进结构和使用复合材料的方式提升压电式触觉传感器性能的相关研究，以及压电触觉传感器在医疗诊断、电子皮肤、人工智能、三维力监测方面的应用进展，最后对压电式触觉传感器的发展进行了总结与展望。相关内容以“压电式触觉传感器的优化与应用的研究进展”为题发表在《微纳电子技术》期刊。

【资料图】

压电式触觉传感器

压电式触觉传感器使用的压电材料分为无机材料、有机材料和复合材料，无机压电材料一般采用锆钛酸铅（PZT）、钛酸钡（BaTiO₃）、钛酸铅（PbTiO₃）和铌酸锂（LiNbO₃）等，有机材料采用聚偏二氟乙烯（PVDF）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）等。PZT这类无机压电材料有着较高的压电参数，但也有着过脆的特点，并且张力较弱，这使其在要求柔性的领域受到较大限制。而PVDF有着较高的柔韧性且质量轻，在随身穿戴等要求一定柔性的领域有着较好的应用，同时其还有较好的压电与热释电性能，不过在灵敏度和压电性能方面都不及PZT等无机压电材料。而复合压电材料可以将无机压电材料与有机压电材料的各自的优点，即高压电性能和高柔韧性结合起来，并弥补二者的缺陷。

目前商业上常用的压电传感器基本上具有扁平或者纤维状的结构，因此仅限于使用单一的压电常数来进行机电耦合。压电材料在3D打印时可从3D设计中获得改进的机电响应，提高了输出电压，从而提高了器件的灵敏度。在压电材料的改进与制备工艺方面，研究人员们已开展了多种方法研究，包括掺杂钛酸钡纳米粒子的聚偏二氟乙烯纤维的制备方法、含不同体积分数锆钛酸铅的聚二甲基硅氧烷复合薄膜的制备方法、可3D打印不进行极化具备一定压电性能的压电传感器系统、通过长丝挤压技术制备液晶聚合物-锆钛酸铅复合材料的制备方法等。

在压电式触觉传感器的设计优化方面，通过增加新结构，可以拓展压电式触觉传感器的功能，增强其性能。2020年，J.Wang等人基于Z.L.Wang研究团队利用压电材料的机械响应产生的压电势代替FET的栅极电压，设计了一种高性能、高能效、全柔性的压电式触觉传感器，该传感器中的PVDF阵列与并五苯晶体管并联耦合，其结构如图1所示。这种传感器的压力灵敏度、检测极限和响应时间分别为5.17 kPa⁻¹、175 Pa和150 ms，而且节能、灵活、性能优异，同时可以识别不同的质量（10 ~ 200 g）和实时检测手腕的弯曲程度（0° ~ 90°）。

图1 压电晶体管组成的示意图

压电式触觉传感器的应用

触觉表面纹理中存在3个独立的维度：粗糙度、硬度和反映挤压弹性的第三种维度，其中粗糙度是表面纹理的主要感知维度，在人类和机器人的触觉对象感知中起着重要作用。2021年，K.Kim等人开发了一个触觉化身系统，该系统使用人类对应的触觉决策进行训练，能够做出类似于人类的触觉决策，如图2所示，包括一个由压电材料制成的多阵列触觉传感器，以及一个基于人类触觉认知的深度学习网络。其传感器有着与人类皮肤触觉感受器相同的分辨率。

图2 触觉化身系统示意图

从现实环境的复杂条件下获取所需的触觉信息十分重要。通常的触觉传感器只能提供力的大小，无法提供力的方向来源，可以识别三维力的触觉传感器已经成为一个新的研究热点。2021年，张艳芳等人设计了一款基于PVDF的三维力传感器，可以实现动态三维力测量。不同于传统的四棱台结构，张艳芳等人的设计采用了3个PVDF传感器，其相互间夹角为120°，外层受力介质为直径3 cm的PDMS半球，结构如图3所示。

图3 三维力传感器结构示意图

对于电子皮肤的材料，可以通过机械抛光或化学手段使固体材料的厚度大大减小以获得足够的柔性，但这一过程往往过于成本高且复杂，并不实用。电子皮肤受到现有制备技术等方面的限制，薄膜器件的单位密度依然较低。2020年，Y.M.Liu等人提出了一种大型高通量的触觉传感器阵列的制备方法，采用该方法制备的PZT触觉传感器阵列具有高分辨率，可以简化数据采集从而降低成本。制备的具有4 × 4阵列的电子皮肤示意图如图4所示，该传感器阵列在多种手部运动以及压力传感场景中展现了高分辨率和高准确性的特点。

图4 具有4 × 4阵列的电子皮肤示意图

人类活动监测系统（HAMS）可以监测心电图、体表温度等数据，并通过无线传输将数据传输至云端或者计算机，这使医生可以快速及时地对佩戴者身体数据进行评估。在HAMS系统中增加触觉功能，即可穿戴系统通过触摸或振动来刺激佩戴者。触觉传感器与触觉装置的结合，可以实现HAMS与佩戴者之间的双向、直接沟通，佩戴者可立即收到信息。K. Kanda等人研制了一种新型低功耗的微型触觉装置，可以给人振动刺激，该装置由PZT薄膜及聚合物组成。装置结构如图5所示。聚合物和PZT结合可提高耐久性，所制备的触觉装置具有低电压、低功耗的特点。

图5 触觉装置结构示意图

研究展望

近期无铅压电材料受到更多关注，同时对其的研究也取得了不小的进展，纯钛酸钡（BTO）和铌酸钾钠（KNN）陶瓷的压电常数要比PZT基陶瓷的低得多，随着研究的进展（诸如进一步研究纳米畴等对无铅材料压电性能的影响），经过改良后的BTO、KNN和钛酸铋钠（BNT）基陶瓷的压电性能已经得到了很大提高。

对压电式传感器结构的改进以及引入其他技术和多传感器相结合，使传感器能检测到的数据种类得到增加，这方面仍是未来研究的趋势，通过获取更多信息能进一步提高传感器的准确性并拓宽应用场景。而对于提高传感器的准确性，传感器采取阵列式分布，可以为交叉验证获得的信号搭建一个理想的平台，从而减少信号中的随机噪声和系统噪声，进而提高准确性。

展望未来，压电式触觉传感器有着极大的发展潜力，将会朝向智能化、小型化、高灵敏度、多信息化和自供能方向发展，而诸如3D打印、人工智能等新技术，以及复合材料、无铅材料等新材料与新型传感器结构相结合，更进一步为压电式触觉传感器的发展拓宽了道路。

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