中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
觸覺(jué)是人類(lèi)認知外界的重要感知途徑，觸覺(jué)傳感器也是機器與人、與外界進(jìn)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(jué)傳感器，主要分為壓阻式、電容式、壓電式、摩擦電式、光學(xué)式和磁力式等。壓電式觸覺(jué)傳感器憑借著(zhù)自發(fā)電、高柔韌性、高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)在觸覺(jué)傳感器領(lǐng)域占據重要地位。目前壓電式觸覺(jué)傳感器在電子皮膚、醫療檢測、力學(xué)檢測和觸覺(jué)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(jué)傳感器的準確性得到進(jìn)一步提高。
針對壓電式觸覺(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)驗室高國偉教授等人進(jìn)行了綜述分析，簡(jiǎn)述了有機、無(wú)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(jìn)與制備工藝進(jìn)行了評述，重點(diǎn)闡述了通過(guò)改進(jìn)結構和使用復合材料的方式提升壓電式觸覺(jué)傳感器性能的相關(guān)研究，以及壓電觸覺(jué)傳感器在醫療診斷、電子皮膚、人工智能、三維力監測方面的應用進(jìn)展，最后對壓電式觸覺(jué)傳感器的發(fā)展進(jìn)行了總結與展望。相關(guān)內容以“壓電式觸覺(jué)傳感器的優(yōu)化與應用的研究進(jìn)展”為題發(fā)表在《微納電子技術(shù)》期刊。
壓電式觸覺(jué)傳感器
壓電式觸覺(jué)傳感器使用的壓電材料分為無(wú)機材料、有機材料和復合材料，無(wú)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(lèi)無(wú)機壓電材料有著(zhù)較高的壓電參數，但也有著(zhù)過(guò)脆的特點(diǎn)，并且張力較弱，這使其在要求柔性的領(lǐng)域受到較大限制。而PVDF有著(zhù)較高的柔韌性且質(zhì)量輕，在隨身穿戴等要求一定柔性的領(lǐng)域有著(zhù)較好的應用，同時(shí)其還有較好的壓電與熱釋電性能，不過(guò)在靈敏度和壓電性能方面都不及PZT等無(wú)機壓電材料。而復合壓電材料可以將無(wú)機壓電材料與有機壓電材料的各自的優(yōu)點(diǎn)，即高壓電性能和高柔韌性結合起來(lái)，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(lái)進(jìn)行機電耦合。壓電材料在3D打印時(shí)可從3D設計中獲得改進(jìn)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(jìn)與制備工藝方面，研究人員們已開(kāi)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(jìn)行極化具備一定壓電性能的壓電傳感器系統、通過(guò)長(cháng)絲擠壓技術(shù)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(jué)傳感器的設計優(yōu)化方面，通過(guò)增加新結構，可以拓展壓電式觸覺(jué)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(chǎn)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(jué)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(shí)間分別為5.17 kPa?1、175 Pa和150 ms，而且節能、靈活、性能優(yōu)異，同時(shí)可以識別不同的質(zhì)量（10 ~ 200 g）和實(shí)時(shí)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(jué)傳感器的應用
觸覺(jué)表面紋理中存在3個(gè)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(lèi)和機器人的觸覺(jué)對象感知中起著(zhù)重要作用。2021年，K.Kim等人開(kāi)發(fā)了一個(gè)觸覺(jué)化身系統，該系統使用人類(lèi)對應的觸覺(jué)決策進(jìn)行訓練，能夠做出類(lèi)似于人類(lèi)的觸覺(jué)決策，如圖2所示，包括一個(gè)由壓電材料制成的多陣列觸覺(jué)傳感器，以及一個(gè)基于人類(lèi)觸覺(jué)認知的深度學(xué)習網(wǎng)絡(luò )。其傳感器有著(zhù)與人類(lèi)皮膚觸覺(jué)感受器相同的分辨率。
圖2 觸覺(jué)化身系統示意圖
從現實(shí)環(huán)境的復雜條件下獲取所需的觸覺(jué)信息十分重要。通常的觸覺(jué)傳感器只能提供力的大小，無(wú)法提供力的方向來(lái)源，可以識別三維力的觸覺(jué)傳感器已經(jīng)成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。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(shí)現動(dòng)態(tài)三維力測量。不同于傳統的四棱臺結構，張艷芳等人的設計采用了3個(gè)PVDF傳感器，其相互間夾角為120°，外層受力介質(zhì)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(guò)機械拋光或化學(xué)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(guò)程往往過(guò)于成本高且復雜，并不實(shí)用。電子皮膚受到現有制備技術(shù)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(jué)傳感器陣列的制備方法，采用該方法制備的PZT觸覺(jué)傳感器陣列具有高分辨率，可以簡(jiǎn)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(dòng)以及壓力傳感場(chǎng)景中展現了高分辨率和高準確性的特點(diǎn)。
圖4 具有4 × 4陣列的電子皮膚示意圖
人類(lèi)活動(dòng)監測系統（HAMS）可以監測心電圖、體表溫度等數據，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸將數據傳輸至云端或者計算機，這使醫生可以快速及時(shí)地對佩戴者身體數據進(jìn)行評估。在HAMS系統中增加觸覺(jué)功能，即可穿戴系統通過(guò)觸摸或振動(dòng)來(lái)刺激佩戴者。觸覺(jué)傳感器與觸覺(jué)裝置的結合，可以實(shí)現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(jué)裝置，可以給人振動(dòng)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(jué)裝置具有低電壓、低功耗的特點(diǎn)。
圖5 觸覺(jué)裝置結構示意圖
研究展望
近期無(wú)鉛壓電材料受到更多關(guān)注，同時(shí)對其的研究也取得了不小的進(jìn)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(zhù)研究的進(jìn)展（諸如進(jìn)一步研究納米疇等對無(wú)鉛材料壓電性能的影響），經(jīng)過(guò)改良后的BTO、KNN和鈦酸鉍鈉（BNT）基陶瓷的壓電性能已經(jīng)得到了很大提高。
對壓電式傳感器結構的改進(jìn)以及引入其他技術(shù)和多傳感器相結合，使傳感器能檢測到的數據種類(lèi)得到增加，這方面仍是未來(lái)研究的趨勢，通過(guò)獲取更多信息能進(jìn)一步提高傳感器的準確性并拓寬應用場(chǎng)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(gè)理想的平臺，從而減少信號中的隨機噪聲和系統噪聲，進(jìn)而提高準確性。
展望未來(lái)，壓電式觸覺(jué)傳感器有著(zhù)極大的發(fā)展潛力，將會(huì )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(shù)，以及復合材料、無(wú)鉛材料等新材料與新型傳感器結構相結合，更進(jìn)一步為壓電式觸覺(jué)傳感器的發(fā)展拓寬了道路。
