基于PZT的壓電觸覺傳感器的研究進(jìn)展

寧俐彬，高國偉,2

(1.北京信息科技大學(xué) 傳感器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100192；2.北京信息科技大學(xué) 現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100101)

0 引言

機(jī)器人的研究與發(fā)展距今已有100年歷史，從機(jī)械傳動(dòng)到人工智能，機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。在工業(yè)、醫(yī)療、汽車及航空等方面機(jī)器人技術(shù)展現(xiàn)出了巨大的潛力[1]。依托于深度學(xué)習(xí)技術(shù)，機(jī)器人技術(shù)在視覺及聽覺等方面取得了突破性的進(jìn)展，而觸覺已制約了其向智能化方向發(fā)展。觸覺傳感器作為機(jī)器觸覺不可缺少的一部分，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)與人類皮膚相似的效果[2]。

根據(jù)感知原理的不同，觸覺傳感器可分為電容式[3-5]、壓阻式[6-8]、壓電式[9-11]和光纖式[12-14]等。目前，電容式、壓阻式及壓電式3類應(yīng)用最廣。電容式傳感器設(shè)計(jì)原理借鑒了電容器具有高靈敏性及低功耗等特點(diǎn)。當(dāng)外部壓力改變時(shí)，傳感器電極距離及有效接觸面積等發(fā)生變化，導(dǎo)致電容值發(fā)生改變。通過對(duì)電容值的變化量進(jìn)行測(cè)量，可獲取外部壓力信息。壓阻式傳感器因響應(yīng)速度快，構(gòu)造簡單及感知范圍廣等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。由于材料的壓阻效應(yīng)，外界壓力將導(dǎo)致材料電阻率發(fā)生變化，從而改變電阻信號(hào)。通過對(duì)輸出電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量可得壓力的變化。壓電式傳感器利用材料的壓電效應(yīng)，輸出與材料形變程度成比例的電信號(hào)，具有動(dòng)態(tài)特性好，頻帶寬及聲阻抗低等優(yōu)點(diǎn)。

目前，關(guān)于壓電式傳感器的研究已取得較成功的進(jìn)展。Bodkh S等[15]研發(fā)了一種基于聚偏二氟乙烯(PVDF)的3D打印材料系統(tǒng)，可在無需極化的單步打印過程中制造可積傳感器，對(duì)創(chuàng)建多種智能結(jié)構(gòu)具有重要意義。Wang X等[16]研究并實(shí)現(xiàn)了一種基于聚偏二氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)納米纖維和聚二甲基硅氧烷(PDMS)/多壁碳納米管(MWCNT)薄復(fù)合膜的柔性納米發(fā)電機(jī)，在壓力5 N時(shí)該發(fā)電機(jī)的輸出電壓峰-峰值為25 V，功率為98.56 mW，功率密度為1.98 mW/cm3。與PVDF、PVDF-TrFE等新材料相比，傳統(tǒng)鋯鈦酸鉛(PZT)材料具有易脆性等缺點(diǎn)，但PZT材料有更高的靈敏度，更高的介電常數(shù)，且只需很小的接觸面積即可產(chǎn)生電信號(hào)，而PVDF需要更大的面積。為了克服柔彈性差的缺點(diǎn)，PZT復(fù)合材料的制備已成為重要的研究方向之一。目前，高壓電特性的柔性PZT壓電薄膜在光電子學(xué)、微電子學(xué)、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)和集成光學(xué)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[17-21]。

1 PZT觸覺傳感器原理及制作工藝

PZT由PbO、ZrO2、TiO2等原材料制備，具有價(jià)格低，響應(yīng)快，精度高和化學(xué)惰性好等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于MEMS等領(lǐng)域。為了提高柔彈性，滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，通常采用具有較好柔韌性的材料為基底，如聚酰亞胺(PI)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等?；撞牧弦话阒粚?duì)傳感器的柔彈性產(chǎn)生影響，傳感器的性能主要取決于敏感材料。

1.1 PZT觸覺傳感器的工作原理

1.1.1 壓電效應(yīng)

1880年，法國的居里兄弟在研究石英晶體的過程中首次發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)可分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)是指壓電體受外部機(jī)械力作用在壓電體兩端產(chǎn)生與外力大小成正比的極性相反的束縛電荷的現(xiàn)象，它實(shí)現(xiàn)了機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。逆壓電效應(yīng)是指壓電體受外部電場作用產(chǎn)生與電場強(qiáng)度成正比的形變現(xiàn)象，它實(shí)現(xiàn)了電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。

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。將同時(shí)在對(duì)稱的兩個(gè)平面上產(chǎn)生正負(fù)電荷，此時(shí)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能；當(dāng)施加外部交變電場時(shí)，電介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷的中心發(fā)生相對(duì)位移，引起電介質(zhì)的機(jī)械形變，此時(shí)電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。

圖1 PZT極化過程

如圖2(a)所示，當(dāng)施加垂直于極化面的z向作用力Fz時(shí)，上下兩個(gè)極化面會(huì)產(chǎn)生正負(fù)電荷，此時(shí)產(chǎn)生的電荷Qzz與外力Fz成比例關(guān)系，即：

Qzz=dzzFz

(1)

式中dzz為PZT的縱向壓電系數(shù)。此時(shí)輸出電壓為

(2)

式中Cz為壓電陶瓷的電容。

如圖2(b)所示，當(dāng)施加沿x向的作用力Fx時(shí)，對(duì)應(yīng)極化面產(chǎn)生電荷，此時(shí)電荷量及輸出電壓為

(3)

圖2 z、x向施力

(4)

當(dāng)施加沿y向的作用力Fy時(shí)，對(duì)應(yīng)極化面產(chǎn)生電荷，此時(shí)電荷量及輸出電壓為

(5)

(6)

式中:dz1,dz2為PZT的橫向壓電系數(shù);Sx,Sy,Sz分別為垂直于x、y、z軸的壓電陶瓷晶片面積。

1.1.2 觸覺傳感器工作原理

為了達(dá)到布線少、大面積制備等目的，觸覺傳感器通常被設(shè)計(jì)為陣列形式。當(dāng)外力作用于傳感器陣列時(shí)，電荷相應(yīng)地集中于材料表面。從觸覺傳感器的本質(zhì)上看，傳感器產(chǎn)生的電信號(hào)具有電流小、干擾多的特點(diǎn)，為了得到較可靠的信號(hào)，通常需要后續(xù)的選通、信號(hào)調(diào)理等一系列處理，如圖3所示。

圖3 觸覺傳感器工作原理

選通電路用于將產(chǎn)生電信號(hào)的傳感器單元逐一接入后續(xù)的信號(hào)調(diào)理電路，通常采用多路選擇開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。信號(hào)調(diào)理電路通常包括放大電路及濾波電路等模塊，用于去除可能導(dǎo)致模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生混疊的高頻信號(hào)。同時(shí)系統(tǒng)根據(jù)負(fù)載大小對(duì)采樣負(fù)載電阻進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，滿足在不同大小外力作用下的信號(hào)梯度性，使放大器的輸出能適應(yīng)外力的變化調(diào)整到盡量滿值的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，便于后續(xù)信號(hào)的處理[22]。此時(shí)已可得到外力的作用位置，再將獲得的模擬信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并傳輸給上位機(jī)，通過式(1)～(6)可反推得到外力的大小。同時(shí)，根據(jù)電路采集到的信號(hào)也可得知物體表面的幾何性質(zhì)和材料性質(zhì)等有效信息[23-24]。

1.2 PZT觸覺傳感器的制作工藝

PZT觸覺傳感器的制作關(guān)鍵是PZT壓電薄膜的制備，其結(jié)構(gòu)如圖4所示[25]，一般由上下電極、PZT薄膜、連接層和基底構(gòu)成。隨著薄膜技術(shù)的不斷進(jìn)步，PZT壓電薄膜的制備方法較多，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。

圖4 PZT觸覺傳感器結(jié)構(gòu)

1.2.1 溶膠-凝膠法

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(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)，其工藝流程如圖5所示[26]。將金屬化合物與穩(wěn)定劑、催化劑等在一定化學(xué)條件下進(jìn)行混合，得到特殊溶膠。之后通過水解、縮聚等反應(yīng)制得PZT前驅(qū)體溶液(即凝膠)。將所得凝膠進(jìn)行均勻旋涂、低溫?zé)崽幚砑案邷赝嘶鸬忍幚?，把多余有機(jī)物熱解，最終制備出PZT多晶薄膜。Budd K D等[27]將乙酸鉛、乙酸鑭及異丙醇鋯等作為前驅(qū)體原料，以乙二醇甲醚作為溶劑經(jīng)混合、脫水及濃縮等操作制備了0.1 μm的PZT薄膜，同時(shí)采用多層沉積技術(shù)，在保證較少裂紋的情況下得到了厚1 μm的PZT薄膜。Philippe等[28]選用乙酸鉛、正丙醇鋯、異丙醇鈦和乙二醇制備PZT前驅(qū)體溶液，經(jīng)涂覆、退火得到了厚200 nm的無裂縫PZT單層膜，其介電常數(shù)可達(dá)900。

圖5 溶膠-凝膠法制備PZT薄膜

當(dāng)薄膜厚為10～100 μm時(shí)，一般稱為壓電厚膜。PZT厚膜可廣泛應(yīng)用于MEMS領(lǐng)域中，作為新型微結(jié)構(gòu)執(zhí)行器，提供較大的驅(qū)動(dòng)力。然而傳統(tǒng)的溶膠-凝膠法很難制備出超過厚3 μm的PZT膜。為了進(jìn)一步提高PZT薄膜的性能，研究人員改進(jìn)了傳統(tǒng)的溶膠-凝膠法，制備出了更具應(yīng)用價(jià)值的PZT厚膜，其工藝流程如圖6所示[26]。對(duì)比圖5、6可看出，兩種工藝的不同之處主要是凝膠的制備。厚膜工藝通過在溶膠中添加少量的PZT納米粒子，得到了含有PZT粉末的前驅(qū)體溶液。Dauchy F等[29]利用溶膠-凝膠法結(jié)合納米級(jí)PZT粉末進(jìn)行厚膜沉積，通過反復(fù)分層和滲透，在硅片上制備出了2～35 μm的PZT厚膜，同時(shí)各層間的應(yīng)力水平達(dá)到最小。由于燒成溫度較低，該方法也可制備嵌入薄金屬電極(厚100 nm)的PZT薄膜。

圖6 溶膠-凝膠摻雜法制備PZT厚膜

1.2.2 化學(xué)氣相沉積法

化學(xué)氣相沉積法是近幾十年發(fā)展的無機(jī)材料制備工藝，通過氣態(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程無需蝕刻等優(yōu)點(diǎn)[30]，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，氣溶膠沉積裝置如圖7所示[31]。首先，通過溶膠-凝膠法制備出所需的薄膜材料并研磨為直徑約?2 μm的PZT微粒；其次，將PZT微粒與惰性載流氣體混合后通過氣溶膠室形成流體；最后，利用流體管道與沉積室間的高壓差進(jìn)行加速，通過噴嘴使PZT微粒與基體高速碰撞形成致密的薄膜。由于產(chǎn)生的薄膜由納米晶粒和非晶相組成，還需進(jìn)行額外的后退火處理，從而促進(jìn)晶粒生長提高薄膜結(jié)晶度，改善壓電性能[32]。

圖7 氣溶膠沉積裝置

由于氣溶膠沉積法是利用PZT微粒對(duì)基體的高速?zèng)_壓，所以得到的薄膜內(nèi)部存在高壓應(yīng)力。這種固有殘余應(yīng)力將隨著薄膜厚度的增加而變大，從而對(duì)薄膜性能造成影響。Choi J J等[33]研究發(fā)現(xiàn)，利用氣溶膠沉積和后退火處理制備的薄膜厚度超過20 μm時(shí)會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象。為了消除這種高壓應(yīng)力，他們將含有PZT微粒的有機(jī)物作為起始材料，在薄膜中引入了納米尺寸的微孔結(jié)構(gòu)，獲得了厚20～100 μm、具有良好壓電性能的薄膜。

1.2.3 水熱合成法

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)境中成型的過程，通過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，之后通過晶體生長階段制得PZT厚膜，其工藝流程如圖8所示。

圖8 水熱合成法制備PZT厚膜

將含有Ti、Zr、Pb(NO3)2的無機(jī)鹽與氧化物混合作為前驅(qū)體溶液，在低溫(150 ℃)條件下將其沉積于高壓釜的鈦基片，形成PZT晶核。PZT晶核在低溫(120 ℃)條件下具有較快的生長速度，經(jīng)過重復(fù)生長制備出PZT厚膜。與其他制備方法(如溶膠-凝膠法)相比，水熱合成法具有所需溫度及壓力較小，不需要高溫?zé)Y(jié)等優(yōu)點(diǎn)。因此，避免了高溫處理中可能出現(xiàn)的開裂及卷曲等成膜缺陷。

Kanda等[34]在140 ℃的低溫環(huán)境下通過水熱沉積制備出厚38 μm的PZT膜，其最大可承受應(yīng)力為14.8 MPa，壓電應(yīng)力常數(shù)e31可達(dá)0.34 C/m2。Ishikawa等[35]通過改變起始材料將鈦基片上的沉積速率提高到了7 μm/24 h，最終制備出厚50 μm的PZT膜，其壓電應(yīng)變常數(shù)d31可達(dá)2.6×10-11m/V，楊氏模量可達(dá)2.2×1010N/m2。趙海波等[36]采用不同化學(xué)試劑對(duì)水熱合成法制備PZT膜的鐵電性、生長速率和密度進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用TiCl4試劑時(shí)所得壓電膜性能良好，介電常數(shù)為15×10-9F/m，生長速率為3 μm/次，平均密度為4 929 kg/m3。

1.2.4 磁控濺射法

與化學(xué)氣相沉積相比，物理氣相沉積技術(shù)具有沉積溫度低及薄膜成分無雜質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)?；瘜W(xué)氣相沉積一般在800～1 100 ℃的真空下進(jìn)行，而物理氣相沉積溫度一般低于600 ℃。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。現(xiàn)有技術(shù)一般將氬氣作為反應(yīng)氣體，靶材作為陰極，基片作為陽極。在濺射室內(nèi)電子與氬原子碰撞產(chǎn)生氬離子，氬離子在電場的作用下以極快的速度轟擊陰極，從而使靶材發(fā)生濺射。濺射后的靶原子吸附于基片形成晶核，晶核成長并相互聯(lián)結(jié)得到所需薄膜。在此過程中，施加一個(gè)與電場垂直的正交磁場來約束電子的運(yùn)動(dòng)，使更多電子與氬原子發(fā)生碰撞，提高了電離效率，從而實(shí)現(xiàn)了高的沉積速率。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)。

為了進(jìn)一步提高由磁控濺射法制備的PZT薄膜的性能，目前主要對(duì)靶材組分控制和濺射工藝參數(shù)設(shè)定進(jìn)行研究。2012年，Wasa K等[37]選擇Pb(Mn,Nb)O3-Pb(Zr,Ti)O3作為靶材，制備出厚0.5～5 μm的PZT單晶薄膜，同時(shí)將鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鈮鎂酸鉛(PMN)作為弛豫劑，有效地改善了沉積薄膜的介電與壓電響應(yīng)。該薄膜的相對(duì)介電常數(shù)為100～150，有效橫向壓電常數(shù)為-12 C/m2，在壓電MEMS領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。2018年，Zhao H等[38]研究了退火溫度對(duì)PZT薄膜性能的影響，并在工作壓力為3 Pa、Ar/O2氣體流量比為80/20、退火溫度為700 ℃的條件下制備出了厚430 nm的PZT薄膜。該薄膜表面光滑，在1 kHz下介電常數(shù)可達(dá)500，熱釋電系數(shù)可達(dá)0.033 μC·cm-2·K-1，可滿足在熱釋電紅外探測(cè)器中的應(yīng)用要求。

1.2.5 脈沖激光沉積法

1987年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室利用準(zhǔn)分子激光成功制備出了高溫超導(dǎo)薄膜，自此脈沖激光沉積法得到科研界的重視。經(jīng)過多年快速發(fā)展，脈沖激光沉積法已成為一種頗具優(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。脈沖激光沉積法制備PZT薄膜主要分3個(gè)階段：

1) 靶材等離子體的產(chǎn)生，具有高能量密度的激光照射于靶材局部表面使其快速升溫蒸發(fā)，形成所需等離子體。

2) 等離子體羽輝的形成，激光束與等離子體繼續(xù)作用在基底方向造成等溫膨脹，完成定向擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。

3) 等離子體沉積于基底表面并繼續(xù)生長，得到所需PZT薄膜。由脈沖激光沉積法制備的PZT薄膜具有組分與靶材近似一致、雜相較少的優(yōu)點(diǎn)。

2010年，尚杰等[39]采用脈沖激光沉積法在對(duì)基底進(jìn)行10°傾斜的條件下，完成了不同組分和摻雜的PZT薄膜的制備。當(dāng)紫外激光能量密度為0.16 J/cm2時(shí)，摻雜了Na元素的PZT薄膜的激光感生熱電電壓峰值可達(dá)61 mV，比未摻雜時(shí)提升了近50%，為應(yīng)用相關(guān)效應(yīng)的器件研制提供了參考。2018年，李爭剛等[40]在GaAs基片上制備了復(fù)合緩沖層TiO2和STO，同時(shí)進(jìn)一步研究了用脈沖激光沉積法制備PZT薄膜過程中氧分壓和基片溫度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不采用緩沖層時(shí)PZT薄膜表面粗糙度較大，且有多個(gè)結(jié)晶取向，采用緩沖層且在550 ℃、15 Pa氧分壓條件下制備的PZT薄膜取向單一，剩余極化強(qiáng)度為24 μC/cm2，飽和極化為17 μC/cm2，矯頑磁場為300 kV/cm，同時(shí)短路電流和開路電壓分別達(dá)到了11.01 mA/cm2和0.22 V，為PZT薄膜在太陽能電池方面的應(yīng)用提供了參考。

2 PZT觸覺傳感器的研究進(jìn)展

1950年，工業(yè)界發(fā)現(xiàn)了PZT等壓電材料，PZT材料由于其各方面的優(yōu)異特性，而被廣泛應(yīng)用于傳感器等領(lǐng)域。人工智能、機(jī)器人等概念的提出為PZT觸覺傳感器提供了一個(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，各國研究人員圍繞PZT觸覺傳感器的材料優(yōu)化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、柔彈性優(yōu)化和可擴(kuò)展性優(yōu)化等方面進(jìn)行了大量的研究。

2.1 PZT觸覺傳感器的材料優(yōu)化

觸覺包括法向靜力、拉伸應(yīng)變、切向力和振動(dòng)感知，所以壓力檢測(cè)是PZT觸覺傳感器的一個(gè)重要功能。在壓力檢測(cè)中，力的大小、位置與方向是最主要的信息，通過對(duì)PZT觸覺傳感器的材料進(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。傳統(tǒng)PZT材料具有高壓電、介電常數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，但拉伸能力差；而壓電聚合物材料雖然可提供較好的機(jī)械靈活性與生物相容性，但通常具有壓電常數(shù)d33較低的缺點(diǎn)，如PVDF材料的d33為20～34 pC/N，遠(yuǎn)低于PZT材料。因此，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。

2020年，Sappati K K等[41]制備了一種低成本的柔性PZT-PDMS壓電薄膜，全面提升了電壓響應(yīng)、壓電常數(shù)等參數(shù)。一方面從極化原理出發(fā)，采用電暈極化的方式，作用于PZT顆粒中的偶極子，使PZT顆粒上的電壓降增加，提高了極化效率，未極化薄膜的最大電壓響應(yīng)為1.14 V，而極化薄膜的最大電壓響應(yīng)達(dá)到了4.7 V。另一方面從PZT顆粒含量出發(fā)，當(dāng)PZT顆粒的體積分?jǐn)?shù)φ(PZT)=28%時(shí)，此薄膜的d33可達(dá)78.33 pC/N，而PVDF材料d33僅20～34 pC/N。與此同時(shí)，隨著PZT顆粒摻雜量的增加，介電常數(shù)呈變大的趨勢(shì)，這表明可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行不同介電常數(shù)復(fù)合材料的定制。在以往的PZT-PDMS薄膜制備工藝基礎(chǔ)上，將不同濃度的PZT顆粒分散到PDMS溶液中，并通過攪拌、旋涂、固化和剝離等操作可制備出這種復(fù)合材料，圖9為φ(PZT)=28%的PZT薄膜截面的SEM圖像[41]。由圖可看出PZT顆粒均勻分布于PDMS溶液中。

圖9 φ(PZT)=28% PZT薄膜截面SEM圖

2017年，Khanbareh H等[42]制備了一種PZT-PU微孔復(fù)合薄膜，借助靈敏度與介電常數(shù)的相互關(guān)系，將壓電電壓敏感度提高到165 mV·m/N，與其他粒子復(fù)合傳感器相比敏感度更高。壓電電壓敏感度g33為

(7)

式中：d33為復(fù)合材料的壓電常數(shù)；εr為相對(duì)介電常數(shù)。

d33保持不變，通過降低聚合物基體的介電常數(shù)來提高壓電電壓敏感度。材料采用了均勻球形微孔結(jié)構(gòu)，提高了孔隙率，從而降低了介電常數(shù)。同時(shí)，通過發(fā)泡過程向聚合物樹脂中加入氣相，有效地降低了介電常數(shù)，在氣體體積分?jǐn)?shù)為56%時(shí)，介電常數(shù)從11.1降低為4.2，降低了62%。PZT在孔壁上的介電泳微孔復(fù)合結(jié)構(gòu)有助于降低介電常數(shù)。

2.2 PZT觸覺傳感器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在壓力檢測(cè)中，優(yōu)化PZT觸覺傳感器的結(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)。Acer M等[43]設(shè)計(jì)了一個(gè)1×3 PZT傳感器陣列并嵌入硅材料，在保證較高空間分辨率和靈敏度的前提下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)受力位置的連續(xù)定位檢測(cè)。該傳感器的空間分辨率為5 mm，在脈沖力0～1 N下具有線性特性，靈敏度為0.578～0.821 V/N，同時(shí)傳感器的可重復(fù)性約為95.65%。觸覺傳感器由3個(gè)PZT單元和5層結(jié)構(gòu)組成，如圖10所示[43]。其中，每個(gè)PZT單元的大小為4 mm×4 mm，為了保證區(qū)分每個(gè)PZT單元的信號(hào)，間隔設(shè)置為5 mm。經(jīng)過模具貼附、激光切割、濕法刻蝕、導(dǎo)電膏焊接和嵌入硅膠等步驟，具有5層結(jié)構(gòu)的觸覺傳感器制作完成，如圖11所示[43]。從PZT1的中心沿縱向向PZT3施加1 N的壓力，3個(gè)PZT單元的輸出電壓如圖12所示[43]。從3個(gè)PZT單元的峰-峰值電壓響應(yīng)可看出，雖然PZT單元以離散形式存在，但由于嵌入了硅膠材料，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)的壓力定位。

圖10 觸覺傳感器PZT層及整體結(jié)構(gòu)

圖11 觸覺傳感器實(shí)物展示

圖12 相對(duì)于力方向的PZT響應(yīng)

2.3 PZT觸覺傳感器的柔彈性優(yōu)化

一種物體受力發(fā)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(fā)生形變，即剛性越強(qiáng)。為了提高觸覺傳感器的柔彈性，各個(gè)組成部分應(yīng)盡量選用彈性模量小的材料。Liu Y等[44]用石墨烯、PZT和PDMS合成了一種三元復(fù)合傳感器，該傳感器厚為1.2 mm，可檢測(cè)2.5 kPa～0.15 MPa的應(yīng)力，并成功將彈性模量降至約1 MPa。圖13為石墨烯壓電橡膠器件結(jié)構(gòu)及相關(guān)展示[44]。在圖13(a)所示的傳感器結(jié)構(gòu)中，唯一具有較高彈性模量的部分為Au電極。此電極采用了圖13(d)所示的對(duì)稱蛇形結(jié)構(gòu)，具有較好的力學(xué)性能，保證了很大的可拉伸性。該傳感器在無縫貼合于人體皮膚后，仍可保持良好的工作性能，如圖13(e)所示。將該傳感器貼附于膝蓋并彎曲135°時(shí)，測(cè)得最大開路電壓為1.2 V，短路電流為2.6 μA。

圖13 石墨烯壓電橡膠器件結(jié)構(gòu)及相關(guān)展示

Liu Y等雖然實(shí)現(xiàn)了具有較高柔彈性觸覺傳感器的制作，但由于其電極設(shè)計(jì)為橫向條紋塊狀，僅在單一方向具有可拉伸性。在此基礎(chǔ)上，姚寬明等[45]優(yōu)化了電極設(shè)計(jì)，改進(jìn)的M型蛇紋線結(jié)構(gòu)叉指電極如圖14(b)所示，實(shí)現(xiàn)了器件的橫向、縱向拉伸及扭轉(zhuǎn)彎曲變形。同時(shí)進(jìn)一步簡化了結(jié)構(gòu)，去除了原有結(jié)構(gòu)中的PI層，使傳感器厚度由1.2 mm降低至0.4 mm，更具無感穿戴的優(yōu)勢(shì)。在電學(xué)性能方面，該傳感器可檢測(cè)2.84～11.72 kPa內(nèi)的外力，當(dāng)手指敲擊時(shí)最大輸出功率為14.68 μW，功率密度為729 μW/cm3。在力學(xué)性能方面，當(dāng)拉伸率小于10%時(shí)對(duì)電能輸出無明顯影響，當(dāng)兩個(gè)方向的拉伸率為20%時(shí)，可保持未拉伸狀態(tài)80%的電能輸出。

圖14 柔性電子皮膚器件結(jié)構(gòu)及相關(guān)展示

2.4 PZT觸覺傳感器的可擴(kuò)展性優(yōu)化

觸覺傳感器的實(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)場景中，單個(gè)單元傳感器難以滿足應(yīng)用需求，大面積、高密度、長連續(xù)已成為新的研究方向。2020年，Liu Y等[46]提出了一種高通量制造工藝，制造出一種高密度PZT觸覺傳感器，傳感單元密度可達(dá)25 個(gè)/cm2。該傳感器應(yīng)力檢測(cè)范圍為0.5～110.4 kPa，靈敏度為20 pC/N。當(dāng)施加外力為87.5 kPa時(shí)，最大響應(yīng)電壓可達(dá)5.2 V。如圖15(a)、(b)所示[46]，將PZT納米顆粒與PDMS混合后，通過絲網(wǎng)印刷的方式與特殊結(jié)構(gòu)的電極基板相結(jié)合，得到了高密度的電子皮膚。該電子皮膚在2 cm×2 cm區(qū)域內(nèi)集成了100個(gè)單元傳感器，如圖15(c)所示，保證高密度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了高靈敏、高耐久及高柔彈性。

圖15 高密度PZT觸覺傳感器及相關(guān)展示

在大規(guī)模觸覺傳感器陣列中，信號(hào)串?dāng)_影響較大。當(dāng)信號(hào)變化速度較快時(shí)，將引起較大的噪聲。為了減少信號(hào)串?dāng)_，通常在傳感器信號(hào)處理電路部分對(duì)噪聲進(jìn)行抑制[47-51]。為了進(jìn)一步降低信號(hào)串?dāng)_的影響，Chen Y Q等[52]從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，將壓電膜進(jìn)行隔離，減少了相鄰單元間的信號(hào)串?dāng)_。如圖16所示[52]，利用溶膠-凝膠法制備出PZT薄膜后，將其刻蝕為間隔100 μm的壓電陶瓷細(xì)胞，隨后采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)將厚200 nm的SiO2附著于PZT單元上，實(shí)現(xiàn)了相鄰單元的隔離。Chen Y Q等用此壓電膜制造了一種微機(jī)械超聲換能器，其諧振頻率可達(dá)24.82 Hz，有效機(jī)電耦合系數(shù)為0.129 3，機(jī)械品質(zhì)系數(shù)可達(dá)198。

圖16 高密度傳感器陣列制作流程

3 PZT觸覺傳感器的應(yīng)用

3.1 運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方面的應(yīng)用

人工智能技術(shù)的進(jìn)步給大量行業(yè)帶來了新的發(fā)展思路。由于天氣、路況、人為等因素導(dǎo)致傳統(tǒng)的汽車駕駛事故發(fā)生率較高，在汽車駕駛方面應(yīng)用人工智能技術(shù)可降低事故發(fā)生率。目前，智能駕駛中通過計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)來對(duì)司機(jī)的疲勞情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，然而由于圖像分辨率及異常遮擋等影響，在部分場景中這種技術(shù)不可靠。近期，Chaofeng等[53]運(yùn)用MEMS工藝和轉(zhuǎn)印技術(shù)制造了一種用于眼疲勞檢測(cè)的超薄柔性PZT傳感器。此傳感器厚約10 μm，對(duì)眼瞼的整體抗彎剛度僅0.69×10-4。同時(shí)，在端到端位移為2.5 mm、外部激勵(lì)為4 Hz三角波的條件下，傳感器響應(yīng)電壓峰谷值可達(dá)200 mV。該傳感器直接與眼瞼貼合，避免了外部干擾，具有高耐久、高靈敏度快速響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)。如圖17所示[53]，通過測(cè)量電壓與實(shí)時(shí)眼瞼運(yùn)動(dòng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可識(shí)別長時(shí)間閉合、快速眨眼及長時(shí)間凝視3種典型疲勞狀態(tài)。

圖17 眼瞼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)及理論預(yù)測(cè)

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。2019年，Zhu M等[54]研制了一款采用壓電和摩擦電混合機(jī)制的多功能襪，集成了摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)和PZT觸覺傳感器，具有自供電的能力。該多功能襪靈敏度為0.06 V/N，輸出功率為1.71 mW，功率密度為11 μW/cm2。在負(fù)載電阻0.4 MΩ、外力12 N的條件下，單個(gè)PZT單元的最大輸出功率為32 μW，最大功率密度為128 μW/cm2。該產(chǎn)品可檢測(cè)出多種典型步態(tài)并加以識(shí)別,如圖18所示[54]，同時(shí)，Zhu M等研究了不同體重人群對(duì)于輸出信號(hào)的影響，證明了多功能襪的檢測(cè)范圍寬。此外，他們將該產(chǎn)品用于帕金森患者，成功檢測(cè)出正常步幅、步態(tài)紊亂及無步幅情況下的步態(tài)。

圖18 正常人與帕金森患者室內(nèi)步態(tài)檢測(cè)

3.2 在醫(yī)療健康方面的應(yīng)用

隨著機(jī)器人視覺、人機(jī)接口技術(shù)和多傳感器信息融合等技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。與傳統(tǒng)外科手術(shù)相比，微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人有視野良好，對(duì)人體傷害低及不易感染等天然優(yōu)勢(shì)。目前，達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人在世界上應(yīng)用最廣，占據(jù)了絕對(duì)壟斷地位。然而，最新一代的達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人仍沒有一套較成熟的機(jī)器人觸覺解決方案，各國研究人員對(duì)此進(jìn)行不斷地探索。2019年，Yun Y等[55]提出了一種用于機(jī)器人微創(chuàng)手術(shù)中檢測(cè)病變組織剛度的微型PZT共振觸覺傳感器，具有尺寸小，成本低及易殺菌的特點(diǎn)，接觸深度控制精度為0.1 mm。如圖19所示[55]，該傳感器使用了獨(dú)特的阿基米德螺旋結(jié)構(gòu)，當(dāng)用探針接觸不同組織時(shí)，系統(tǒng)共振頻率發(fā)生偏移，導(dǎo)致PZT雙晶片的電阻抗發(fā)生變化。通過檢測(cè)PZT雙晶片電阻抗的變化，可對(duì)腫塊進(jìn)行定位。Yun Y等的實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)樣品楊氏模量為50 kPa時(shí)，該傳感器系統(tǒng)諧振頻率為365 Hz，PZT晶片電阻抗可達(dá)7×104Ω；當(dāng)樣品楊氏模量為500 kPa時(shí)，該傳感器系統(tǒng)諧振頻率為675 Hz，PZT晶片電阻抗可達(dá)3.9×104Ω，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同腫塊的定位。

圖19 觸覺傳感器原型

可植入電子設(shè)備為醫(yī)療提供了一個(gè)新途徑，通過這些設(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。Lu B等[56]研發(fā)了一種基于PZT的超柔性能量采集器，其厚度為75 μm，彈性模量為2.83 GPa，單位厚度的彎曲剛度僅為常見醫(yī)用滌綸的3.95%。將該傳感器固定于左心室尖到右心室，在心跳和呼吸頻率分別為1.25×102bpm、21 bpm的條件下，響應(yīng)電壓峰-峰值約為3 V，能夠滿足可植入醫(yī)療設(shè)備的功率要求(2.4～2.8 V)。如圖20所示[56]，當(dāng)心臟發(fā)生舒張時(shí)，觸覺傳感器發(fā)生相應(yīng)形變，并將產(chǎn)生的電能通過高級(jí)通信功能(ACF)柔性電纜輸出。同時(shí)，由于該傳感器的超柔性，不會(huì)對(duì)心臟產(chǎn)生額外的機(jī)械負(fù)擔(dān)，進(jìn)一步證明了該傳感器用于能量收集的可行性。

圖20 心臟舒張期的傳感器圖像

3.3 在人機(jī)交互方面的應(yīng)用

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。視覺識(shí)別和聽覺識(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。2020年，Zhu M等[57]研制了一款觸覺反饋智能手套，當(dāng)外部應(yīng)力為3.5 N時(shí)，傳感器電壓輸出約為0.5 V，響應(yīng)時(shí)間為30～40 ms。利用PZT柔性觸覺芯片的逆壓電效應(yīng)在頻率270 Hz，外部激勵(lì)6～10 V的條件下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)虛擬觸覺的反饋，建立了棒球事件中的沉浸式體驗(yàn)。如圖21所示[57]，在手指根部安裝5個(gè)PZT柔性觸覺芯片，當(dāng)虛擬觸覺事件發(fā)生時(shí)，將脈寬調(diào)制(PWM)輸入通過PZT芯片轉(zhuǎn)換為機(jī)械刺激，同時(shí)設(shè)置了3個(gè)強(qiáng)度等級(jí)，實(shí)現(xiàn)了虛擬網(wǎng)球游戲中對(duì)握棒、輕擊、重?fù)艉退墒值刃袨榈淖R(shí)別。

圖21 智能手套中的PZT觸覺刺激

傳統(tǒng)的人機(jī)交互依賴于鍵盤、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備，是人與機(jī)器進(jìn)行信息傳遞的直接橋梁，然而由于可傳遞的信息種類單一、信息傳遞速度慢等缺點(diǎn)無法應(yīng)用于復(fù)雜的任務(wù)中。利用手勢(shì)識(shí)別技術(shù)可充分提高人機(jī)交互中的可操作性，并使個(gè)人經(jīng)驗(yàn)得到最直接的體現(xiàn)。2018年，Yi Z等[58]展示了一種基于PZT的高靈敏度柔性壓電傳感器，該傳感器壓電層厚度為50 μm，靈敏度約10 V/N，響應(yīng)時(shí)間為11 ms。同時(shí)，該傳感器監(jiān)測(cè)到的動(dòng)脈脈沖電壓幅度可達(dá)180 mV，與之前的PZT薄膜(100 mV)相比提高了約1倍，可用于健康監(jiān)測(cè)、手勢(shì)識(shí)別等領(lǐng)域，對(duì)手部細(xì)微動(dòng)作進(jìn)行很好的識(shí)別。將該傳感器置于人體橈動(dòng)脈處，分別以15 次/min和40 次/min的速度鍵入單詞“FACE”。如圖22所示[58]，當(dāng)速度較慢時(shí)，不同信號(hào)可被清晰地識(shí)別；當(dāng)速度較快時(shí)，不同信號(hào)出現(xiàn)了混疊現(xiàn)象，此時(shí)根據(jù)不同信號(hào)的特征峰可將不同的動(dòng)作提取出來。

圖22 不同速度下的信號(hào)提取

4 PZT觸覺傳感器的不足及未來趨勢(shì)

圍繞PZT觸覺傳感器的材料優(yōu)化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、柔彈性優(yōu)化和可擴(kuò)展性優(yōu)化4方面，研究人員進(jìn)行了大量的工作，并取得了跨越式的發(fā)展，然而一些關(guān)鍵技術(shù)也遇到了瓶頸，需要進(jìn)一步攻克：

1) PZT材料的放電特性導(dǎo)致其無法用于靜態(tài)力的測(cè)量。盡管已有團(tuán)隊(duì)提出了一種靜態(tài)力測(cè)量的新方法，但仍無法得到所施加應(yīng)力的位置及三維方向。如何同時(shí)實(shí)現(xiàn)三維靜態(tài)力和動(dòng)態(tài)力的檢測(cè)是未來一個(gè)主要的研究方向。

2) 為了達(dá)到更好的性能，關(guān)于復(fù)合PZT材料的研究較多，但大多采用較復(fù)雜且非常規(guī)的生產(chǎn)步驟，導(dǎo)致成本較高，無法用于批量生產(chǎn)。同時(shí)，相對(duì)于新材料，目前在新結(jié)構(gòu)方面的研究較少，未來在新材料工藝簡化和新結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)用方面的研究十分必要。

3) 納米技術(shù)的飛速發(fā)展使傳感器的性能表現(xiàn)越來越優(yōu)異，與之相比電源技術(shù)較落后。大多數(shù)傳感器目前都采用外部供電方式，影響了器件的便攜性。盡管已提出自供電的觸覺傳感器，但都降低了器件的柔彈性，未來可在自供電能力的持久穩(wěn)定性、兼顧器件的自供電和柔彈性等方向做進(jìn)一步工作。

4) 觸覺傳感器的大面積制備是未來的發(fā)展趨勢(shì)，但高密度的傳感單元會(huì)導(dǎo)致信號(hào)串?dāng)_，難以消除，對(duì)信號(hào)的采集處理提出更高要求。目前已有電容傳感器采用m+n陣列結(jié)構(gòu)，消除了信號(hào)串?dāng)_的影響，未來或許可進(jìn)行借鑒將其運(yùn)用到壓電傳感器中。

5) 人體的觸覺感知包括壓力、溫度和濕度等，現(xiàn)有觸覺傳感器大多數(shù)只能實(shí)現(xiàn)單一功能的感知，無法實(shí)現(xiàn)真正的“觸覺”。通過多傳感器融合的技術(shù)實(shí)現(xiàn)PZT觸覺傳感器的多功能感知將是未來商業(yè)應(yīng)用中的一個(gè)突破點(diǎn)。

6) 各方面技術(shù)的發(fā)展使現(xiàn)有PZT觸覺傳感器大多具有較高的靈敏度，可實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱力的感知，但這種精細(xì)感知大多局限于一個(gè)較小的量程中[59]。可同時(shí)兼顧高靈敏度和寬檢測(cè)范圍的觸覺傳感器需進(jìn)一步深入研究。

5 結(jié)束語

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)。然而在商業(yè)化進(jìn)程中，基于PZT的觸覺傳感器仍有著成本較高、功能集成單一、高密度陣列信號(hào)串?dāng)_等一系列問題亟待解決。相信未來PZT觸覺傳感器會(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。