触觉传感器作为机器触觉不可缺少的一部分，可将外界环境状态转变为可被测量的电信号，达到压力检测、温湿度感知及材质预测等目的，实现与人类皮肤相似的效果。锆钛酸铅（PZT）由于具有灵敏度高、响应速度快及压电常数大等优点，被广泛应用于触觉传感器及超声换能器等领域。
据麦姆斯咨询报道，针对基于PZT的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，阐述了基于PZT的触觉传感器的原理及制作工艺，并从材料优化、结构优化、柔弹性优化和可扩展性优化四个方面概述了PZT触觉传感器的研究进展，讨论了其在运动检测、医疗健康和人机交互领域的实际应用，最后对PZT触觉传感器的不足和未来发展趋势进行了分析。相关内容以“基于PZT的压电触觉传感器的研究进展”为题发表在《压电与声光》期刊。
PZT触觉传感器的工作原理及制作工艺
PZT是一种人造多晶压电材料，可实现机械能与电能的双向转换。当施加固定方向应力时，材料发生形变，内部发生电极化现象。如图1所示。PZT触觉传感器的制作关键是PZT压电薄膜的制备，其结构如图2所示，一般由上下电极、PZT薄膜、连接层和基底构成。
图1 PZT极化过程
图2 PZT触觉传感器结构
随着薄膜技术的不断进步，研究人员已开发出多种PZT压电薄膜制备方法，其中溶胶－凝胶法、化学气相沉积法、水热合成法、磁控溅射法和脉冲激光沉积法应用较广。（1）溶胶－凝胶法由于可精确控制薄膜的组成成分，便于添加不同类型的离子溶液，有利于复合材料的制备，且还具有价格低及可大面积制备等优点。（2）化学气相沉积法是近几十年发展的无机材料制备工艺，通过气态物质在气固界面上的反应生成固态沉积物（如PZT薄膜）。气溶胶沉积法作为化学气相沉积法中的一种，具有高沉积速率、低工艺温度和沉积过程无需蚀刻等优点，在MEMS技术和微量全分析系统中展现出广阔的应用前景。（3）水热合成法制膜是一项具有很大潜力的液相成膜技术，在压电厚膜领域有广泛的应用，它模拟地下矿物质在高温环境中成型的过程，通过人工制造高温高压环境，使在常温常压下难以溶解的物质发生进一步反应或重结晶，之后通过晶体生长阶段制得PZT厚膜。（4）磁控溅射法作为物理气相沉积技术中的一种，在最近50年得到了快速发展。由磁控溅射法制备的PZT薄膜具有表面粗糙度较低、压电特性突出等优势。（5）脉冲激光沉积法作为一种颇具优势的薄膜技术，具有薄膜组分易标定及沉积速率快等优点，在热学、光学与电子学等领域得到了广泛的应用。
PZT触觉传感器的研究进展
人工智能（AI）、机器人等概念的提出为PZT触觉传感器提供了一个更适合发展的平台。为了应对工业化的需求，早日实现实际应用上的突破，研究人员们围绕PZT触觉传感器的材料优化、结构优化、柔弹性优化和可扩展性优化等方面进行了大量的研究。
在材料方面，通过对PZT触觉传感器的材料进行优化，可提高传感器的灵敏度，更准确地获知力的大小。压电聚合物材料可提供较好的机械灵活性与生物相容性，将PZT材料的高灵敏度与聚合物材料的高柔韧性相结合，可制备出具有不同连通性的复合材料。
图3 Sappati K K等人制备的柔性PZT-PDMS压电薄膜截面SEM图
在结构方面，通过优化PZT触觉传感器的结构可提高传感器的准确度，更准确地获知力的位置与方向。单个传感器只能检测一个位置的压力，所以通常用传感器阵列实现大面积压力分布检测。
图4 Acer M等人设计的1 × 3 PZT传感器阵列
在弹性优化方面，通常可以使用传感器阵列实现大面积压力分布检测。一种物体受力发生形变的程度通常用弹性模量来衡量，弹性模量越大，越不易发生形变，即刚性越强。为了提高触觉传感器的柔弹性，各个组成部分应尽量选用弹性模量小的材料。
图5 姚宽明等人提出的柔性电子皮肤器件结构及相关展示
此外，触觉传感器的实际应用对其可扩展性提出了更高的要求。在各个场景中，单个单元传感器难以满足应用需求，大面积、高密度、长连续已成为新的研究方向。
图6 Liu Y等人提出的高密度PZT触觉传感器及相关展示
PZT触觉传感器的应用
PZT触觉传感器在运动检测、医疗健康、人机交互等方面具有重要应用价值。在运动检测方面，步态检测是继人脸识别、指纹识别等常规生物识别技术后的新兴技术，具有更高的准确性、环境适应性等优势。与此同时，步态检测也可用于医疗健康领域，辅助术后康复、日常监测等。
图7 Zhu M等人提出的多功能袜用于步态检测
在医疗健康领域，可植入电子设备为医疗提供了一个新途径，通过这些设备可更便捷地对人体状况进行监测或调节机体活动。纳米技术的飞速发展使可植入电子设备的体积越来越小，但这也使设备的能量供应成为新的挑战。由于压电效应的存在，利用柔性触觉传感器可将人体内普遍存在的机械能转化为电能，达到自供电的特性。
图8 Lu B等人提出的基于PZT的超柔性能量采集器用于心脏能量采集
人机交互实现了人与机器间的信息传递，可帮助使用者更直观、有效地完成所需操作。视觉识别和听觉识别是人机交互中重要的解决方案，但都难以实现精细化的感知。触觉识别具有高精度的特点，可作为人机交互中的一种重要补充方案。
图9 Zhu M等人提出的触觉反馈智能手套
研究展望
PZT材料及其复合物具有稳定性好、易掺杂改性、灵敏度高、响应速度快及压电常数大等优点，在触觉传感器领域有着不可忽略的价值与潜力。随着材料科学，尤其是纳米材料的出现，PZT材料可很好地改善传统的易脆性等缺点。虽然基于PZT的触觉传感器已经取得了跨越式的发展，但目前仍有一些关键技术需要进一步攻克，包括成本较高、功能集成单一、高密度阵列信号串扰等一系列问题亟待解决。相信随着研究的深入和技术的发展，未来PZT触觉传感器将会兼顾自供电、自修复、自清洁等功能，以体积小、性能高的优势应用于各种复杂环境中。
论文信息：
DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2022.04.023
