壓電式觸覺傳感器的優(yōu)化與應(yīng)用研究進(jìn)展

觸覺是人類認(rèn)知外界的重要感知途徑，觸覺傳感器也是機(jī)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。壓電式觸覺傳感器憑借著自發(fā)電、高柔韌性、高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)在觸覺傳感器領(lǐng)域占據(jù)重要地位。目前壓電式觸覺傳感器在電子皮膚、醫(yī)療檢測、力學(xué)檢測和觸覺檢測等方面都有廣泛的應(yīng)用，特別是在結(jié)合人工智能（AI）后，使壓電式觸覺傳感器的準(zhǔn)確性得到進(jìn)一步提高。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，針對(duì)壓電式觸覺傳感器的研究進(jìn)展，北京信息科技大學(xué)傳感器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高國偉教授等人進(jìn)行了綜述分析，簡述了有機(jī)、無機(jī)壓電材料在壓電性能和機(jī)械性能上的優(yōu)劣，對(duì)壓電材料的改進(jìn)與制備工藝進(jìn)行了評(píng)述，重點(diǎn)闡述了通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)和使用復(fù)合材料的方式提升壓電式觸覺傳感器性能的相關(guān)研究，以及壓電觸覺傳感器在醫(yī)療診斷、電子皮膚、人工智能、三維力監(jiān)測方面的應(yīng)用進(jìn)展，最后對(duì)壓電式觸覺傳感器的發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)與展望。相關(guān)內(nèi)容以“壓電式觸覺傳感器的優(yōu)化與應(yīng)用的研究進(jìn)展”為題發(fā)表在《微納電子技術(shù)》期刊。

壓電式觸覺傳感器

壓電式觸覺傳感器使用的壓電材料分為無機(jī)材料、有機(jī)材料和復(fù)合材料，無機(jī)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(jī)材料采用聚偏二氟乙烯（PVDF）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）等。PZT這類無機(jī)壓電材料有著較高的壓電參數(shù)，但也有著過脆的特點(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)域有著較好的應(yīng)用，同時(shí)其還有較好的壓電與熱釋電性能，不過在靈敏度和壓電性能方面都不及PZT等無機(jī)壓電材料。而復(fù)合壓電材料可以將無機(jī)壓電材料與有機(jī)壓電材料的各自的優(yōu)點(diǎn)，即高壓電性能和高柔韌性結(jié)合起來，并彌補(bǔ)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(jié)構(gòu)，因此僅限于使用單一的壓電常數(shù)來進(jìn)行機(jī)電耦合。壓電材料在3D打印時(shí)可從3D設(shè)計(jì)中獲得改進(jìn)的機(jī)電響應(yīng)，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?jǐn)?shù)鋯鈦酸鉛的聚二甲基硅氧烷復(fù)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(tǒng)、通過長絲擠壓技術(shù)制備液晶聚合物-鋯鈦酸鉛復(fù)合材料的制備方法等。

在壓電式觸覺傳感器的設(shè)計(jì)優(yōu)化方面，通過增加新結(jié)構(gòu)，可以拓展壓電式觸覺傳感器的功能，增強(qiáng)其性能。2020年，J.Wang等人基于Z.L.Wang研究團(tuán)隊(duì)利用壓電材料的機(jī)械響應(yīng)產(chǎn)生的壓電勢代替FET的柵極電壓，設(shè)計(jì)了一種高性能、高能效、全柔性的壓電式觸覺傳感器，該傳感器中的PVDF陣列與并五苯晶體管并聯(lián)耦合，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。這種傳感器的壓力靈敏度、檢測極限和響應(yīng)時(shí)間分別為5.17 kPa?1、175 Pa和150 ms，而且節(jié)能、靈活、性能優(yōu)異，同時(shí)可以識(shí)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

壓電式觸覺傳感器的應(yīng)用

觸覺表面紋理中存在3個(gè)獨(dú)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，在人類和機(jī)器人的觸覺對(duì)象感知中起著重要作用。2021年，K.Kim等人開發(fā)了一個(gè)觸覺化身系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用人類對(duì)應(yīng)的觸覺決策進(jìn)行訓(xùn)練，能夠做出類似于人類的觸覺決策，如圖2所示，包括一個(gè)由壓電材料制成的多陣列觸覺傳感器，以及一個(gè)基于人類觸覺認(rèn)知的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)。其傳感器有著與人類皮膚觸覺感受器相同的分辨率。

圖2 觸覺化身系統(tǒng)示意圖

從現(xiàn)實(shí)環(huán)境的復(fù)雜條件下獲取所需的觸覺信息十分重要。通常的觸覺傳感器只能提供力的大小，無法提供力的方向來源，可以識(shí)別三維力的觸覺傳感器已經(jīng)成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。2021年，張艷芳等人設(shè)計(jì)了一款基于PVDF的三維力傳感器，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)三維力測量。不同于傳統(tǒng)的四棱臺(tái)結(jié)構(gòu)，張艷芳等人的設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 三維力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)于電子皮膚的材料，可以通過機(jī)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，但這一過程往往過于成本高且復(fù)雜，并不實(shí)用。電子皮膚受到現(xiàn)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傳感器陣列的制備方法，采用該方法制備的PZT觸覺傳感器陣列具有高分辨率，可以簡化數(shù)據(jù)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(yùn)動(dòng)以及壓力傳感場景中展現(xiàn)了高分辨率和高準(zhǔn)確性的特點(diǎn)。

圖4 具有4 × 4陣列的電子皮膚示意圖

人類活動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)（HAMS）可以監(jiān)測心電圖、體表溫度等數(shù)據(jù)，并通過無線傳輸將數(shù)據(jù)傳輸至云端或者計(jì)算機(jī)，這使醫(yī)生可以快速及時(shí)地對(duì)佩戴者身體數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估。在HAMS系統(tǒng)中增加觸覺功能，即可穿戴系統(tǒng)通過觸摸或振動(dòng)來刺激佩戴者。觸覺傳感器與觸覺裝置的結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)如圖5所示。聚合物和PZT結(jié)合可提高耐久性，所制備的觸覺裝置具有低電壓、低功耗的特點(diǎn)。

圖5 觸覺裝置結(jié)構(gòu)示意圖

研究展望

近期無鉛壓電材料受到更多關(guān)注，同時(shí)對(duì)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(shù)要比PZT基陶瓷的低得多，隨著研究的進(jìn)展（諸如進(jìn)一步研究納米疇等對(duì)無鉛材料壓電性能的影響），經(jīng)過改良后的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(duì)壓電式傳感器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)以及引入其他技術(shù)和多傳感器相結(jié)合，使傳感器能檢測到的數(shù)據(jù)種類得到增加，這方面仍是未來研究的趨勢，通過獲取更多信息能進(jìn)一步提高傳感器的準(zhǔn)確性并拓寬應(yīng)用場景。而對(duì)于提高傳感器的準(zhǔn)確性，傳感器采取陣列式分布，可以為交叉驗(yàn)證獲得的信號(hào)搭建一個(gè)理想的平臺(tái)，從而減少信號(hào)中的隨機(jī)噪聲和系統(tǒng)噪聲，進(jìn)而提高準(zhǔn)確性。

展望未來，壓電式觸覺傳感器有著極大的發(fā)展?jié)摿?，將?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(fù)合材料、無鉛材料等新材料與新型傳感器結(jié)構(gòu)相結(jié)合，更進(jìn)一步為壓電式觸覺傳感器的發(fā)展拓寬了道路。

審核編輯：劉清