压电式触觉传感器优化技术及应用研究进展

人类感知世界的主要方式之一是触觉。同样，机器也需要依靠触觉传感器来与外界进行交互和感知，这已成为机器人与环境沟通的关键媒介。目前，市场上已存在多种基于不同原理的触觉传感器，主要分为压阻式、电容式、压电式、摩擦电式、光学式和磁力式等类型。其中，压电式触觉传感器凭借自发电、高柔韧性以及高灵敏度等特性，在众多技术路线中占据了重要地位。如今，这类传感器已被广泛应用于电子皮肤、医疗检测、力学分析以及触觉感知等领域，特别是在引入人工智能（AI）技术后，其检测准确性和应用效果得到了显著提升。

一篇由北京信息科技大学传感器重点实验室高国伟教授团队撰写，并发表在《微纳电子技术》上的综述文章，系统梳理了压电式触觉传感器的研究进展。文章简要对比了有机与无机压电材料在压电性能和机械性能方面的优劣，深入评述了压电材料的改进方向与制备工艺，并重点探讨了如何通过结构优化及使用复合材料来提升传感器性能。此外，文章还总结了压电触觉传感器在医疗诊断、电子皮肤、人工智能、三维力监测等领域的应用成果，并对其未来发展前景进行了展望。

压电式触觉传感器

压电式触觉传感器所使用的压电材料主要分为无机、有机和复合材料三大类。无机材料方面，常用的有锆钛酸铅（PZT）、钛酸钡（BaTiO3）、钛酸铅（PbTiO3）和铌酸锂（LiNbO3）等；有机材料则主要集中于聚偏二氟乙烯（PVDF）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）。以PZT为代表的无机材料虽然具备较高的压电参数，但脆性大、张力弱，在需要柔性的应用场景中局限性明显。相比之下，PVDF柔韧性好、重量轻，非常适合可穿戴等对柔性有较高要求的领域，并兼具良好的压电与热释电性能，但在灵敏度和压电系数方面仍不及PZT等无机材料。复合材料则旨在通过取长补短，将无机材料的高压电性能与有机材料的高柔韧性相结合，从而弥补各自的技术短板。

目前市面上的压电传感器大多采用扁平或纤维状结构，这在一定程度上限制了机电耦合的灵活性。3D打印技术的引入为这一领域带来了新的转机——通过3D设计，可以获得更优化的机电响应，输出电压得以提高，器件灵敏度也随之提升。在材料改进与制备工艺方面，研究人员已探索出多种路径，例如制备掺杂钛酸钡纳米粒子的PVDF纤维、不同体积分数PZT的PDMS复合薄膜、无需极化即可具备压电性能的3D打印传感器系统，以及通过长丝挤压技术制备液晶聚合物-PZT复合材料等。

在传感器设计优化方面，通过增加新结构来拓展功能、增强性能，是一种行之有效的思路。2020年，J.Wang等人基于Z.L.Wang团队的研究，利用压电材料的机械响应产生压电势，以替代FET的栅极电压，设计了一款高性能、高能效、全柔性的压电式触觉传感器。该传感器中，PVDF阵列与并五苯晶体管并联耦合，结构如图1所示。其压力灵敏度达到5.17 kPa⁻¹，检测极限为175 Pa，响应时间为150 ms，不仅节能、灵活，还能识别10至200克的不同质量，并实时检测手腕的弯曲幅度（0°至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

触觉表面纹理存在三个独立维度：粗糙度、硬度，以及反映挤压弹性的第三种维度。其中，粗糙度是主要的感知维度，对人类和机器人的触觉对象识别影响显著。2021年，K.Kim等人开发了一套名为“触觉化身”的系统，该系统利用人类触觉决策进行训练，能够做出类似人类的触觉判断，如图2所示。系统由一个采用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组成，其传感器分辨率与人类皮肤触觉感受器相当。

图2 触觉化身系统示意图

从现实复杂环境中获取准确的触觉信息，是推动应用落地的关键。然而，普通触觉传感器通常只能提供压力的大小，而无法判断力的方向来源。因此，能够识别三维力的触觉传感器成为了新的研究热点。2021年，张艳芳等人设计了一款基于PVDF的三维力传感器，能够实现动态三维力测量。与传统四棱台结构不同，他们采用了3个PVDF传感器，相互夹角为120°，外层受力介质是直径为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

在电子皮肤的材料选择上，可以通过机械抛光或化学手段将固体材料厚度大幅降低，以获得足够的柔韧性，但这种方法往往成本高、工艺复杂，实用性不强。加之现有制备技术的限制，薄膜器件的单位密度依然偏低。2020年，Y.M.Liu等人提出了一种大型高通量触觉传感器阵列的制备方法，利用该方法制备的PZT触觉传感器阵列分辨率高，并能简化数据采集、降低成本。他们制备的4×4阵列电子皮肤示意图如图4所示，该阵列在手部运动及压力传感等多种场景中，展现了高分辨率与高准确性。

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）能够监测心电图、体表温度等数据，并通过无线方式传输至云端或计算机，医生可据此快速评估佩戴者的身体状况。如果在HAMS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相结合，能够实现HAMS与佩戴者之间的双向、直接沟通，使佩戴者可以即时接收信息。K. Kanda等人研制了一种新型低功耗微型触觉装置，能够产生振动刺激，该装置由PZT薄膜及聚合物组成，结构如图5所示。聚合物与PZT的结合提升了装置的耐久性，实现了低电压、低功耗的运行。

图5 触觉装置结构示意图

研究展望

近年来，无铅压电材料越来越受到关注，相关研究也取得了显著进展。纯钛酸钡（BTO）和铌酸钾钠（KNN）陶瓷的压电常数，原本比PZT基陶瓷低得多，但随着研究的深入——例如纳米畴对无铅材料压电性能的影响——改良后的BTO、KNN和钛酸铋钠（BNT）基陶瓷，其压电性能已经得到了大幅提升。

通过对压电式传感器结构进行改进，并引入其他技术、实现多传感器融合，传感器能够检测的数据种类越来越多。这仍然是未来研究的重点方向。获取更丰富的信息，意味着传感器的准确性可以提高，应用场景也能进一步拓宽。在提升准确性方面，采用阵列式分布可以搭建一个理想的交叉验证平台，有效减少信号中的随机噪声和系统噪声，从而使数据更加可靠。

展望未来，压电式触觉传感器的发展潜力十分可观。智能化、小型化、高灵敏度、多信息化以及自供能，将是主要的发展方向。而3D打印、人工智能等新技术，复合材料、无铅材料等新材料，与新型传感器结构的深度融合，正在为这一领域开辟更加广阔的发展道路。

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