PZT觸覺傳感器

人體皮膚通過與物體表面的接觸，對物體的粗糙度、硬度、導熱性、溫度、濕度、銳利性、振動、觸覺力、觸覺壓力等物理性能的進行綜合反應。

機器人則可以通過觸覺傳感器與物體相接觸或相互作用來完成對物體表面特征和物理性能的感知。觸覺傳感器的分類：按功能大致可分為接觸覺傳感器、力矩覺傳感器、壓覺傳感器和滑覺傳感器等。七種主要觸覺傳感器傳感原理

幾種觸覺傳感器的工作原理

1、壓阻式觸覺傳感器

利用彈性體材料的電阻率隨壓力大小的變化而變化的性質(zhì)制成，并把接觸面上的壓力信號變?yōu)殡娦盘枴?

A，當正應力作用在傳感梁上時，傳感器通過四個懸梁臂上表面的壓阻敏感薄膜的變形情況檢測正應力的大小。

B，當剪切力作用在傳感器表面時，懸梁臂側面的壓阻敏感薄膜發(fā)生形變，以此來檢測剪切力的大小。

2、電容效應式觸覺傳感器

在外力作用下使兩極板間的相對位置發(fā)生變化，從而導致電容變化，通過檢測電容變化量來獲取受力信息。

當在傳感器表面施加三維力F，且F與X-Y平面、X-Z平面的則F的三個分力可表示為：夾角分別為：

z方向的分力對應電容器的極板間距（即介電層的厚度）的變化；x、y方向的分力對應于電容器兩極板間的疊加面積的變化；最后將電容值的變化轉化成電壓信號實現(xiàn)對F的測量。

3、磁導式觸覺傳感器

在外力作用下磁場發(fā)生變化，并把磁場的變化通過磁路系統(tǒng)轉換為電信號，從而感受接觸面上的壓力信息。優(yōu)點：靈敏度體積小，輸出隨磁場強度成比例變化的模擬電壓信號，靈敏度很高，工作條件要求很低，只要提供有變化的磁場就可以工作。

觸覺傳感的發(fā)展趨勢

根據(jù)對觸覺特殊性和機器人觸覺傳感技術研究歷史現(xiàn)狀的分析，觸覺傳感技術向著陣列化觸覺傳感器、三維力觸覺傳感器和柔順觸覺傳感器的方向發(fā)展。

1、陣列化觸覺傳感器

獲取觸覺信息必須使觸覺傳感器與物體進行直接接觸以獲取信息，因此表面接觸面積越大，獲取的信息量就越多。

20世紀90年代以來，為獲取不同位置、不同時間的觸覺信息，觸覺傳感技術向陣列化、高密度方向發(fā)展。

2、三維力觸覺傳感器

一方面，機器人必須有三維觸覺感能力，才能可靠完成抓取和操作任務。安全可靠抓取目標的關鍵就是對機械手與目標物體間相對滑動的控制。

另一方面，機器人的工作環(huán)境要求機器人能夠靈活地行走，而機器人行走過程至少是x、y、z三個方向的力發(fā)生作用。因此三維力觸覺傳感器成為智能機器人研究的關鍵部分。

3、柔順觸覺傳感器

為了真正實現(xiàn)觸覺的擬人化，國際上目前正在致力于人工觸覺皮膚的研究，即使觸覺傳感器從物理特性上像人的皮膚一樣柔軟，并可粘貼安裝在任何欲使用的載體表面。因此作為人工觸覺皮膚一項重要性能指標的柔順化，成了近年來觸覺傳感技術發(fā)展的研究趨勢。

觸覺傳感器工業(yè)制造中的應用

在工業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)中，幾乎都需要傳感器進行監(jiān)測，并把數(shù)據(jù)反饋給控制中心，以便對出現(xiàn)的異常節(jié)點進行及時干預，保證工業(yè)生產(chǎn)正常進行。新一代的智能傳感器是智能工業(yè)的“心臟”，它讓產(chǎn)品生產(chǎn)流程持續(xù)運行，并讓工作人員遠離生產(chǎn)線和設備，保證人身安全和健康。例如，著名汽車制造商特斯拉、寶馬等的汽車制造車間幾乎空無一人，全靠工業(yè)機器人完成組裝、噴漆、檢測等工作。觸覺傳感器將賦予機器人更類似于人的觸覺，完成抓、握、捏、夾、推、拉等更多靈巧的作業(yè)，實現(xiàn)更多的功能。

PZT的壓電觸覺傳感器

觸覺傳感器作為機器觸覺不可缺少的一部分，可將外界環(huán)境狀態(tài)轉變?yōu)榭杀粶y量的電信號，達到壓力檢測、溫濕度感知及材質(zhì)預測等目的，實現(xiàn)與人類皮膚相似的效果。鋯鈦酸鉛（PZT）由于具有靈敏度高、響應速度快及壓電常數(shù)大等優(yōu)點，被廣泛應用于觸覺傳感器及超聲換能器等領域。

PZT觸覺傳感器的工作原理及制作工藝

PZT是一種人造多晶壓電材料，可實現(xiàn)機械能與電能的雙向轉換。當施加固定方向應力時，材料發(fā)生形變，內(nèi)部發(fā)生電極化現(xiàn)象。如圖1所示。PZT觸覺傳感器的制作關鍵是PZT壓電薄膜的制備，其結構如圖2所示，一般由上下電極、PZT薄膜、連接層和基底構成。

圖1PZT極化過程

圖2PZT觸覺傳感器結構

隨著薄膜技術的不斷進步，研究人員已開發(fā)出多種PZT壓電薄膜制備方法，其中溶膠－凝膠法、化學氣相沉積法、水熱合成法、磁控濺射法和脈沖激光沉積法應用較廣。（1）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，有利于復合材料的制備，且還具有價格低及可大面積制備等優(yōu)點。（2）化學氣相沉積法是近幾十年發(fā)展的無機材料制備工藝，通過氣態(tài)物質(zhì)在氣固界面上的反應生成固態(tài)沉積物（如PZT薄膜）。氣溶膠沉積法作為化學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，在MEMS技術和微量全分析系統(tǒng)中展現(xiàn)出廣闊的應用前景。（3）水熱合成法制膜是一項具有很大潛力的液相成膜技術，在壓電厚膜領域有廣泛的應用，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)生進一步反應或重結晶，之后通過晶體生長階段制得PZT厚膜。（4）磁控濺射法作為物理氣相沉積技術中的一種，在最近50年得到了快速發(fā)展。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。（5）脈沖激光沉積法作為一種頗具優(yōu)勢的薄膜技術，具有薄膜組分易標定及沉積速率快等優(yōu)點，在熱學、光學與電子學等領域得到了廣泛的應用。

PZT觸覺傳感器的研究進展

人工智能（AI）、機器人等概念的提出為PZT觸覺傳感器提供了一個更適合發(fā)展的平臺。為了應對工業(yè)化的需求，早日實現(xiàn)實際應用上的突破，研究人員們圍繞PZT觸覺傳感器的材料優(yōu)化、結構優(yōu)化、柔彈性優(yōu)化和可擴展性優(yōu)化等方面進行了大量的研究。

在材料方面，通過對PZT觸覺傳感器的材料進行優(yōu)化，可提高傳感器的靈敏度，更準確地獲知力的大小。壓電聚合物材料可提供較好的機械靈活性與生物相容性，將PZT材料的高靈敏度與聚合物材料的高柔韌性相結合，可制備出具有不同連通性的復合材料。

圖3SappatiKK等人制備的柔性PZT-PDMS壓電薄膜截面SEM圖

在結構方面，通過優(yōu)化PZT觸覺傳感器的結構可提高傳感器的準確度，更準確地獲知力的位置與方向。單個傳感器只能檢測一個位置的壓力，所以通常用傳感器陣列實現(xiàn)大面積壓力分布檢測。

圖4AcerM等人設計的1×3PZT傳感器陣列

在彈性優(yōu)化方面，通常可以使用傳感器陣列實現(xiàn)大面積壓力分布檢測。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。為了提高觸覺傳感器的柔彈性，各個組成部分應盡量選用彈性模量小的材料。

圖5姚寬明等人提出的柔性電子皮膚器件結構及相關展示

此外，觸覺傳感器的實際應用對其可擴展性提出了更高的要求。在各個場景中，單個單元傳感器難以滿足應用需求，大面積、高密度、長連續(xù)已成為新的研究方向。

圖6LiuY等人提出的高密度PZT觸覺傳感器及相關展示

PZT觸覺傳感器的應用

PZT觸覺傳感器在運動檢測、醫(yī)療健康、人機交互等方面具有重要應用價值。在運動檢測方面，步態(tài)檢測是繼人臉識別、指紋識別等常規(guī)生物識別技術后的新興技術，具有更高的準確性、環(huán)境適應性等優(yōu)勢。與此同時，步態(tài)檢測也可用于醫(yī)療健康領域，輔助術后康復、日常監(jiān)測等。

圖7ZhuM等人提出的多功能襪用于步態(tài)檢測

在醫(yī)療健康領域，可植入電子設備為醫(yī)療提供了一個新途徑，通過這些設備可更便捷地對人體狀況進行監(jiān)測或調(diào)節(jié)機體活動。納米技術的飛速發(fā)展使可植入電子設備的體積越來越小，但這也使設備的能量供應成為新的挑戰(zhàn)。由于壓電效應的存在，利用柔性觸覺傳感器可將人體內(nèi)普遍存在的機械能轉化為電能，達到自供電的特性。

圖8LuB等人提出的基于PZT的超柔性能量采集器用于心臟能量采集

人機交互實現(xiàn)了人與機器間的信息傳遞，可幫助使用者更直觀、有效地完成所需操作。視覺識別和聽覺識別是人機交互中重要的解決方案，但都難以實現(xiàn)精細化的感知。觸覺識別具有高精度的特點，可作為人機交互中的一種重要補充方案。

圖9ZhuM等人提出的觸覺反饋智能手套

研究展望

PZT材料及其復合物具有穩(wěn)定性好、易摻雜改性、靈敏度高、響應速度快及壓電常數(shù)大等優(yōu)點，在觸覺傳感器領域有著不可忽略的價值與潛力。隨著材料科學，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。雖然基于PZT的觸覺傳感器已經(jīng)取得了跨越式的發(fā)展，但目前仍有一些關鍵技術需要進一步攻克，包括成本較高、功能集成單一、高密度陣列信號串擾等一系列問題亟待解決。相信隨著研究的深入和技術的發(fā)展，未來PZT觸覺傳感器將會兼顧自供電、自修復、自清潔等功能，以體積小、性能高的優(yōu)勢應用于各種復雜環(huán)境中。

PZT薄膜的制備與刻蝕

PZT是鉛鋯鈦酸鹽（LeadZirconateTitanate）的簡稱，是一種常用的壓電陶瓷材料。PZT具有很高的壓電系數(shù)，因其出色的壓電性能，廣泛應用于各種壓電設備中，如壓電傳感器，壓電馬達，壓電陶瓷聲波器件等。

壓電效應是某些晶體材料在受到機械壓力時會產(chǎn)生電荷，或者在電場作用下會發(fā)生形狀變化的現(xiàn)象。壓電效應可以分為兩種，稱為正壓電效應和負壓電效應。PZT材料就具有很好的壓電效應，可以將電能轉化為機械能，即負壓電效應，或者將機械能轉化為電能，即正壓電效應。

此外，PZT材料還具有良好的介電性能，熱穩(wěn)定性，以及高的機械強度和硬度，因此在電子，電力，航空等領域也有廣泛的應用。

制造PZT薄膜有很多方法，常見的方法包括溶液沉積法（Sol-Gel），濺射（Sputtering），金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）等。溶液沉積法（Sol-Gel）前驅體溶液的制備：在適當?shù)娜軇┲谢旌香U、鋯和鈦的有機金屬鹽，例如鉛醋酸鹽、醋酸鋯和醋酸鈦。通常還需要添加一些有機配體，如乙醇胺，以穩(wěn)定溶液并控制反應。然后通過加熱、攪拌等手段將這些鹽溶解在溶劑中，形成前驅體溶液。

薄膜的制備：將前驅體溶液通過旋涂、浸涂、噴涂等方法在基底上形成薄膜。旋涂是最常用的方法，它可以在基底上形成均勻的薄膜。涂覆后，需要在一定溫度下進行初步干燥，以去除溶液中的溶劑。熱處理：將干燥后的薄膜在高溫下進行熱處理，使前驅體溶液中的有機物質(zhì)分解并揮發(fā)，同時鉛、鋯和鈦的離子會發(fā)生反應，形成PZT相。這個過程通常需要在氧氣或空氣的環(huán)境下進行，以防止PZT的氧化。退火：最后，通常需要進行一次高溫退火，以改善PZT薄膜的結晶性，消除缺陷，提高性能。這種方法可以比較簡單地制備出具有良好結構和性能的PZT薄膜，而且可以在較低的溫度下進行，因此對設備的要求不高。然而，它對工藝條件和環(huán)境的控制要求比較高，需要經(jīng)過一系列的優(yōu)化才能得到滿意的結果。

濺射（Sputtering）通過在高真空環(huán)境中，使用射頻（RF）電源在靶材（PZT）和基底之間形成等離子體，從而使靶材的原子或分子濺射到基底上形成薄膜。這種方法可以制備出具有良好結晶性和較高致密性的PZT薄膜，但設備成本較高。

金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）通過將含有鉛，鋯，鈦元素的有機金屬前驅體氣化，然后在高溫下在基底上分解以形成PZT薄膜。這種方法可以制備出具有良好結晶性和較高致密性的PZT薄膜，而且薄膜厚度和組成可以精確控制，但設備成本較高，且對前驅體的選擇和反應條件的控制要求較高。

PZT的刻蝕濕化學刻蝕這種方法主要使用酸或堿的溶液來刻蝕PZT材料。通常選擇的刻蝕劑包括鹽酸、硝酸、醋酸、氫氟酸或者它們的混合物?？涛g過程通常在一定的溫度和時間下進行，以達到預期的刻蝕深度和形貌。然而，濕刻蝕可能會造成刻蝕側壁的斜率無法控制，且可能引入表面缺陷。干法刻蝕

干刻蝕是在真空或低壓環(huán)境下進行的刻蝕，常見的方法有反應離子刻蝕（RIE,ReactiveIonEtching）和離子束刻蝕（IBE,IonBeamEtching）。這些方法可以實現(xiàn)方向性刻蝕，有利于形成具有陡峭側壁的微結構。例如，RIE常用氣體包括氟化碳類氣體（如CF4）和氬氣，它們能夠有效地刻蝕PZT材料。干法刻蝕通常需要較為復雜的設備，但可以實現(xiàn)較高的刻蝕精度和方向性。

鋯鈦酸鉛（PZT）壓電陶瓷由于其優(yōu)異的壓電性能、溫度穩(wěn)定性和較高的居里溫度，已經(jīng)被廣泛應用于超聲成像、距離傳感、能量收集等領域。然而，隨著超聲成像對于分辨率的要求越來越高，其核心壓電超聲換能器的頻率需要進一步提升。對于PZT壓電陶瓷而言，頻率的提升意味著需要更薄的厚度，導致加工難度增大，且制造成本急劇增加。PZT薄膜可以解決上述問題，并且擁有更小的體積和功耗，成為極具前景的壓電材料體系之一。此外，由于具有成分可調(diào)性，PZT可以基于應用場景的性能需求，實現(xiàn)其壓電性能、介電性能和鐵電性能在較大范圍內(nèi)的調(diào)控。因此，通過制備工藝的調(diào)控，實現(xiàn)不同性能水平PZT薄膜的合成尤為重要。

PZT薄膜的制備工藝中，主要有溶膠凝膠法（Sol-gel），磁控濺射（MagnetronSputtering），脈沖激光沉積（PulsedLaserDeposition），其基本過程、優(yōu)缺點如表1所示。相較于其他兩種方法，磁控濺射由于制備薄膜質(zhì)量高、產(chǎn)率高、基底面積大等優(yōu)勢，在高效制備大面積、厚膜PZT方面脫穎而出。

表1溶膠凝膠法、磁控濺射、脈沖激光沉積三種方法的基本過程和優(yōu)缺點

基于前期磁控濺射制備金屬/氧化物多層膜體系的研究，濺射工藝參數(shù)會影響薄膜內(nèi)部微觀結構，從而影響性能。因此，對于PZT薄膜而言，研究并建立磁控濺射工藝參數(shù)、薄膜微觀結構和宏觀性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，具有重要意義。

濺射分類

根據(jù)濺射過程是否存在化學反應，可以分為直流反應濺射和射頻濺射。兩種濺射的反應原理、基本過程和優(yōu)缺點如表2所示。一般來說，射頻濺射由于其可控性更強，在PZT薄膜的制備中更為常用。

表2直流反應濺射和射頻濺射的對比

制備與結構

磁控濺射的工藝參數(shù)有很多，其中以基底、濺射溫度、濺射氣壓和退火條件等四個參數(shù)最為關鍵。該部分基于文獻調(diào)研，詳細討論了四種工藝參數(shù)對PZT薄膜成分、結晶度、取向和晶粒大小等四種典型微觀結構的影響，歸納總結了一般性的普適規(guī)律。此外，文章中簡略討論了濺射功率、靶材工藝、濺射速率等參數(shù)的影響規(guī)律。

圖2(a)不同襯底上沉積的PZT薄膜的取向變化；縱軸表示不同取向的相對比例(b)PZT薄膜中Pb/（Zr+Ti）的成分比與Ti/Pt比的函數(shù)(c)Ti在Ar（上部）和O2（下部）氣氛中通過Pt晶界擴散的模型(d)沒有PZT籽晶層和(e)有PZT籽晶層的沉積態(tài)和退火后的PZT薄膜XRD圖譜

圖3(a)鉛含量和鋯鈦比隨濺射溫度的變化(b)濺射溫度對PZT薄膜相結構的影響(c)不同溫度下濺射的PZT薄膜的XRD圖譜(d)晶粒尺寸隨濺射溫度的變化

圖4(a)PZT薄膜成分與濺射氣壓的關系(b)PZT薄膜的相組成與壓力和濺射溫度的關系；插圖為樣品A-C的表面形態(tài)(c)不同壓力下沉積的PZT薄膜的相結構和取向的變化(d)不同O2/Ar比下PZT薄膜的XRD圖譜

圖5(a)在不同溫度下退火PZT薄膜的XRD圖譜(b)濺射溫度、退火溫度和PZT薄膜中鈣鈦礦相相對含量之間的關系(c)在不同溫度（25和200°C）下沉積的PZT薄膜的晶粒尺寸與退火溫度的關系(d)沉積態(tài)（×1/2）、傳統(tǒng)退火處理（×10）和快速熱退火處理（×1）PZT薄膜的XRD圖譜

結構與性能

成分、結晶度、取向和晶粒尺寸等微觀結構，對于PZT薄膜的介電、壓電、鐵電等性能均有很大的影響。本部分詳細討論了兩者之間的耦合關系，為不同應用場景下性能的按需調(diào)控提供了理論可行性。

圖6(a)相對介電常數(shù)εr與鋯鈦比的關系(b)鉛含量對εr的影響(c)取向和膜厚與εr的關系(d)不同頻率下晶粒尺寸對εr的影響

圖7(a)PZT薄膜的壓電常數(shù)d33與成分的關系(b)不同電場下d33與取向的關系(c)晶粒尺寸與壓電常數(shù)d31的關系(d)厚度對PZT薄膜d33的影響

圖8(a)剩余極化Pr隨成分（Zr/Ti比）和取向的變化(b)PZT薄膜中成分和取向對矯頑場強Ec的影響(c)PZT薄膜的Pr和Ec值隨成分的變化(d)PZT薄膜的厚度對鐵電性能的影響

微機電系統(tǒng)（micro-electro-mechanicalsystem，MEMS）器件是各種功能器件的集合于一體的微型器件。在MEMS器件中，為實現(xiàn)不同功能，需選用不同的功能材料，壓電材料是MEMS器件的關鍵材料之一。隨著壓電材料在MEMS領域的不斷探索，目前主要應用領域有微型系統(tǒng)，鐵電存儲器和高頻電子器件。

基于PZT薄膜的微系統(tǒng)器件進展

鋯鈦酸鉛壓電陶瓷（Pb-basedlanthanum-dopedzirconatetitanates，PZT）化學式為Pb（Zr11xTix）O3的二元系壓電陶瓷，屬鈣鈦礦結構。PZT可以實現(xiàn)機械能（應力、形變）和電能（電荷、電壓、電流）之間的雙向能量轉換。由于其特有的雙向壓電效用，使其成為智能MEMS傳感器的理想材料。結合MEMS系統(tǒng)中傳感和驅動兩部分模塊，使壓電材料更適宜于MEMS領域。基于壓電效應的MEMS傳感器有加速度計、聲傳感器、超聲換能器和執(zhí)行器包括微型馬達、微型泵等。

1PZT薄膜在微系統(tǒng)器件中應用

1.1PZT傳感器

1993年日本京都大學的LeeC等人研究了PZT壓電薄膜力敏傳感器，該力敏傳感器采用溶膠—凝膠工藝制備PZT薄膜。PZT微懸臂梁通過外力產(chǎn)生形變，使懸臂梁發(fā)生振動，再利用外加電壓使懸臂梁發(fā)生縱向位移。該壓電懸臂梁尺寸為200μm×50μm。經(jīng)過計算和實驗測試，該結構的彈簧常量為8.7N/m，諧振頻率為72.5kHz。

兩種不同結構的微型加速度計示意圖如圖1所示。圖1(a)四梁結構微型加速度計的敏感薄膜采用PZT薄膜材料，經(jīng)制作，該加速度計平行方向靈敏度為8pC/g，垂直方向靈敏度為22pC/g，首次實現(xiàn)單質(zhì)量塊3D加速度測量。圖1(b)是Trolier-McKinstryS小組研究設計的環(huán)形薄膜片結構，這種環(huán)形薄膜片制作工藝簡單，成品率高，傳感面積大，靈敏度高。靈敏度根據(jù)結構尺寸的不同可以達到（0.77~7.6）pC/g，諧振頻率35.3~3.7kHz。

圖1四梁結構和環(huán)形結構的壓電加速度計示意

敏感薄膜的厚度是影響薄膜材料電性能的關鍵因素，所以提出在制備多層結構疊加的PZT薄膜。2018年劉揚等人設計制作了一種柔性壓力傳感器，該柔性傳感器以聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）作為柔性襯底，在其表面生長一層氧化銦錫，將其圖形化成叉指電極結構；制備PZT納米纖維薄膜，并轉移到PET襯底上；最后在PZT薄膜上制備聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜。PZT納米纖維柔性壓力傳感器樣品如圖2所示。該柔性傳感器在20~60kPa內(nèi)，傳感器的開路電壓隨壓強的增大而增大，最大約為10V，其中靈敏度約為180mV/kPa。

圖2PZT納米纖維柔性壓力傳感器樣品

1.2PZT能量收集器

RajendraKS等人在2003年就在MEMS工藝的基礎上制備出了微型的壓電式能量收集器，可實現(xiàn)小型無線傳感器自供電功能，避免外接電源和斷電等問題發(fā)生。如圖3所示。

圖3壓電微能量收集器示意

該結構諧振頻率為13.7kHz，當施加此頻率的外接激勵時，懸臂梁懸浮端可產(chǎn)生約為3μm的縱向位移，此時輸出電能達1μW，直流電壓達2.36V，經(jīng)后續(xù)處理，產(chǎn)生的電能可存儲于電容中，用于為整個MEMS系統(tǒng)供電。

2010年日本的MorimotoK等人在（001）Pt/MgO襯底上外延生長了（001）晶向的PZT薄膜，所制備的能量收集器的機電轉換效率得到很大提升。圖4為該壓電能量收集器的仿真結構示意圖和樣品圖。

圖4壓電能力收集器結構和實物照片

該能量收集器的懸臂梁采用不銹鋼材料作為襯底，可提高輸出功率，降低共振頻率。利用刻蝕及成膜技術，在該不銹鋼表面制備（001）晶向的PZT薄膜。該敏感結構的尺寸為20mm×5mm×50μm，經(jīng)計算仿真，該結構的諧振頻率為126Hz，約為工作環(huán)境的固有頻率。當外加激勵為5m/s2時，并聯(lián)50kΩ的輸出電阻，可實現(xiàn)機電轉換出5.3μW功率的電能。

1.3PZT驅動器

MuraltP研究小組制作的超聲微馬達示意圖如圖5所示。該結構采用濕法腐蝕、光刻、蒸發(fā)等MEMS工藝技術實現(xiàn)。PZT壓電敏感薄膜的上電極采用兩個環(huán)形結構。實現(xiàn)電荷傳導。當對壓電敏感膜施加外接電壓時，由于逆壓電效應，懸浮膜片發(fā)生振動，使轉子運動，微馬達運轉工作。采用此方法制備的超聲微馬達優(yōu)點是厚度薄，轉矩高，該結構的微型馬達能產(chǎn)生0.3μNm/Vrms的轉矩，遠大于同尺寸的靜電微馬達。

圖5壓電薄膜膜片式定子的超聲微馬達

2012年日本的KandaK等人利用磁控濺射技術成功制備出了雙層PZT壓電薄膜微作動器。從圖6(a)中可以看出兩層PZT薄膜結構類型一致。從圖6(b)中可以看出，在外加激勵電壓相同時，雙層PZT薄膜結構的變形位移是單層PZT薄膜的2倍以上。因此得出結論，多層PZT薄膜疊加技術可實現(xiàn)MEMS器件的多層驅動。

圖6雙層PZT膜特性

2018年王歡等人設計了懸臂梁式壓電微驅動器。為實現(xiàn)該微驅動器的制備，材料上選用壓電性能良好的PZT材料；采用鍵合工藝，利用0.9μm厚的Au層，將PZT材料與硅襯底鍵合；采用減薄工藝將PZT材料減薄至30μm，再通過濕法腐蝕工藝完成微驅動器結構的制作。最后利用準分子激光器實現(xiàn)預制溝槽PZT薄膜。所制備的懸臂梁式微壓電驅動器的大小尺寸為1450μm×300μm×69.8μm。經(jīng)測試，該壓電微驅動器的諧振頻率為18.43kHz。采用該方法制備的懸臂梁式壓電微驅動器成品低、尺寸小，可批量生產(chǎn)。

2018年史平安等人設計了一種基于PZT和Si的蟹爪型MEMS微驅動器，樣品如圖7所示。該驅動器結構簡單，響應速度快，輸出位移大。針對該結構使用壽命較低問題，提出采用數(shù)值模擬方法，研究對壓電層材料厚度等參數(shù)對為驅動器性能的影響。經(jīng)研究，壓電材料的性能直接影響微驅動器的性能。PZT-4作為壓電層時，微驅動器的穩(wěn)定性增強但驅動響應降低;而當選PZT-5和PZT-5H作為壓電層時，微驅動器的驅動效應增強但穩(wěn)定性降低。綜合以上因素，確定蟹爪梁結構為最優(yōu)組合。

圖7微驅動器樣品

國內(nèi)現(xiàn)有的PZT傳感器研究仍然以溶膠—凝膠法為主，少數(shù)采用經(jīng)典紡絲技術及外延技術，但是隨著磁控濺射技術的不斷發(fā)展，已經(jīng)有不少學校開展了PZT磁控濺射技術方面的研究。

1.4PZT磁控濺射技術

日本京都大學的WasaK等人采用粉末靶材通過磁控濺射技術在（001）MgO制備了單c電疇的結構壓電薄膜。所制備的壓電薄膜壓電耦合系數(shù)可達70%。且該薄膜具有硬性鐵電性，機械品質(zhì)因子為185，與AlN相似。暗示了PZT薄膜有很大的應用前景。

隨后，WasaK教授在（001）MgO基片上生長出面內(nèi)無缺陷的PMnN-PZT壓電鈣鈦礦結構薄膜，制備過程中選用100nm的Pt和SrRuO3作為緩沖層。降溫過程不變。通過工藝的改變，制備的薄膜剩余極化強度達到100μC/cm2，相對介電常數(shù)約100~450，其居里溫度達到了600℃，該溫度使所制備的PZT薄膜能夠適用于更多環(huán)境中。橫向壓電系數(shù)為-12.0C/m2，與壓電晶體材料相似。這種無應力的外延薄膜與塊體材料性能相近，使其在MEMS應用中具有更高的潛力。

2015年愛發(fā)科開發(fā)出不超過500℃的低溫PZT壓電薄膜濺射工藝。多腔濺射臺可以包含用于加速晶化的快速熱退火。愛發(fā)科使用低溫濺射工藝，在硅襯底上形成黏附層、下電極層、緩沖層（專有工藝）、壓電層和上電極層五層疊加的PZT壓電薄膜MEMS工藝技術。

壓電MEMS技術的應用越來越廣泛，如用于陀螺儀、濾波器、噴墨打印機、MEMS揚聲器和麥克風、自動對焦執(zhí)行器，以及超聲波換能器和指紋識別傳感器等MEMS產(chǎn)品中。一些代工廠也開發(fā)了壓電薄膜制造技術，如Globalfoundries公司為Vesper公司代工量產(chǎn)MEMS麥克風，研究AlN壓電MEMS技術；意法半導體（STmicroelectronics）公司為Usound公司代工量產(chǎn)MEMS揚聲器，研究PZT壓電MEMS技術；博世公司在MEMS代工服務中采用愛發(fā)科的濺射設備沉積PZT、采用SPTS的SigmaPVD設備沉積AlN。

PZT壓電薄膜式未來傳感器和微系統(tǒng)發(fā)展的一個熱點，在麥克風、微鏡、噴墨頭等領域已經(jīng)有商業(yè)化的產(chǎn)品，在軍用電子元器件的低功耗、微型化、集成化方面有很強的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

觸覺傳感器在機器人中的應用（對話帕西尼感知創(chuàng)始人）

特斯拉發(fā)布了人形機器人optimus的最新二代版本。特斯拉機器人的進步包括自由度提升、手指具備熱度股東自由度、觸覺傳感器的使用等。觸覺傳感器對于機器人任務的完成具有重要作用，是未來人形機器人產(chǎn)品必須加裝的部件之一。還討論了不同觸覺傳感器的種類、原理、優(yōu)缺點以及具體設計考慮。人形機器人行業(yè)的發(fā)展前景廣闊，技術進步、需求牽引以及市場接受度的提高都將推動行業(yè)的發(fā)展。未來兩年內(nèi)，人形機器人將會在更多行業(yè)中得到應用，并帶來更多的效益。

詳細介紹

1.特斯拉機器人視頻亮點及提升

特斯拉發(fā)布的新視頻展示了其機器人的進步，包括自由度提升、手指具備兩個熱度股東自由度、觸覺傳感器的使用等。這些進步帶來了更好的抓取能力和適應性，提高了機器人的掌控能力，同時也減輕了算力需求。未來可能會有更多的可能性，如抓取更纖細的物品。

2.人形機器人觸覺傳感器的作用與好處

通過加裝觸覺傳感器，人形機器人在物體檢測與定位、力學控制、表面材質(zhì)檢測、手部指尖感知能力等方面都能有顯著提升，進而提高機器人的操作精確度和效率。觸覺傳感器對于機器人任務的完成具有重要作用，是未來人形機器人產(chǎn)品必須加裝的部件之一。

3.觸覺傳感器的原理及種類

介紹了觸覺傳感器的不同種類和性質(zhì)，包括特斯拉觸覺傳感器的應用原理和優(yōu)缺點，以及其他可能的觸覺傳感器原理，如電阻式、壓電薄膜、光學等。不同的原理都有各自的優(yōu)缺點，需要根據(jù)具體應用進行選擇。

4.觸覺傳感器的優(yōu)劣勢及設計考慮

討論了觸覺傳感器的不同方案、優(yōu)劣勢以及具體設計考慮。其中，公司選擇采用四指五自由度的方案主要考慮到任務執(zhí)行的效率和成本。同時，對于穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)傳感器的特點也進行了討論。最新技術能夠實現(xiàn)每個手指近200個傳感器的分布，提升機器人運動控制的效能。

5.觸覺傳感器在控制層面上的優(yōu)勢

提到了使用觸覺傳感器代替手腕部的六維力傳感器，帶來了成本上的削減和更加精確的控制。同時，觸覺傳感器還可以檢測重力、摩擦力等信息，進一步提升控制精度。討論中還提到了可以節(jié)省手腕部傳感器的情況，并對特斯拉步態(tài)行走方案中可能使用的傳感器進行了探討。

6.特斯拉機器人手指傳感器及熱力圖問題解答

咨詢了關于特斯拉機器人手指傳感器和熱力圖的問題，討論了腳趾是否需要傳感器、手指的自由度以及熱力圖與數(shù)學方案中的熱力圖的區(qū)別。熱力圖展示了傳感器的響應速度和力控制的幫助，但難以觀測到更多維度的數(shù)據(jù)。還提到了特斯拉手指傳感器與常規(guī)傳感器的相似性和推測。

7.手指傳感器的厚度增加及其原因猜測

討論了手指傳感器的厚度增加原因，可能是由于飛桿或連桿機構的存在，以及手指內(nèi)部的電機藏匿其中。另外，觸覺傳感器的厚薄程度并不能說明采用了哪種原理，因此很難進行推測。然后討論了手指自由度增加對傳感器算力和算法的要求，其中提到了公司的觸覺傳感器具有高響應頻率和獨立解析觸覺信息的特點。最后，認為手指傳感器的響應頻率在200到300赫茲之間，其他方面的算法提升也會帶來運動控制的提升?？刂坪诵臋C制的存在也有助于實現(xiàn)靈活操作。

8.機器人頸部的傳動裝置是否需要利控？

提到了機器人頸部的傳動裝置，以及是否需要增加力學上的替代。頸部的轉動主要是為了輔助視覺傳感器，并不需要具備力學控制。在國內(nèi)市場上，可能有個別廠商提到了頸部的相應裝置，但收益會很低。同時，機器人的觸覺傳感器數(shù)量和成本也是討論的話題，一般情況下，每個手指需要兩個傳感器，雙臂機器人需要20個傳感器，整體成本較高，大約需要數(shù)千元。

9.觸覺傳感器原理、優(yōu)缺點及成本分析

討論了公司自主研發(fā)的觸覺傳感器的原理、優(yōu)缺點以及成本分析。原理方面，觸覺傳感器采用貨幣交易原理，具有動態(tài)響應快、抗干擾能力強等優(yōu)點，但在封裝層面一致性和對外抗干擾能力上需要提升。在成本方面，采用壓阻電阻方式的傳感器成本相對較低，但需要增加信號處理的努力。而家電壓阻方案的傳感器成本較低，但響應頻率低、阻抗需求高，需要增加電控功能和薄膜提升。綜合來看，觸覺傳感器的選擇需要根據(jù)具體應用場景和需求進行權衡。

10.特斯拉機器人觸覺傳感器供應商選擇問題

徐博士在視頻中提到特斯拉的零部件和關節(jié)執(zhí)行器都是自研的，但對于觸覺傳感器的供應商選擇，他傾向于采購外部供應商的方案。他認為使用專業(yè)的觸覺傳感器公司的產(chǎn)品可以帶來更大的收益，并將更多的精力和資金投入到集成等級的部分。根據(jù)對話內(nèi)容推斷，特斯拉未來可能會采用其他供應商供貨。此外，對于觸覺傳感器的量產(chǎn)，需要解決設備、材料以及制造等環(huán)節(jié)的瓶頸，同時還需進行大量的投入和驗證。

11.國內(nèi)供應鏈中的觸覺傳感器應用模式

提到了三種觸覺傳感器應用模式：自研領導手并采購數(shù)據(jù)傳感器、購買他人領導手并配合觸覺傳感器、直接購買觸覺傳感器。目前來看，每種模式都有可能性。其中，自研領導手需要較多的設計講究，而購買他人領導手和觸覺傳感器則較為少見。觸覺傳感器作為零部件，其本身處理和數(shù)據(jù)傳感器相對來說是最難的一塊。在傳感器領域，數(shù)據(jù)傳感器的一致性和算法都要求較高，需要經(jīng)驗積累。該公司憑借高一致性和超高精度的觸覺傳感器產(chǎn)品，可以在市場上占據(jù)前三甚至前二的位置。

12.人形機器人行業(yè)的未來發(fā)展前景

人形機器人行業(yè)的發(fā)展前景非常廣闊。技術進步、需求牽引以及市場接受度的提高都將推動行業(yè)的發(fā)展。在工廠內(nèi)、制造行業(yè)上以及其他應用場景中，人形機器人將會有越來越多的應用。同時，像亞馬遜這樣的公司已經(jīng)在其倉庫中運行了人形機器人，并取得了良好的效果。預計未來兩年內(nèi)，人形機器人將會在更多行業(yè)中得到應用，并帶來更多的效益。

Q&A

Q:觸覺傳感器可以帶來哪些好處？

A:觸覺傳感器可以提升物體檢測和定位、力和力學上的控制、表面材質(zhì)的檢測、手部指尖的感知能力等方面的效果。

Q:徐博士對于數(shù)據(jù)實驗器對機器人帶來的好處做了哪些分析？

A:徐博士分析了數(shù)據(jù)實驗器對機器人的好處，包括對于人或者機械來說，視覺以外的觸覺和力學是非常重要的一個環(huán)節(jié)。他認為，下一代的機器人肯定會加入這個非常關鍵的一個傳感器。

Q:帕西尼的觸覺傳感器大概能測幾軸的力，能實現(xiàn)哪些功能？

A:帕西尼的觸覺傳感器具體能測幾軸的力，能實現(xiàn)哪些功能，目前還不明確，需要更多的信息。

Q:傳感器的靈敏程度和動態(tài)檢測范圍有哪些提升？光學式數(shù)學傳感器的優(yōu)點和缺點是什么？

A:傳感器的靈敏程度和動態(tài)檢測范圍有比較大的提升。除了我們使用的這些原理以外，還有電阻式的應變器、壓阻式或電容式的觸覺傳感器等。光學式數(shù)學傳感器的優(yōu)點是采樣率較高，缺點是響應速度較慢，體積較大，集成困難。

Q:電容式觸覺傳感器的優(yōu)點和缺點是什么？

A:電容式觸覺傳感器的動態(tài)響應范圍廣，可以相當線性地去做測量。但是噪音比較大，需要克服一些缺點，比如在環(huán)境帶有強大電場或者電容量時，它容易影響自身。同時，電容傳感器的輸出阻抗高，總體的負載能力較差。

Q:壓電薄膜觸覺傳感器的優(yōu)點和缺點是什么？

A:壓電薄膜觸覺傳感器的優(yōu)點是簡單、成本低，但缺點是響應頻率較低，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來克服。同時，它的耐久度和抗腐蝕程度較低，負載能力較差。

Q:其他觸覺傳感器的原理有哪些？

A:除了電容式、電阻式、壓阻式和電容式等原理外，還有摩擦起電、國家實驗室的觸覺傳感器等原理。它們各自具有優(yōu)缺點，比如非線性、信號頻率低等。

Q:您作為公司首席產(chǎn)品經(jīng)理，設計四指五自由度的觸覺傳感器時，主要考慮了哪些因素？

A:作為公司首席產(chǎn)品經(jīng)理，設計四指五自由度的觸覺傳感器時，主要考慮了觸覺傳感器的優(yōu)劣勢以及如何克服劣勢。具體因素需要進一步了解。

Q:數(shù)字帶來的好處有哪些？

A:數(shù)字帶來的好處包括四個手指頭足夠執(zhí)行80%以上的任務、成本下降、穩(wěn)定性提升、傳感器分布廣泛、觸覺傳感器的優(yōu)點、觸覺傳感器的控制層面、節(jié)省六維力傳感器、腳部傳感器的需要、機器人的同步標志產(chǎn)品。

Q:觸覺傳感器的特點有哪些？

A:觸覺傳感器的特點包括精確的力反饋控制、廣范圍的動態(tài)響應、多維度的觸覺傳感器、節(jié)省六維力傳感器、提取更多信息、拍攝足部行走方案。

Q:這個視頻里面是否有腳趾？

A:視頻里面沒有明確說明是否有腳趾，但有提到有RTQT這個postaction，可能是在腳的前端，具備多一個自由度。

Q:熱力圖和數(shù)學方案中的熱力圖有什么區(qū)別？

A:從熱力圖上很難觀測到更多維度的數(shù)據(jù)，但可以推測傳感器具備多維度的信息。傳感器的響應速度比較快，但對于算法上的提升和算力負擔影響不大。

Q:手指的厚薄程度對于傳感器的影響是什么？

A:手指的厚薄程度可能會影響傳感器的自由度和內(nèi)部機構的設置，但對于觸覺傳感器的原理和算力負擔影響不大。

Q:傳感器的響應速度是否對算法和算力有影響？

A:傳感器的響應速度比較快，但對于算法上的提升和算力負擔影響不大。

Q:頸部需不需要一些利控？

A:頸部的傳感器應該是不太需要的，因為它僅僅是作為一個視覺的對于視覺傳感器的一些輔助。我需要更大范圍的汲取環(huán)境的信息而去做的轉動。

Q:機器人需要多少觸覺傳感器？單價大概是多少？單機價值量是多少？

A:一臺人形機器人需要具備十個觸覺傳感器，單價大概是數(shù)千元，單機價值量相對較高。

Q:公司觸覺傳感器的原理是什么？為什么選擇這個原理？優(yōu)點和缺點是什么？

A:公司采用的觸覺傳感器原理是貨幣的交易，優(yōu)點是動態(tài)響應快，缺點是封裝層面的一致性和對外界的抗干擾能力需要提升。傳感器的負載能力可以達到150牛左右。

Q:如果只用那個電阻或者電容的話，成本會便宜嗎？

A:不會，因為可能用一種原理就可以全部的去做取消。

Q:觸覺傳感器自研還是采購？

A:前期可能會采用自己的方案，后期可能會采用外部供應商。

Q:觸覺傳感器的瓶頸在哪個環(huán)節(jié)？

A:量產(chǎn)需要投入很多，制造原理涉及到半導體鏈驅動力，需要跟很多廠家溝通，后面要供給大量的數(shù)據(jù)傳感器，可靠度需要進一步提升。

Q:傳感器制造過程中需要考慮哪些因素？

A:制造過程和質(zhì)量管控是保證批量一致性的重要因素，需要進行工藝控制和力的標定。

Q:觸覺傳感器的標定存在哪些難點？

A:標定需要一致性，存在工藝控制和力的標定等難點。

Q:人形機器人行業(yè)未來的發(fā)展前景如何？

A:人形機器人行業(yè)的前景非常快，技術的進步性是一個參考，未來一兩年內(nèi)會有更多整機廠出來。

Q:市場需求和接受度對機器人行業(yè)的發(fā)展有何影響？

A:市場需求和接受度會加大加速機器人行業(yè)的發(fā)展，未來兩年內(nèi)機器人在各行各業(yè)都會有應用。

Q:公司對機器人行業(yè)的發(fā)展有何計劃？

A:公司將加大力度投入到市場上，提供實惠和先進的技術，幫助人形機械和自動化產(chǎn)業(yè)獲得更好的效果。

審核編輯：湯梓紅