华南电子展|压电式触觉传感器的优化与应用研究进展

 

触觉是人类认知外界的重要感知途径，触觉传感器也是机器与人、与外界进行交互和感知的重要手段。目前人们已研发出多种基于不同原理制成的触觉传感器，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。压电式触觉传感器凭借着自发电、高柔韧性、高灵敏度等优点在触觉传感器领域占据重要地位。目前压电式触觉传感器在电子皮肤、医疗检测、力学检测和触觉检测等方面都有广泛的应用，特别是在结合人工智能（AI）后，使压电式触觉传感器的准确性得到进一步提高。今天就由华南电子展小编为你解读更多行业新趋势。

 

针对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，简述了有机、无机压电材料在压电性能和机械性能上的优劣，对压电材料的改进与制备工艺进行了评述，重点阐述了通过改进结构和使用复合材料的方式提升压电式触觉传感器性能的相关研究，以及压电触觉传感器在医疗诊断、电子皮肤、人工智能、三维力监测方面的应用进展，后对压电式触觉传感器的发展进行了总结与展望。相关内容以“压电式触觉传感器的优化与应用的研究进展”为题发表在《微纳电子技术》期刊。

 

压电式触觉传感器使用的压电材料分为无机材料、有机材料和复合材料，无机压电材料一般采用锆钛酸铅（PZT）、钛酸钡（BaTiO3）、钛酸铅（PbTiO3）和铌酸锂（LiNbO3）等，有机材料采用聚偏二氟乙烯（PVDF）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）等。PZT这类无机压电材料有着较高的压电参数，但也有着过脆的特点，并且张力较弱，这使其在要求柔性的领域受到较大限制。而PVDF有着较高的柔韧性且质量轻，在随身穿戴等要求一定柔性的领域有着较好的应用，同时其还有较好的压电与热释电性能，不过在灵敏度和压电性能方面都不及PZT等无机压电材料。而复合压电材料可以将无机压电材料与有机压电材料的各自的优点，即高压电性能和高柔韧性结合起来，并弥补二者的缺陷。

 

目前商业上常用的压电传感器基本上具有扁平或者纤维状的结构，因此仅限于使用单一的压电常数来进行机电耦合。压电材料在3D打印时可从3D设计中获得改进的机电响应，提高了输出电压，从而提高了器件的灵敏度。在压电材料的改进与制备工艺方面，研究人员们已开展了多种方法研究，包括掺杂钛酸钡纳米粒子的聚偏二氟乙烯纤维的制备方法、含不同体积分数锆钛酸铅的聚二甲基硅氧烷复合薄膜的制备方法、可3D打印不进行化具备一定压电性能的压电传感器系统、通过长丝挤压技术制备液晶聚合物-锆钛酸铅复合材料的制备方法等。

 

在压电式触觉传感器的设计优化方面，通过增加新结构，可以拓展压电式触觉传感器的功能，增强其性能。近期无铅压电材料受到更多关注，同时对其的研究也取得了不小的进展，纯钛酸钡（BTO）和铌酸钾钠（KNN）陶瓷的压电常数要比PZT基陶瓷的低得多，随着研究的进展（诸如进一步研究纳米畴等对无铅材料压电性能的影响），经过改良后的BTO、KNN和钛酸铋钠（BNT）基陶瓷的压电性能已经得到了很大提高。

 

对压电式传感器结构的改进以及引入其他技术和多传感器相结合，使传感器能检测到的数据种类得到增加，这方面仍是未来研究的趋势，通过获取更多信息能进一步提高传感器的准确性并拓宽应用场景。而对于提高传感器的准确性，传感器采取阵列式分布，可以为交叉验证获得的信号搭建一个理想的平台，从而减少信号中的随机噪声和系统噪声，进而提高准确性。 展望未来，压电式触觉传感器有着大的发展潜力，将会朝向智能化、小型化、高灵敏度、多信息化和自供能方向发展，而诸如3D打印、人工智能等新技术，以及复合材料、无铅材料等新材料与新型传感器结构相结合，更进一步为压电式触觉传感器的发展拓宽了道路。

 

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文章来源：传感器专家网