介绍几种触觉传感器的工作原理 PZT触觉传感器的研究进展和制作工艺

PZT触觉传感器

人体皮肤通过与物体表面的接触，对物体的粗糙度、硬度、导热性、温度、湿度、锐利性、振动、触觉力、触觉压力等物理性能的进行综合反应。

机器人则可以通过触觉传感器与物体相接触或相互作用来完成对物体表面特征和物理性能的感知。触觉传感器的分类：按功能大致可分为接触觉传感器、力矩觉传感器、压觉传感器和滑觉传感器等。七种主要触觉传感器传感原理

几种触觉传感器的工作原理

1、压阻式触觉传感器

利用弹性体材料的电阻率随压力大小的变化而变化的性质制成，并把接触面上的压力信号变为电信号。    

A，当正应力作用在传感梁上时，传感器通过四个悬梁臂上表面的压阻敏感薄膜的变形情况检测正应力的大小。

B，当剪切力作用在传感器表面时，悬梁臂侧面的压阻敏感薄膜发生形变，以此来检测剪切力的大小。

2、电容效应式触觉传感器

在外力作用下使两极板间的相对位置发生变化，从而导致电容变化，通过检测电容变化量来获取受力信息。

当在传感器表面施加三维力F，且F与X-Y平面、X-Z平面的则F的三个分力可表示为：夹角分别为：

z方向的分力对应电容器的极板间距（即介电层的厚度）的变化；x、y方向的分力对应于电容器两极板间的叠加面积的变化；最后将电容值的变化转化成电压信号实现对F的测量。

3、磁导式触觉传感器

在外力作用下磁场发生变化，并把磁场的变化通过磁路系统转换为电信号，从而感受接触面上的压力信息。优点：灵敏度体积小，输出随磁场强度成比例变化的模拟电压信号，灵敏度很高，工作条件要求很低，只要提供有变化的磁场就可以工作。    

触觉传感的发展趋势

根据对触觉特殊性和机器人触觉传感技术研究历史现状的分析，触觉传感技术向着阵列化触觉传感器、三维力触觉传感器和柔顺触觉传感器的方向发展。

1、阵列化触觉传感器

获取触觉信息必须使触觉传感器与物体进行直接接触以获取信息，因此表面接触面积越大，获取的信息量就越多。

20世纪90年代以来，为获取不同位置、不同时间的触觉信息，触觉传感技术向阵列化、高密度方向发展。

2、三维力触觉传感器

一方面，机器人必须有三维触觉感能力，才能可靠完成抓取和操作任务。安全可靠抓取目标的关键就是对机械手与目标物体间相对滑动的控制。

另一方面，机器人的工作环境要求机器人能够灵活地行走，而机器人行走过程至少是x、y、z三个方向的力发生作用。因此三维力触觉传感器成为智能机器人研究的关键部分。

3、柔顺触觉传感器

为了真正实现触觉的拟人化，国际上目前正在致力于人工触觉皮肤的研究，即使触觉传感器从物理特性上像人的皮肤一样柔软，并可粘贴安装在任何欲使用的载体表面。因此作为人工触觉皮肤一项重要性能指标的柔顺化，成了近年来触觉传感技术发展的研究趋势。    

触觉传感器工业制造中的应用

在工业生产的各个环节中，几乎都需要传感器进行监测，并把数据反馈给控制中心，以便对出现的异常节点进行及时干预，保证工业生产正常进行。新一代的智能传感器是智能工业的“心脏”，它让产品生产流程持续运行，并让工作人员远离生产线和设备，保证人身安全和健康。例如，著名汽车制造商特斯拉、宝马等的汽车制造车间几乎空无一人，全靠工业机器人完成组装、喷漆、检测等工作。触觉传感器将赋予机器人更类似于人的触觉，完成抓、握、捏、夹、推、拉等更多灵巧的作业，实现更多的功能。

PZT的压电触觉传感器

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。

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1PZT极化过程    

图2PZT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3SappatiKK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4AcerM等人设计的1×3PZT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6LiuY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7ZhuM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8LuB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9ZhuM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。    

PZT薄膜的制备与刻蚀

PZT是铅锆钛酸盐（LeadZirconateTitanate）的简称，是一种常用的压电陶瓷材料。PZT具有很高的压电系数，因其出色的压电性能，广泛应用于各种压电设备中，如压电传感器，压电马达，压电陶瓷声波器件等。

压电效应是某些晶体材料在受到机械压力时会产生电荷，或者在电场作用下会发生形状变化的现象。压电效应可以分为两种，称为正压电效应和负压电效应。PZT材料就具有很好的压电效应，可以将电能转化为机械能，即负压电效应，或者将机械能转化为电能，即正压电效应。    

此外，PZT材料还具有良好的介电性能，热稳定性，以及高的机械强度和硬度，因此在电子，电力，航空等领域也有广泛的应用。    

制造PZT薄膜有很多方法，常见的方法包括溶液沉积法（Sol-Gel），溅射（Sputtering），金属有机化学气相沉积（MOCVD）等。溶液沉积法（Sol-Gel）前驱体溶液的制备：在适当的溶剂中混合铅、锆和钛的有机金属盐，例如铅醋酸盐、醋酸锆和醋酸钛。通常还需要添加一些有机配体，如乙醇胺，以稳定溶液并控制反应。然后通过加热、搅拌等手段将这些盐溶解在溶剂中，形成前驱体溶液。    

薄膜的制备：将前驱体溶液通过旋涂、浸涂、喷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匀的薄膜。涂覆后，需要在一定温度下进行初步干燥，以去除溶液中的溶剂。热处理：将干燥后的薄膜在高温下进行热处理，使前驱体溶液中的有机物质分解并挥发，同时铅、锆和钛的离子会发生反应，形成PZT相。这个过程通常需要在氧气或空气的环境下进行，以防止PZT的氧化。退火：最后，通常需要进行一次高温退火，以改善PZT薄膜的结晶性，消除缺陷，提高性能。这种方法可以比较简单地制备出具有良好结构和性能的PZT薄膜，而且可以在较低的温度下进行，因此对设备的要求不高。然而，它对工艺条件和环境的控制要求比较高，需要经过一系列的优化才能得到满意的结果。

溅射（Sputtering）通过在高真空环境中，使用射频（RF）电源在靶材（PZT）和基底之间形成等离子体，从而使靶材的原子或分子溅射到基底上形成薄膜。这种方法可以制备出具有良好结晶性和较高致密性的PZT薄膜，但设备成本较高。    

金属有机化学气相沉积（MOCVD）通过将含有铅，锆，钛元素的有机金属前驱体气化，然后在高温下在基底上分解以形成PZT薄膜。这种方法可以制备出具有良好结晶性和较高致密性的PZT薄膜，而且薄膜厚度和组成可以精确控制，但设备成本较高，且对前驱体的选择和反应条件的控制要求较高。

PZT的刻蚀湿化学刻蚀这种方法主要使用酸或碱的溶液来刻蚀PZT材料。通常选择的刻蚀剂包括盐酸、硝酸、醋酸、氢氟酸或者它们的混合物。刻蚀过程通常在一定的温度和时间下进行，以达到预期的刻蚀深度和形貌。然而，湿刻蚀可能会造成刻蚀侧壁的斜率无法控制，且可能引入表面缺陷。干法刻蚀

干刻蚀是在真空或低压环境下进行的刻蚀，常见的方法有反应离子刻蚀（RIE,ReactiveIonEtching）和离子束刻蚀（IBE,IonBeamEtching）。这些方法可以实现方向性刻蚀，有利于形成具有陡峭侧壁的微结构。例如，RIE常用气体包括氟化碳类气体（如CF4）和氩气，它们能够有效地刻蚀PZT材料。干法刻蚀通常需要较为复杂的设备，但可以实现较高的刻蚀精度和方向性。

锆钛酸铅（PZT）压电陶瓷由于其优异的压电性能、温度稳定性和较高的居里温度，已经被广泛应用于超声成像、距离传感、能量收集等领域。然而，随着超声成像对于分辨率的要求越来越高，其核心压电超声换能器的频率需要进一步提升。对于PZT压电陶瓷而言，频率的提升意味着需要更薄的厚度，导致加工难度增大，且制造成本急剧增加。PZT薄膜可以解决上述问题，并且拥有更小的体积和功耗，成为极具前景的压电材料体系之一。此外，由于具有成分可调性，PZT可以基于应用场景的性能需求，实现其压电性能、介电性能和铁电性能在较大范围内的调控。因此，通过制备工艺的调控，实现不同性能水平PZT薄膜的合成尤为重要。

PZT薄膜的制备工艺中，主要有溶胶凝胶法（Sol-gel），磁控溅射（MagnetronSputtering），脉冲激光沉积（PulsedLaserDeposition），其基本过程、优缺点如表1所示。相较于其他两种方法，磁控溅射由于制备薄膜质量高、产率高、基底面积大等优势，在高效制备大面积、厚膜PZT方面脱颖而出。

表1溶胶凝胶法、磁控溅射、脉冲激光沉积三种方法的基本过程和优缺点    

基于前期磁控溅射制备金属/氧化物多层膜体系的研究，溅射工艺参数会影响薄膜内部微观结构，从而影响性能。因此，对于PZT薄膜而言，研究并建立磁控溅射工艺参数、薄膜微观结构和宏观性能之间的内在联系，具有重要意义。

溅射分类

根据溅射过程是否存在化学反应，可以分为直流反应溅射和射频溅射。两种溅射的反应原理、基本过程和优缺点如表2所示。一般来说，射频溅射由于其可控性更强，在PZT薄膜的制备中更为常用。

表2直流反应溅射和射频溅射的对比

制备与结构

磁控溅射的工艺参数有很多，其中以基底、溅射温度、溅射气压和退火条件等四个参数最为关键。该部分基于文献调研，详细讨论了四种工艺参数对PZT薄膜成分、结晶度、取向和晶粒大小等四种典型微观结构的影响，归纳总结了一般性的普适规律。此外，文章中简略讨论了溅射功率、靶材工艺、溅射速率等参数的影响规律。    

图2(a)不同衬底上沉积的PZT薄膜的取向变化；纵轴表示不同取向的相对比例(b)PZT薄膜中Pb/（Zr+Ti）的成分比与Ti/Pt比的函数(c)Ti在Ar（上部）和O2（下部）气氛中通过Pt晶界扩散的模型(d)没有PZT籽晶层和(e)有PZT籽晶层的沉积态和退火后的PZT薄膜XRD图谱    

图3(a)铅含量和锆钛比随溅射温度的变化(b)溅射温度对PZT薄膜相结构的影响(c)不同温度下溅射的PZT薄膜的XRD图谱(d)晶粒尺寸随溅射温度的变化    

图4(a)PZT薄膜成分与溅射气压的关系(b)PZT薄膜的相组成与压力和溅射温度的关系；插图为样品A-C的表面形态(c)不同压力下沉积的PZT薄膜的相结构和取向的变化(d)不同O2/Ar比下PZT薄膜的XRD图谱    

图5(a)在不同温度下退火PZT薄膜的XRD图谱(b)溅射温度、退火温度和PZT薄膜中钙钛矿相相对含量之间的关系(c)在不同温度（25和200°C）下沉积的PZT薄膜的晶粒尺寸与退火温度的关系(d)沉积态（×1/2）、传统退火处理（×10）和快速热退火处理（×1）PZT薄膜的XRD图谱

结构与性能

成分、结晶度、取向和晶粒尺寸等微观结构，对于PZT薄膜的介电、压电、铁电等性能均有很大的影响。本部分详细讨论了两者之间的耦合关系，为不同应用场景下性能的按需调控提供了理论可行性。    

图6(a)相对介电常数εr与锆钛比的关系(b)铅含量对εr的影响(c)取向和膜厚与εr的关系(d)不同频率下晶粒尺寸对εr的影响

图7(a)PZT薄膜的压电常数d33与成分的关系(b)不同电场下d33与取向的关系(c)晶粒尺寸与压电常数d31的关系(d)厚度对PZT薄膜d33的影响    

图8(a)剩余极化Pr随成分（Zr/Ti比）和取向的变化(b)PZT薄膜中成分和取向对矫顽场强Ec的影响(c)PZT薄膜的Pr和Ec值随成分的变化(d)PZT薄膜的厚度对铁电性能的影响

微机电系统（micro-electro-mechanicalsystem，MEMS）器件是各种功能器件的集合于一体的微型器件。在MEMS器件中，为实现不同功能，需选用不同的功能材料，压电材料是MEMS器件的关键材料之一。随着压电材料在MEMS领域的不断探索，目前主要应用领域有微型系统，铁电存储器和高频电子器件。

基于PZT薄膜的微系统器件进展

锆钛酸铅压电陶瓷（Pb-basedlanthanum-dopedzirconatetitanates，PZT）化学式为Pb（Zr11xTix）O3的二元系压电陶瓷，属钙钛矿结构。PZT可以实现机械能（应力、形变）和电能（电荷、电压、电流）之间的双向能量转换。由于其特有的双向压电效用，使其成为智能MEMS传感器的理想材料。结合MEMS系统中传感和驱动两部分模块，使压电材料更适宜于MEMS领域。基于压电效应的MEMS传感器有加速度计、声传感器、超声换能器和执行器包括微型马达、微型泵等。    

1PZT薄膜在微系统器件中应用

1.1PZT传感器

1993年日本京都大学的LeeC等人研究了PZT压电薄膜力敏传感器，该力敏传感器采用溶胶—凝胶工艺制备PZT薄膜。PZT微悬臂梁通过外力产生形变，使悬臂梁发生振动，再利用外加电压使悬臂梁发生纵向位移。该压电悬臂梁尺寸为200μm×50μm。经过计算和实验测试，该结构的弹簧常量为8.7N/m，谐振频率为72.5kHz。

两种不同结构的微型加速度计示意图如图1所示。图1(a)四梁结构微型加速度计的敏感薄膜采用PZT薄膜材料，经制作，该加速度计平行方向灵敏度为8pC/g，垂直方向灵敏度为22pC/g，首次实现单质量块3D加速度测量。图1(b)是Trolier-McKinstryS小组研究设计的环形薄膜片结构，这种环形薄膜片制作工艺简单，成品率高，传感面积大，灵敏度高。灵敏度根据结构尺寸的不同可以达到（0.77~7.6）pC/g，谐振频率35.3~3.7kHz。

图1四梁结构和环形结构的压电加速度计示意

敏感薄膜的厚度是影响薄膜材料电性能的关键因素，所以提出在制备多层结构叠加的PZT薄膜。2018年刘扬等人设计制作了一种柔性压力传感器，该柔性传感器以聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）作为柔性衬底，在其表面生长一层氧化铟锡，将其图形化成叉指电极结构；制备PZT纳米纤维薄膜，并转移到PET衬底上；最后在PZT薄膜上制备聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜。PZT纳米纤维柔性压力传感器样品如图2所示。该柔性传感器在20~60kPa内，传感器的开路电压随压强的增大而增大，最大约为10V，其中灵敏度约为180mV/kPa。    

图2PZT纳米纤维柔性压力传感器样品

1.2PZT能量收集器

RajendraKS等人在2003年就在MEMS工艺的基础上制备出了微型的压电式能量收集器，可实现小型无线传感器自供电功能，避免外接电源和断电等问题发生。如图3所示。

图3压电微能量收集器示意

该结构谐振频率为13.7kHz，当施加此频率的外接激励时，悬臂梁悬浮端可产生约为3μm的纵向位移，此时输出电能达1μW，直流电压达2.36V，经后续处理，产生的电能可存储于电容中，用于为整个MEMS系统供电。

2010年日本的MorimotoK等人在（001）Pt/MgO衬底上外延生长了（001）晶向的PZT薄膜，所制备的能量收集器的机电转换效率得到很大提升。图4为该压电能量收集器的仿真结构示意图和样品图。    

图4压电能力收集器结构和实物照片

该能量收集器的悬臂梁采用不锈钢材料作为衬底，可提高输出功率，降低共振频率。利用刻蚀及成膜技术，在该不锈钢表面制备（001）晶向的PZT薄膜。该敏感结构的尺寸为20mm×5mm×50μm，经计算仿真，该结构的谐振频率为126Hz，约为工作环境的固有频率。当外加激励为5m/s2时，并联50kΩ的输出电阻，可实现机电转换出5.3μW功率的电能。

1.3PZT驱动器

MuraltP研究小组制作的超声微马达示意图如图5所示。该结构采用湿法腐蚀、光刻、蒸发等MEMS工艺技术实现。PZT压电敏感薄膜的上电极采用两个环形结构。实现电荷传导。当对压电敏感膜施加外接电压时，由于逆压电效应，悬浮膜片发生振动，使转子运动，微马达运转工作。采用此方法制备的超声微马达优点是厚度薄，转矩高，该结构的微型马达能产生0.3μNm/Vrms的转矩，远大于同尺寸的静电微马达。    

图5压电薄膜膜片式定子的超声微马达

2012年日本的KandaK等人利用磁控溅射技术成功制备出了双层PZT压电薄膜微作动器。从图6(a)中可以看出两层PZT薄膜结构类型一致。从图6(b)中可以看出，在外加激励电压相同时，双层PZT薄膜结构的变形位移是单层PZT薄膜的2倍以上。因此得出结论，多层PZT薄膜叠加技术可实现MEMS器件的多层驱动。

图6双层PZT膜特性

2018年王欢等人设计了悬臂梁式压电微驱动器。为实现该微驱动器的制备，材料上选用压电性能良好的PZT材料；采用键合工艺，利用0.9μm厚的Au层，将PZT材料与硅衬底键合；采用减薄工艺将PZT材料减薄至30μm，再通过湿法腐蚀工艺完成微驱动器结构的制作。最后利用准分子激光器实现预制沟槽PZT薄膜。所制备的悬臂梁式微压电驱动器的大小尺寸为1450μm×300μm×69.8μm。经测试，该压电微驱动器的谐振频率为18.43kHz。采用该方法制备的悬臂梁式压电微驱动器成品低、尺寸小，可批量生产。    

2018年史平安等人设计了一种基于PZT和Si的蟹爪型MEMS微驱动器，样品如图7所示。该驱动器结构简单，响应速度快，输出位移大。针对该结构使用寿命较低问题，提出采用数值模拟方法，研究对压电层材料厚度等参数对为驱动器性能的影响。经研究，压电材料的性能直接影响微驱动器的性能。PZT-4作为压电层时，微驱动器的稳定性增强但驱动响应降低;而当选PZT-5和PZT-5H作为压电层时，微驱动器的驱动效应增强但稳定性降低。综合以上因素，确定蟹爪梁结构为最优组合。

图7微驱动器样品

国内现有的PZT传感器研究仍然以溶胶—凝胶法为主，少数采用经典纺丝技术及外延技术，但是随着磁控溅射技术的不断发展，已经有不少学校开展了PZT磁控溅射技术方面的研究。

1.4PZT磁控溅射技术

日本京都大学的WasaK等人采用粉末靶材通过磁控溅射技术在（001）MgO制备了单c电畴的结构压电薄膜。所制备的压电薄膜压电耦合系数可达70%。且该薄膜具有硬性铁电性，机械品质因子为185，与AlN相似。暗示了PZT薄膜有很大的应用前景。

随后，WasaK教授在（001）MgO基片上生长出面内无缺陷的PMnN-PZT压电钙钛矿结构薄膜，制备过程中选用100nm的Pt和SrRuO3作为缓冲层。降温过程不变。通过工艺的改变，制备的薄膜剩余极化强度达到100μC/cm2，相对介电常数约100~450，其居里温度达到了600℃，该温度使所制备的PZT薄膜能够适用于更多环境中。横向压电系数为-12.0C/m2，与压电晶体材料相似。这种无应力的外延薄膜与块体材料性能相近，使其在MEMS应用中具有更高的潜力。    

2015年爱发科开发出不超过500℃的低温PZT压电薄膜溅射工艺。多腔溅射台可以包含用于加速晶化的快速热退火。爱发科使用低温溅射工艺，在硅衬底上形成黏附层、下电极层、缓冲层（专有工艺）、压电层和上电极层五层叠加的PZT压电薄膜MEMS工艺技术。

压电MEMS技术的应用越来越广泛，如用于陀螺仪、滤波器、喷墨打印机、MEMS扬声器和麦克风、自动对焦执行器，以及超声波换能器和指纹识别传感器等MEMS产品中。一些代工厂也开发了压电薄膜制造技术，如Globalfoundries公司为Vesper公司代工量产MEMS麦克风，研究AlN压电MEMS技术；意法半导体（STmicroelectronics）公司为Usound公司代工量产MEMS扬声器，研究PZT压电MEMS技术；博世公司在MEMS代工服务中采用爱发科的溅射设备沉积PZT、采用SPTS的SigmaPVD设备沉积AlN。

PZT压电薄膜式未来传感器和微系统发展的一个热点，在麦克风、微镜、喷墨头等领域已经有商业化的产品，在军用电子元器件的低功耗、微型化、集成化方面有很强的发展潜力。

触觉传感器在机器人中的应用（对话帕西尼感知创始人）

特斯拉发布了人形机器人optimus的最新二代版本。特斯拉机器人的进步包括自由度提升、手指具备热度股东自由度、触觉传感器的使用等。触觉传感器对于机器人任务的完成具有重要作用，是未来人形机器人产品必须加装的部件之一。还讨论了不同触觉传感器的种类、原理、优缺点以及具体设计考虑。人形机器人行业的发展前景广阔，技术进步、需求牵引以及市场接受度的提高都将推动行业的发展。未来两年内，人形机器人将会在更多行业中得到应用，并带来更多的效益。    

详细介绍

1.特斯拉机器人视频亮点及提升

特斯拉发布的新视频展示了其机器人的进步，包括自由度提升、手指具备两个热度股东自由度、触觉传感器的使用等。这些进步带来了更好的抓取能力和适应性，提高了机器人的掌控能力，同时也减轻了算力需求。未来可能会有更多的可能性，如抓取更纤细的物品。

2.人形机器人触觉传感器的作用与好处

通过加装触觉传感器，人形机器人在物体检测与定位、力学控制、表面材质检测、手部指尖感知能力等方面都能有显著提升，进而提高机器人的操作精确度和效率。触觉传感器对于机器人任务的完成具有重要作用，是未来人形机器人产品必须加装的部件之一。

3.触觉传感器的原理及种类

介绍了触觉传感器的不同种类和性质，包括特斯拉触觉传感器的应用原理和优缺点，以及其他可能的触觉传感器原理，如电阻式、压电薄膜、光学等。不同的原理都有各自的优缺点，需要根据具体应用进行选择。

4.触觉传感器的优劣势及设计考虑

讨论了触觉传感器的不同方案、优劣势以及具体设计考虑。其中，公司选择采用四指五自由度的方案主要考虑到任务执行的效率和成本。同时，对于稳定性和数据传感器的特点也进行了讨论。最新技术能够实现每个手指近200个传感器的分布，提升机器人运动控制的效能。

5.触觉传感器在控制层面上的优势

提到了使用触觉传感器代替手腕部的六维力传感器，带来了成本上的削减和更加精确的控制。同时，触觉传感器还可以检测重力、摩擦力等信息，进一步提升控制精度。讨论中还提到了可以节省手腕部传感器的情况，并对特斯拉步态行走方案中可能使用的传感器进行了探讨。

6.特斯拉机器人手指传感器及热力图问题解答    

咨询了关于特斯拉机器人手指传感器和热力图的问题，讨论了脚趾是否需要传感器、手指的自由度以及热力图与数学方案中的热力图的区别。热力图展示了传感器的响应速度和力控制的帮助，但难以观测到更多维度的数据。还提到了特斯拉手指传感器与常规传感器的相似性和推测。

7.手指传感器的厚度增加及其原因猜测

讨论了手指传感器的厚度增加原因，可能是由于飞杆或连杆机构的存在，以及手指内部的电机藏匿其中。另外，触觉传感器的厚薄程度并不能说明采用了哪种原理，因此很难进行推测。然后讨论了手指自由度增加对传感器算力和算法的要求，其中提到了公司的触觉传感器具有高响应频率和独立解析触觉信息的特点。最后，认为手指传感器的响应频率在200到300赫兹之间，其他方面的算法提升也会带来运动控制的提升。控制核心机制的存在也有助于实现灵活操作。

8.机器人颈部的传动装置是否需要利控？

提到了机器人颈部的传动装置，以及是否需要增加力学上的替代。颈部的转动主要是为了辅助视觉传感器，并不需要具备力学控制。在国内市场上，可能有个别厂商提到了颈部的相应装置，但收益会很低。同时，机器人的触觉传感器数量和成本也是讨论的话题，一般情况下，每个手指需要两个传感器，双臂机器人需要20个传感器，整体成本较高，大约需要数千元。

9.触觉传感器原理、优缺点及成本分析

讨论了公司自主研发的触觉传感器的原理、优缺点以及成本分析。原理方面，触觉传感器采用货币交易原理，具有动态响应快、抗干扰能力强等优点，但在封装层面一致性和对外抗干扰能力上需要提升。在成本方面，采用压阻电阻方式的传感器成本相对较低，但需要增加信号处理的努力。而家电压阻方案的传感器成本较低，但响应频率低、阻抗需求高，需要增加电控功能和薄膜提升。综合来看，触觉传感器的选择需要根据具体应用场景和需求进行权衡。    

10.特斯拉机器人触觉传感器供应商选择问题

徐博士在视频中提到特斯拉的零部件和关节执行器都是自研的，但对于触觉传感器的供应商选择，他倾向于采购外部供应商的方案。他认为使用专业的触觉传感器公司的产品可以带来更大的收益，并将更多的精力和资金投入到集成等级的部分。根据对话内容推断，特斯拉未来可能会采用其他供应商供货。此外，对于触觉传感器的量产，需要解决设备、材料以及制造等环节的瓶颈，同时还需进行大量的投入和验证。

11.国内供应链中的触觉传感器应用模式

提到了三种触觉传感器应用模式：自研领导手并采购数据传感器、购买他人领导手并配合触觉传感器、直接购买触觉传感器。目前来看，每种模式都有可能性。其中，自研领导手需要较多的设计讲究，而购买他人领导手和触觉传感器则较为少见。触觉传感器作为零部件，其本身处理和数据传感器相对来说是最难的一块。在传感器领域，数据传感器的一致性和算法都要求较高，需要经验积累。该公司凭借高一致性和超高精度的触觉传感器产品，可以在市场上占据前三甚至前二的位置。

12.人形机器人行业的未来发展前景

人形机器人行业的发展前景非常广阔。技术进步、需求牵引以及市场接受度的提高都将推动行业的发展。在工厂内、制造行业上以及其他应用场景中，人形机器人将会有越来越多的应用。同时，像亚马逊这样的公司已经在其仓库中运行了人形机器人，并取得了良好的效果。预计未来两年内，人形机器人将会在更多行业中得到应用，并带来更多的效益。

Q&A

Q:触觉传感器可以带来哪些好处？

A:触觉传感器可以提升物体检测和定位、力和力学上的控制、表面材质的检测、手部指尖的感知能力等方面的效果。    

Q:徐博士对于数据实验器对机器人带来的好处做了哪些分析？

A:徐博士分析了数据实验器对机器人的好处，包括对于人或者机械来说，视觉以外的触觉和力学是非常重要的一个环节。他认为，下一代的机器人肯定会加入这个非常关键的一个传感器。

Q:帕西尼的触觉传感器大概能测几轴的力，能实现哪些功能？

A:帕西尼的触觉传感器具体能测几轴的力，能实现哪些功能，目前还不明确，需要更多的信息。

Q:传感器的灵敏程度和动态检测范围有哪些提升？光学式数学传感器的优点和缺点是什么？

A:传感器的灵敏程度和动态检测范围有比较大的提升。除了我们使用的这些原理以外，还有电阻式的应变器、压阻式或电容式的触觉传感器等。光学式数学传感器的优点是采样率较高，缺点是响应速度较慢，体积较大，集成困难。

Q:电容式触觉传感器的优点和缺点是什么？

A:电容式触觉传感器的动态响应范围广，可以相当线性地去做测量。但是噪音比较大，需要克服一些缺点，比如在环境带有强大电场或者电容量时，它容易影响自身。同时，电容传感器的输出阻抗高，总体的负载能力较差。

Q:压电薄膜触觉传感器的优点和缺点是什么？

A:压电薄膜触觉传感器的优点是简单、成本低，但缺点是响应频率较低，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服。同时，它的耐久度和抗腐蚀程度较低，负载能力较差。

Q:其他触觉传感器的原理有哪些？

A:除了电容式、电阻式、压阻式和电容式等原理外，还有摩擦起电、国家实验室的触觉传感器等原理。它们各自具有优缺点，比如非线性、信号频率低等。    

Q:您作为公司首席产品经理，设计四指五自由度的触觉传感器时，主要考虑了哪些因素？

A:作为公司首席产品经理，设计四指五自由度的触觉传感器时，主要考虑了触觉传感器的优劣势以及如何克服劣势。具体因素需要进一步了解。

Q:数字带来的好处有哪些？

A:数字带来的好处包括四个手指头足够执行80%以上的任务、成本下降、稳定性提升、传感器分布广泛、触觉传感器的优点、触觉传感器的控制层面、节省六维力传感器、脚部传感器的需要、机器人的同步标志产品。

Q:触觉传感器的特点有哪些？

A:触觉传感器的特点包括精确的力反馈控制、广范围的动态响应、多维度的触觉传感器、节省六维力传感器、提取更多信息、拍摄足部行走方案。

Q:这个视频里面是否有脚趾？

A:视频里面没有明确说明是否有脚趾，但有提到有RTQT这个postaction，可能是在脚的前端，具备多一个自由度。

Q:热力图和数学方案中的热力图有什么区别？

A:从热力图上很难观测到更多维度的数据，但可以推测传感器具备多维度的信息。传感器的响应速度比较快，但对于算法上的提升和算力负担影响不大。

Q:手指的厚薄程度对于传感器的影响是什么？

A:手指的厚薄程度可能会影响传感器的自由度和内部机构的设置，但对于触觉传感器的原理和算力负担影响不大。

Q:传感器的响应速度是否对算法和算力有影响？

A:传感器的响应速度比较快，但对于算法上的提升和算力负担影响不大。

Q:颈部需不需要一些利控？    

A:颈部的传感器应该是不太需要的，因为它仅仅是作为一个视觉的对于视觉传感器的一些辅助。我需要更大范围的汲取环境的信息而去做的转动。

Q:机器人需要多少触觉传感器？单价大概是多少？单机价值量是多少？

A:一台人形机器人需要具备十个触觉传感器，单价大概是数千元，单机价值量相对较高。

Q:公司触觉传感器的原理是什么？为什么选择这个原理？优点和缺点是什么？

A:公司采用的触觉传感器原理是货币的交易，优点是动态响应快，缺点是封装层面的一致性和对外界的抗干扰能力需要提升。传感器的负载能力可以达到150牛左右。

Q:如果只用那个电阻或者电容的话，成本会便宜吗？

A:不会，因为可能用一种原理就可以全部的去做取消。

Q:触觉传感器自研还是采购？

A:前期可能会采用自己的方案，后期可能会采用外部供应商。

Q:触觉传感器的瓶颈在哪个环节？

A:量产需要投入很多，制造原理涉及到半导体链驱动力，需要跟很多厂家沟通，后面要供给大量的数据传感器，可靠度需要进一步提升。

Q:传感器制造过程中需要考虑哪些因素？

A:制造过程和质量管控是保证批量一致性的重要因素，需要进行工艺控制和力的标定。

Q:触觉传感器的标定存在哪些难点？

A:标定需要一致性，存在工艺控制和力的标定等难点。

Q:人形机器人行业未来的发展前景如何？

A:人形机器人行业的前景非常快，技术的进步性是一个参考，未来一两年内会有更多整机厂出来。

Q:市场需求和接受度对机器人行业的发展有何影响？    

A:市场需求和接受度会加大加速机器人行业的发展，未来两年内机器人在各行各业都会有应用。

Q:公司对机器人行业的发展有何计划？

A:公司将加大力度投入到市场上，提供实惠和先进的技术，帮助人形机械和自动化产业获得更好的效果。

审核编辑：汤梓红