PZT觸覺傳感器

人體皮膚通過與物體表面的接觸，對(duì)物體的粗糙度、硬度、導(dǎo)熱性、溫度、濕度、銳利性、振動(dòng)、觸覺力、觸覺壓力等物理性能的進(jìn)行綜合反應(yīng)。

機(jī)器人則可以通過觸覺傳感器與物體相接觸或相互作用來(lái)完成對(duì)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(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)。

A，當(dāng)正應(yīng)力作用在傳感梁上時(shí)，傳感器通過四個(gè)懸梁臂上表面的壓阻敏感薄膜的變形情況檢測(cè)正應(yīng)力的大小。

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

2、電容效應(yīng)式觸覺傳感器

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

當(dāng)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(gè)分力可表示為：夾角分別為：

z方向的分力對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)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(zhuǎn)化成電壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)F的測(cè)量。

3、磁導(dǎo)式觸覺傳感器

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

觸覺傳感的發(fā)展趨勢(shì)

根據(jù)對(duì)觸覺特殊性和機(jī)器人觸覺傳感技術(shù)研究歷史現(xiàn)狀的分析，觸覺傳感技術(shù)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(jìn)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(jì)90年代以來(lái)，為獲取不同位置、不同時(shí)間的觸覺信息，觸覺傳感技術(shù)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(jī)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(wù)。安全可靠抓取目標(biāo)的關(guān)鍵就是對(duì)機(jī)械手與目標(biāo)物體間相對(duì)滑動(dòng)的控制。

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

3、柔順觸覺傳感器

為了真正實(shí)現(xiàn)觸覺的擬人化，國(guó)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(xiàng)重要性能指標(biāo)的柔順化，成了近年來(lái)觸覺傳感技術(shù)發(fā)展的研究趨勢(shì)。

觸覺傳感器工業(yè)制造中的應(yīng)用

在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，幾乎都需要傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并把數(shù)據(jù)反饋給控制中心，以便對(duì)出現(xiàn)的異常節(jié)點(diǎn)進(jìn)行及時(shí)干預(yù)，保證工業(yè)生產(chǎn)正常進(jìn)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(yùn)行，并讓工作人員遠(yuǎn)離生產(chǎn)線和設(shè)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(wú)一人，全靠工業(yè)機(jī)器人完成組裝、噴漆、檢測(cè)等工作。觸覺傳感器將賦予機(jī)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(shí)現(xiàn)更多的功能。

PZT的壓電觸覺傳感器

觸覺傳感器作為機(jī)器觸覺不可缺少的一部分，可將外界環(huán)境狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀粶y(cè)量的電信號(hào)，達(dá)到壓力檢測(cè)、溫濕度感知及材質(zhì)預(yù)測(cè)等目的，實(shí)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(yīng)速度快及壓電常數(shù)大等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于觸覺傳感器及超聲換能器等領(lǐng)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(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能的雙向轉(zhuǎn)換。當(dāng)施加固定方向應(yīng)力時(shí)，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(guān)鍵是PZT壓電薄膜的制備，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，一般由上下電極、PZT薄膜、連接層和基底構(gòu)成。

圖1PZT極化過程

圖2PZT觸覺傳感器結(jié)構(gòu)

隨著薄膜技術(shù)的不斷進(jìn)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(xué)氣相沉積法、水熱合成法、磁控濺射法和脈沖激光沉積法應(yīng)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(fù)合材料的制備，且還具有價(jià)格低及可大面積制備等優(yōu)點(diǎn)。（2）化學(xué)氣相沉積法是近幾十年發(fā)展的無(wú)機(jī)材料制備工藝，通過氣態(tài)物質(zhì)在氣固界面上的反應(yīng)生成固態(tài)沉積物（如PZT薄膜）。氣溶膠沉積法作為化學(xué)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(wú)需蝕刻等優(yōu)點(diǎn)，在MEMS技術(shù)和微量全分析系統(tǒng)中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。（3）水熱合成法制膜是一項(xiàng)具有很大潛力的液相成膜技術(shù)，在壓電厚膜領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)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(jìn)一步反應(yīng)或重結(jié)晶，之后通過晶體生長(zhǎng)階段制得PZT厚膜。（4）磁控濺射法作為物理氣相沉積技術(shù)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(shì)。（5）脈沖激光沉積法作為一種頗具優(yōu)勢(shì)的薄膜技術(shù)，具有薄膜組分易標(biāo)定及沉積速率快等優(yōu)點(diǎn)，在熱學(xué)、光學(xué)與電子學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

PZT觸覺傳感器的研究進(jìn)展

人工智能（AI）、機(jī)器人等概念的提出為PZT觸覺傳感器提供了一個(gè)更適合發(fā)展的平臺(tái)。為了應(yīng)對(duì)工業(yè)化的需求，早日實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)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(jié)構(gòu)優(yōu)化、柔彈性優(yōu)化和可擴(kuò)展性優(yōu)化等方面進(jìn)行了大量的研究。

在材料方面，通過對(duì)PZT觸覺傳感器的材料進(jìn)行優(yōu)化，可提高傳感器的靈敏度，更準(zhǔn)確地獲知力的大小。壓電聚合物材料可提供較好的機(jī)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(jié)合，可制備出具有不同連通性的復(fù)合材料。

圖3SappatiKK等人制備的柔性PZT-PDMS壓電薄膜截面SEM圖

在結(jié)構(gòu)方面，通過優(yōu)化PZT觸覺傳感器的結(jié)構(gòu)可提高傳感器的準(zhǔn)確度，更準(zhǔn)確地獲知力的位置與方向。單個(gè)傳感器只能檢測(cè)一個(gè)位置的壓力，所以通常用傳感器陣列實(shí)現(xiàn)大面積壓力分布檢測(cè)。

圖4AcerM等人設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)大面積壓力分布檢測(cè)。一種物體受力發(fā)生形變的程度通常用彈性模量來(lái)衡量，彈性模量越大，越不易發(fā)生形變，即剛性越強(qiáng)。為了提高觸覺傳感器的柔彈性，各個(gè)組成部分應(yīng)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(jié)構(gòu)及相關(guān)展示

此外，觸覺傳感器的實(shí)際應(yīng)用對(duì)其可擴(kuò)展性提出了更高的要求。在各個(gè)場(chǎng)景中，單個(gè)單元傳感器難以滿足應(yīng)用需求，大面積、高密度、長(zhǎng)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(guān)展示

PZT觸覺傳感器的應(yīng)用

PZT觸覺傳感器在運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、醫(yī)療健康、人機(jī)交互等方面具有重要應(yīng)用價(jià)值。在運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方面，步態(tài)檢測(cè)是繼人臉識(shí)別、指紋識(shí)別等常規(guī)生物識(shí)別技術(shù)后的新興技術(shù)，具有更高的準(zhǔn)確性、環(huán)境適應(yīng)性等優(yōu)勢(shì)。與此同時(shí)，步態(tài)檢測(cè)也可用于醫(yī)療健康領(lǐng)域，輔助術(shù)后康復(fù)、日常監(jiān)測(cè)等。

圖7ZhuM等人提出的多功能襪用于步態(tài)檢測(cè)

在醫(yī)療健康領(lǐng)域，可植入電子設(shè)備為醫(yī)療提供了一個(gè)新途徑，通過這些設(shè)備可更便捷地對(duì)人體狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)或調(diào)節(jié)機(jī)體活動(dòng)。納米技術(shù)的飛速發(fā)展使可植入電子設(shè)備的體積越來(lái)越小，但這也使設(shè)備的能量供應(yīng)成為新的挑戰(zhàn)。由于壓電效應(yīng)的存在，利用柔性觸覺傳感器可將人體內(nèi)普遍存在的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，達(dá)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(jī)交互實(shí)現(xiàn)了人與機(jī)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(shí)別和聽覺識(shí)別是人機(jī)交互中重要的解決方案，但都難以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的感知。觸覺識(shí)別具有高精度的特點(diǎn)，可作為人機(jī)交互中的一種重要補(bǔ)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(fù)合物具有穩(wěn)定性好、易摻雜改性、靈敏度高、響應(yīng)速度快及壓電常數(shù)大等優(yōu)點(diǎn)，在觸覺傳感器領(lǐng)域有著不可忽略的價(jià)值與潛力。隨著材料科學(xué)，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(diǎn)。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(guān)鍵技術(shù)需要進(jìn)一步攻克，包括成本較高、功能集成單一、高密度陣列信號(hào)串?dāng)_等一系列問題亟待解決。相信隨著研究的深入和技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)PZT觸覺傳感器將會(huì)兼顧自供電、自修復(fù)、自清潔等功能，以體積小、性能高的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用于各種復(fù)雜環(huán)境中。

PZT薄膜的制備與刻蝕

PZT是鉛鋯鈦酸鹽（LeadZirconateTitanate）的簡(jiǎn)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(yīng)用于各種壓電設(shè)備中，如壓電傳感器，壓電馬達(dá)，壓電陶瓷聲波器件等。

壓電效應(yīng)是某些晶體材料在受到機(jī)械壓力時(shí)會(huì)產(chǎn)生電荷，或者在電場(chǎng)作用下會(huì)發(fā)生形狀變化的現(xiàn)象。壓電效應(yīng)可以分為兩種，稱為正壓電效應(yīng)和負(fù)壓電效應(yīng)。PZT材料就具有很好的壓電效應(yīng)，可以將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，即負(fù)壓電效應(yīng)，或者將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，即正壓電效應(yīng)。

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(jī)械強(qiáng)度和硬度，因此在電子，電力，航空等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)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(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）等。溶液沉積法（Sol-Gel）前驅(qū)體溶液的制備：在適當(dāng)?shù)娜軇┲谢旌香U、鋯和鈦的有機(jī)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(jī)配體，如乙醇胺，以穩(wěn)定溶液并控制反應(yīng)。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(qū)體溶液。

薄膜的制備：將前驅(qū)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(jìn)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(jìn)行熱處理，使前驅(qū)體溶液中的有機(jī)物質(zhì)分解并揮發(fā)，同時(shí)鉛、鋯和鈦的離子會(huì)發(fā)生反應(yīng)，形成PZT相。這個(gè)過程通常需要在氧氣或空氣的環(huán)境下進(jìn)行，以防止PZT的氧化。退火：最后，通常需要進(jìn)行一次高溫退火，以改善PZT薄膜的結(jié)晶性，消除缺陷，提高性能。這種方法可以比較簡(jiǎn)單地制備出具有良好結(jié)構(gòu)和性能的PZT薄膜，而且可以在較低的溫度下進(jìn)行，因此對(duì)設(shè)備的要求不高。然而，它對(duì)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(jié)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(jié)晶性和較高致密性的PZT薄膜，但設(shè)備成本較高。

金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）通過將含有鉛，鋯，鈦元素的有機(jī)金屬前驅(qū)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(jié)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(shè)備成本較高，且對(duì)前驅(qū)體的選擇和反應(yīng)條件的控制要求較高。

PZT的刻蝕濕化學(xué)刻蝕這種方法主要使用酸或堿的溶液來(lái)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。刻蝕過程通常在一定的溫度和時(shí)間下進(jìn)行，以達(dá)到預(yù)期的刻蝕深度和形貌。然而，濕刻蝕可能會(huì)造成刻蝕側(cè)壁的斜率無(wú)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(jìn)行的刻蝕，常見的方法有反應(yīng)離子刻蝕（RIE,ReactiveIonEtching）和離子束刻蝕（IBE,IonBeamEtching）。這些方法可以實(shí)現(xiàn)方向性刻蝕，有利于形成具有陡峭側(cè)壁的微結(jié)構(gòu)。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(fù)雜的設(shè)備，但可以實(shí)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(yīng)用于超聲成像、距離傳感、能量收集等領(lǐng)域。然而，隨著超聲成像對(duì)于分辨率的要求越來(lái)越高，其核心壓電超聲換能器的頻率需要進(jìn)一步提升。對(duì)于PZT壓電陶瓷而言，頻率的提升意味著需要更薄的厚度，導(dǎo)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(yīng)用場(chǎng)景的性能需求，實(shí)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(shí)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(diǎn)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(shì)，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(diǎn)

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(huì)影響薄膜內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，從而影響性能。因此，對(duì)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(jié)構(gòu)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(xué)反應(yīng)，可以分為直流反應(yīng)濺射和射頻濺射。兩種濺射的反應(yīng)原理、基本過程和優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。一般來(lái)說，射頻濺射由于其可控性更強(qiáng)，在PZT薄膜的制備中更為常用。

表2直流反應(yīng)濺射和射頻濺射的對(duì)比

制備與結(jié)構(gòu)

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(gè)參數(shù)最為關(guān)鍵。該部分基于文獻(xiàn)調(diào)研，詳細(xì)討論了四種工藝參數(shù)對(duì)PZT薄膜成分、結(jié)晶度、取向和晶粒大小等四種典型微觀結(jié)構(gòu)的影響，歸納總結(jié)了一般性的普適規(guī)律。此外，文章中簡(jiǎn)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(duì)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(kuò)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(duì)PZT薄膜相結(jié)構(gòu)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(guān)系(b)PZT薄膜的相組成與壓力和濺射溫度的關(guān)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(jié)構(gòu)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(duì)含量之間的關(guān)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(guān)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(jié)構(gòu)與性能

成分、結(jié)晶度、取向和晶粒尺寸等微觀結(jié)構(gòu)，對(duì)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(xì)討論了兩者之間的耦合關(guān)系，為不同應(yīng)用場(chǎng)景下性能的按需調(diào)控提供了理論可行性。

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

圖7(a)PZT薄膜的壓電常數(shù)d33與成分的關(guān)系(b)不同電場(chǎng)下d33與取向的關(guān)系(c)晶粒尺寸與壓電常數(shù)d31的關(guān)系(d)厚度對(duì)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?qū)ΤC頑場(chǎng)強(qiáng)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(duì)鐵電性能的影響

微機(jī)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(shí)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(guān)鍵材料之一。隨著壓電材料在MEMS領(lǐng)域的不斷探索，目前主要應(yīng)用領(lǐng)域有微型系統(tǒng)，鐵電存儲(chǔ)器和高頻電子器件。

基于PZT薄膜的微系統(tǒng)器件進(jìn)展

鋯鈦酸鉛壓電陶瓷（Pb-basedlanthanum-dopedzirconatetitanates，PZT）化學(xué)式為Pb（Zr11xTix）O3的二元系壓電陶瓷，屬鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。PZT可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械能（應(yīng)力、形變）和電能（電荷、電壓、電流）之間的雙向能量轉(zhuǎn)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(jié)合MEMS系統(tǒng)中傳感和驅(qū)動(dòng)兩部分模塊，使壓電材料更適宜于MEMS領(lǐng)域。基于壓電效應(yīng)的MEMS傳感器有加速度計(jì)、聲傳感器、超聲換能器和執(zhí)行器包括微型馬達(dá)、微型泵等。

1PZT薄膜在微系統(tǒng)器件中應(yīng)用

1.1PZT傳感器

1993年日本京都大學(xué)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(dòng)，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(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該結(jié)構(gòu)的彈簧常量為8.7N/m，諧振頻率為72.5kHz。

兩種不同結(jié)構(gòu)的微型加速度計(jì)示意圖如圖1所示。圖1(a)四梁結(jié)構(gòu)微型加速度計(jì)的敏感薄膜采用PZT薄膜材料，經(jīng)制作，該加速度計(jì)平行方向靈敏度為8pC/g，垂直方向靈敏度為22pC/g，首次實(shí)現(xiàn)單質(zhì)量塊3D加速度測(cè)量。圖1(b)是Trolier-McKinstryS小組研究設(shè)計(jì)的環(huán)形薄膜片結(jié)構(gòu)，這種環(huán)形薄膜片制作工藝簡(jiǎn)單，成品率高，傳感面積大，靈敏度高。靈敏度根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸的不同可以達(dá)到（0.77~7.6）pC/g，諧振頻率35.3~3.7kHz。

圖1四梁結(jié)構(gòu)和環(huán)形結(jié)構(gòu)的壓電加速度計(jì)示意

敏感薄膜的厚度是影響薄膜材料電性能的關(guān)鍵因素，所以提出在制備多層結(jié)構(gòu)疊加的PZT薄膜。2018年劉揚(yáng)等人設(shè)計(jì)制作了一種柔性壓力傳感器，該柔性傳感器以聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）作為柔性襯底，在其表面生長(zhǎng)一層氧化銦錫，將其圖形化成叉指電極結(jié)構(gòu)；制備PZT納米纖維薄膜，并轉(zhuǎn)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(qiáng)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(chǔ)上制備出了微型的壓電式能量收集器，可實(shí)現(xiàn)小型無(wú)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(jié)構(gòu)諧振頻率為13.7kHz，當(dāng)施加此頻率的外接激勵(lì)時(shí)，懸臂梁懸浮端可產(chǎn)生約為3μm的縱向位移，此時(shí)輸出電能達(dá)1μW，直流電壓達(dá)2.36V，經(jīng)后續(xù)處理，產(chǎn)生的電能可存儲(chǔ)于電容中，用于為整個(gè)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(zhǎng)了（001）晶向的PZT薄膜，所制備的能量收集器的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率得到很大提升。圖4為該壓電能量收集器的仿真結(jié)構(gòu)示意圖和樣品圖。

圖4壓電能力收集器結(jié)構(gòu)和實(shí)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(shù)，在該不銹鋼表面制備（001）晶向的PZT薄膜。該敏感結(jié)構(gòu)的尺寸為20mm×5mm×50μm，經(jīng)計(jì)算仿真，該結(jié)構(gòu)的諧振頻率為126Hz，約為工作環(huán)境的固有頻率。當(dāng)外加激勵(lì)為5m/s2時(shí)，并聯(lián)50kΩ的輸出電阻，可實(shí)現(xiàn)機(jī)電轉(zhuǎn)換出5.3μW功率的電能。

1.3PZT驅(qū)動(dòng)器

MuraltP研究小組制作的超聲微馬達(dá)示意圖如圖5所示。該結(jié)構(gòu)采用濕法腐蝕、光刻、蒸發(fā)等MEMS工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)。PZT壓電敏感薄膜的上電極采用兩個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)電荷傳導(dǎo)。當(dāng)對(duì)壓電敏感膜施加外接電壓時(shí)，由于逆壓電效應(yīng)，懸浮膜片發(fā)生振動(dòng)，使轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，微馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)工作。采用此方法制備的超聲微馬達(dá)優(yōu)點(diǎn)是厚度薄，轉(zhuǎn)矩高，該結(jié)構(gòu)的微型馬達(dá)能產(chǎn)生0.3μN(yùn)m/Vrms的轉(zhuǎn)矩，遠(yuǎn)大于同尺寸的靜電微馬達(dá)。

圖5壓電薄膜膜片式定子的超聲微馬達(dá)

2012年日本的KandaK等人利用磁控濺射技術(shù)成功制備出了雙層PZT壓電薄膜微作動(dòng)器。從圖6(a)中可以看出兩層PZT薄膜結(jié)構(gòu)類型一致。從圖6(b)中可以看出，在外加激勵(lì)電壓相同時(shí)，雙層PZT薄膜結(jié)構(gòu)的變形位移是單層PZT薄膜的2倍以上。因此得出結(jié)論，多層PZT薄膜疊加技術(shù)可實(shí)現(xiàn)MEMS器件的多層驅(qū)動(dòng)。

圖6雙層PZT膜特性

2018年王歡等人設(shè)計(jì)了懸臂梁式壓電微驅(qū)動(dòng)器。為實(shí)現(xiàn)該微驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)的制作。最后利用準(zhǔn)分子激光器實(shí)現(xiàn)預(yù)制溝槽PZT薄膜。所制備的懸臂梁式微壓電驅(qū)動(dòng)器的大小尺寸為1450μm×300μm×69.8μm。經(jīng)測(cè)試，該壓電微驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)器成品低、尺寸小，可批量生產(chǎn)。

2018年史平安等人設(shè)計(jì)了一種基于PZT和Si的蟹爪型MEMS微驅(qū)動(dòng)器，樣品如圖7所示。該驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，輸出位移大。針對(duì)該結(jié)構(gòu)使用壽命較低問題，提出采用數(shù)值模擬方法，研究對(duì)壓電層材料厚度等參數(shù)對(duì)為驅(qū)動(dòng)器性能的影響。經(jīng)研究，壓電材料的性能直接影響微驅(qū)動(dòng)器的性能。PZT-4作為壓電層時(shí)，微驅(qū)動(dòng)器的穩(wěn)定性增強(qiáng)但驅(qū)動(dòng)響應(yīng)降低;而當(dāng)選PZT-5和PZT-5H作為壓電層時(shí)，微驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)效應(yīng)增強(qiáng)但穩(wěn)定性降低。綜合以上因素，確定蟹爪梁結(jié)構(gòu)為最優(yōu)組合。

圖7微驅(qū)動(dòng)器樣品

國(guó)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(shù)及外延技術(shù)，但是隨著磁控濺射技術(shù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)有不少學(xué)校開展了PZT磁控濺射技術(shù)方面的研究。

1.4PZT磁控濺射技術(shù)

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

隨后，WasaK教授在（001）MgO基片上生長(zhǎng)出面內(nèi)無(wú)缺陷的PMnN-PZT壓電鈣鈦礦結(jié)構(gòu)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(qiáng)度達(dá)到100μC/cm2，相對(duì)介電常數(shù)約100~450，其居里溫度達(dá)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(wú)應(yīng)力的外延薄膜與塊體材料性能相近，使其在MEMS應(yīng)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(tái)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(shù)。

壓電MEMS技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，如用于陀螺儀、濾波器、噴墨打印機(jī)、MEMS揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)、自動(dòng)對(duì)焦執(zhí)行器，以及超聲波換能器和指紋識(shí)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(shù)，如Globalfoundries公司為Vesper公司代工量產(chǎn)MEMS麥克風(fēng)，研究AlN壓電MEMS技術(shù)；意法半導(dǎo)體（STmicroelectronics）公司為Usound公司代工量產(chǎn)MEMS揚(yáng)聲器，研究PZT壓電MEMS技術(shù)；博世公司在MEMS代工服務(wù)中采用愛發(fā)科的濺射設(shè)備沉積PZT、采用SPTS的SigmaPVD設(shè)備沉積AlN。

PZT壓電薄膜式未來(lái)傳感器和微系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)，在麥克風(fēng)、微鏡、噴墨頭等領(lǐng)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(qiáng)的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

觸覺傳感器在機(jī)器人中的應(yīng)用（對(duì)話帕西尼感知?jiǎng)?chuàng)始人）

特斯拉發(fā)布了人形機(jī)器人optimus的最新二代版本。特斯拉機(jī)器人的進(jìn)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(duì)于機(jī)器人任務(wù)的完成具有重要作用，是未來(lái)人形機(jī)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(diǎn)以及具體設(shè)計(jì)考慮。人形機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展前景廣闊，技術(shù)進(jìn)步、需求牽引以及市場(chǎng)接受度的提高都將推動(dòng)行業(yè)的發(fā)展。未來(lái)兩年內(nèi)，人形機(jī)器人將會(huì)在更多行業(yè)中得到應(yīng)用，并帶來(lái)更多的效益。

詳細(xì)介紹

1.特斯拉機(jī)器人視頻亮點(diǎn)及提升

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

2.人形機(jī)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(jī)器人在物體檢測(cè)與定位、力學(xué)控制、表面材質(zhì)檢測(cè)、手部指尖感知能力等方面都能有顯著提升，進(jìn)而提高機(jī)器人的操作精確度和效率。觸覺傳感器對(duì)于機(jī)器人任務(wù)的完成具有重要作用，是未來(lái)人形機(jī)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(yīng)用原理和優(yōu)缺點(diǎn)，以及其他可能的觸覺傳感器原理，如電阻式、壓電薄膜、光學(xué)等。不同的原理都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，需要根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行選擇。

4.觸覺傳感器的優(yōu)劣勢(shì)及設(shè)計(jì)考慮

討論了觸覺傳感器的不同方案、優(yōu)劣勢(shì)以及具體設(shè)計(jì)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(wù)執(zhí)行的效率和成本。同時(shí)，對(duì)于穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)傳感器的特點(diǎn)也進(jìn)行了討論。最新技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)每個(gè)手指近200個(gè)傳感器的分布，提升機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的效能。

5.觸覺傳感器在控制層面上的優(yōu)勢(shì)

提到了使用觸覺傳感器代替手腕部的六維力傳感器，帶來(lái)了成本上的削減和更加精確的控制。同時(shí)，觸覺傳感器還可以檢測(cè)重力、摩擦力等信息，進(jìn)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(duì)特斯拉步態(tài)行走方案中可能使用的傳感器進(jìn)行了探討。

6.特斯拉機(jī)器人手指?jìng)鞲衅骷盁崃D問題解答

咨詢了關(guān)于特斯拉機(jī)器人手指?jìng)鞲衅骱蜔崃D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(xué)方案中的熱力圖的區(qū)別。熱力圖展示了傳感器的響應(yīng)速度和力控制的幫助，但難以觀測(cè)到更多維度的數(shù)據(jù)。還提到了特斯拉手指?jìng)鞲衅髋c常規(guī)傳感器的相似性和推測(cè)。

7.手指?jìng)鞲衅鞯暮穸仍黾蛹捌湓虿聹y(cè)

討論了手指?jìng)鞲衅鞯暮穸仍黾釉颍赡苁怯捎陲w桿或連桿機(jī)構(gòu)的存在，以及手指內(nèi)部的電機(jī)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(jìn)行推測(cè)。然后討論了手指自由度增加對(duì)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(yīng)頻率和獨(dú)立解析觸覺信息的特點(diǎn)。最后，認(rèn)為手指?jìng)鞲衅鞯捻憫?yīng)頻率在200到300赫茲之間，其他方面的算法提升也會(huì)帶來(lái)運(yùn)動(dòng)控制的提升。控制核心機(jī)制的存在也有助于實(shí)現(xiàn)靈活操作。

8.機(jī)器人頸部的傳動(dòng)裝置是否需要利控？

提到了機(jī)器人頸部的傳動(dòng)裝置，以及是否需要增加力學(xué)上的替代。頸部的轉(zhuǎn)動(dòng)主要是為了輔助視覺傳感器，并不需要具備力學(xué)控制。在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上，可能有個(gè)別廠商提到了頸部的相應(yīng)裝置，但收益會(huì)很低。同時(shí)，機(jī)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(gè)手指需要兩個(gè)傳感器，雙臂機(jī)器人需要20個(gè)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(diǎn)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(diǎn)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(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但在封裝層面一致性和對(duì)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(duì)較低，但需要增加信號(hào)處理的努力。而家電壓阻方案的傳感器成本較低，但響應(yīng)頻率低、阻抗需求高，需要增加電控功能和薄膜提升。綜合來(lái)看，觸覺傳感器的選擇需要根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景和需求進(jìn)行權(quán)衡。

10.特斯拉機(jī)器人觸覺傳感器供應(yīng)商選擇問題

徐博士在視頻中提到特斯拉的零部件和關(guān)節(jié)執(zhí)行器都是自研的，但對(duì)于觸覺傳感器的供應(yīng)商選擇，他傾向于采購(gòu)?fù)獠抗?yīng)商的方案。他認(rèn)為使用專業(yè)的觸覺傳感器公司的產(chǎn)品可以帶來(lái)更大的收益，并將更多的精力和資金投入到集成等級(jí)的部分。根據(jù)對(duì)話內(nèi)容推斷，特斯拉未來(lái)可能會(huì)采用其他供應(yīng)商供貨。此外，對(duì)于觸覺傳感器的量產(chǎn)，需要解決設(shè)備、材料以及制造等環(huán)節(jié)的瓶頸，同時(shí)還需進(jìn)行大量的投入和驗(yàn)證。

11.國(guó)內(nèi)供應(yīng)鏈中的觸覺傳感器應(yīng)用模式

提到了三種觸覺傳感器應(yīng)用模式：自研領(lǐng)導(dǎo)手并采購(gòu)數(shù)據(jù)傳感器、購(gòu)買他人領(lǐng)導(dǎo)手并配合觸覺傳感器、直接購(gòu)買觸覺傳感器。目前來(lái)看，每種模式都有可能性。其中，自研領(lǐng)導(dǎo)手需要較多的設(shè)計(jì)講究，而購(gòu)買他人領(lǐng)導(dǎo)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(duì)來(lái)說是最難的一塊。在傳感器領(lǐng)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(yàn)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(chǎng)上占據(jù)前三甚至前二的位置。

12.人形機(jī)器人行業(yè)的未來(lái)發(fā)展前景

人形機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展前景非常廣闊。技術(shù)進(jìn)步、需求牽引以及市場(chǎng)接受度的提高都將推動(dòng)行業(yè)的發(fā)展。在工廠內(nèi)、制造行業(yè)上以及其他應(yīng)用場(chǎng)景中，人形機(jī)器人將會(huì)有越來(lái)越多的應(yīng)用。同時(shí)，像亞馬遜這樣的公司已經(jīng)在其倉(cāng)庫(kù)中運(yùn)行了人形機(jī)器人，并取得了良好的效果。預(yù)計(jì)未來(lái)兩年內(nèi)，人形機(jī)器人將會(huì)在更多行業(yè)中得到應(yīng)用，并帶來(lái)更多的效益。

Q&A

Q:觸覺傳感器可以帶來(lái)哪些好處？

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

Q:徐博士對(duì)于數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)器對(duì)機(jī)器人帶來(lái)的好處做了哪些分析？

A:徐博士分析了數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)器對(duì)機(jī)器人的好處，包括對(duì)于人或者機(jī)械來(lái)說，視覺以外的觸覺和力學(xué)是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。他認(rèn)為，下一代的機(jī)器人肯定會(huì)加入這個(gè)非常關(guān)鍵的一個(gè)傳感器。

Q:帕西尼的觸覺傳感器大概能測(cè)幾軸的力，能實(shí)現(xiàn)哪些功能？

A:帕西尼的觸覺傳感器具體能測(cè)幾軸的力，能實(shí)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(dòng)態(tài)檢測(cè)范圍有哪些提升？光學(xué)式數(shù)學(xué)傳感器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)是什么？

A:傳感器的靈敏程度和動(dòng)態(tài)檢測(cè)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(yīng)變器、壓阻式或電容式的觸覺傳感器等。光學(xué)式數(shù)學(xué)傳感器的優(yōu)點(diǎn)是采樣率較高，缺點(diǎn)是響應(yīng)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(diǎn)和缺點(diǎn)是什么？

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

Q:壓電薄膜觸覺傳感器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)是什么？

A:壓電薄膜觸覺傳感器的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、成本低，但缺點(diǎn)是響應(yīng)頻率較低，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來(lái)克服。同時(shí)，它的耐久度和抗腐蝕程度較低，負(fù)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室的觸覺傳感器等原理。它們各自具有優(yōu)缺點(diǎn)，比如非線性、信號(hào)頻率低等。

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

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

Q:數(shù)字帶來(lái)的好處有哪些？

A:數(shù)字帶來(lái)的好處包括四個(gè)手指頭足夠執(zhí)行80%以上的任務(wù)、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(diǎn)、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(jī)器人的同步標(biāo)志產(chǎn)品。

Q:觸覺傳感器的特點(diǎn)有哪些？

A:觸覺傳感器的特點(diǎn)包括精確的力反饋控制、廣范圍的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、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(gè)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(gè)postaction，可能是在腳的前端，具備多一個(gè)自由度。

Q:熱力圖和數(shù)學(xué)方案中的熱力圖有什么區(qū)別？

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

Q:手指的厚薄程度對(duì)于傳感器的影響是什么？

A:手指的厚薄程度可能會(huì)影響傳感器的自由度和內(nèi)部機(jī)構(gòu)的設(shè)置，但對(duì)于觸覺傳感器的原理和算力負(fù)擔(dān)影響不大。

Q:傳感器的響應(yīng)速度是否對(duì)算法和算力有影響？

A:傳感器的響應(yīng)速度比較快，但對(duì)于算法上的提升和算力負(fù)擔(dān)影響不大。

Q:頸部需不需要一些利控？

A:頸部的傳感器應(yīng)該是不太需要的，因?yàn)樗鼉H僅是作為一個(gè)視覺的對(duì)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(zhuǎn)動(dòng)。

Q:機(jī)器人需要多少觸覺傳感器？單價(jià)大概是多少？單機(jī)價(jià)值量是多少？

A:一臺(tái)人形機(jī)器人需要具備十個(gè)觸覺傳感器，單價(jià)大概是數(shù)千元，單機(jī)價(jià)值量相對(duì)較高。

Q:公司觸覺傳感器的原理是什么？為什么選擇這個(gè)原理？?jī)?yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)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(diǎn)是動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，缺點(diǎn)是封裝層面的一致性和對(duì)外界的抗干擾能力需要提升。傳感器的負(fù)載能力可以達(dá)到150牛左右。

Q:如果只用那個(gè)電阻或者電容的話，成本會(huì)便宜嗎？

A:不會(huì)，因?yàn)榭赡苡靡环N原理就可以全部的去做取消。

Q:觸覺傳感器自研還是采購(gòu)？

A:前期可能會(huì)采用自己的方案，后期可能會(huì)采用外部供應(yīng)商。

Q:觸覺傳感器的瓶頸在哪個(gè)環(huán)節(jié)？

A:量產(chǎn)需要投入很多，制造原理涉及到半導(dǎo)體鏈驅(qū)動(dòng)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(jìn)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(jìn)行工藝控制和力的標(biāo)定。

Q:觸覺傳感器的標(biāo)定存在哪些難點(diǎn)？

A:標(biāo)定需要一致性，存在工藝控制和力的標(biāo)定等難點(diǎn)。

Q:人形機(jī)器人行業(yè)未來(lái)的發(fā)展前景如何？

A:人形機(jī)器人行業(yè)的前景非常快，技術(shù)的進(jìn)步性是一個(gè)參考，未來(lái)一兩年內(nèi)會(huì)有更多整機(jī)廠出來(lái)。

Q:市場(chǎng)需求和接受度對(duì)機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展有何影響？

A:市場(chǎng)需求和接受度會(huì)加大加速機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展，未來(lái)兩年內(nèi)機(jī)器人在各行各業(yè)都會(huì)有應(yīng)用。

Q:公司對(duì)機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展有何計(jì)劃？

A:公司將加大力度投入到市場(chǎng)上，提供實(shí)惠和先進(jìn)的技術(shù)，幫助人形機(jī)械和自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)獲得更好的效果。

審核編輯：湯梓紅