劉玉榮 陳明

(1.華南理工大學(xué) 微電子學(xué)院，廣東 廣州510640；2.人工智能與數(shù)字經(jīng)濟廣東省實驗室(廣州)，廣東 廣州510335)

觸覺是人類感知外界信息的重要手段之一，是通過皮膚中多個感受器與周圍環(huán)境或物體的相互作用獲得環(huán)境的溫度、濕度和物體的軟硬、結(jié)構(gòu)等相關(guān)信息。觸覺傳感器能夠模擬人體皮膚觸覺感知功能，通過與周圍環(huán)境的相互作用引起內(nèi)部性質(zhì)改變，從而獲取相關(guān)信息。至今，人工觸覺傳感器在空間分辨率、響應(yīng)時間、檢測極限等方面甚至超越了人類皮膚的感知能力[1- 2]，在智能假肢、仿生機器人、人機交互、人體健康監(jiān)測等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[3- 4]。

根據(jù)傳感機理的不同，觸覺傳感器主要分為壓阻式[5]、壓電式[6]、電容式[7]、摩擦電式[8]、光電式[9]等類型，其中前3種是目前研究最多、應(yīng)用最廣的。壓阻式觸覺傳感器是利用材料的壓阻效應(yīng)來獲得外部的壓力、應(yīng)力等觸覺信息，具有量程寬、靈敏度高等優(yōu)點，但存在遲滯效應(yīng)明顯、能耗大等不足。電容式觸覺傳感器利用外部壓力使電容極板之間發(fā)生相對位移而引起其電容值的變化，從而獲得壓力信息，具有低能耗、高敏感性和高溫度穩(wěn)定性等優(yōu)勢，但普遍存在寄生電容、電磁干擾和陣列單元的鄰近串?dāng)_等現(xiàn)象。壓電式觸覺傳感器是利用材料的壓電效應(yīng)來感知外部的觸覺信息，具有高靈敏度、快速動態(tài)響應(yīng)、低能耗甚至自供能等優(yōu)點，已成為觸覺傳感器的重要研究方向。其中，以鈦酸鋯鉛(PZT)陶瓷為代表的傳統(tǒng)壓電材料具有優(yōu)異的壓電特性，Liang等[10]采用流延鑄造工藝制備PZT壓力傳感器，其最高靈敏度可達0.813 V/kPa，但材料本身的易脆性難以滿足穿戴式觸覺傳感器對高柔韌性的要求。以聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物(PVDF-TrEE)為代表的有機壓電材料，在柔韌性、大面積成膜等方面存在明顯的優(yōu)勢，但存在壓電系數(shù)低和玻璃化溫度低等不足，從而限制了其應(yīng)用，如Tian等[11]制備的PVDF傳感器的靈敏度僅約為0.008 V/kPa。而一些納米結(jié)構(gòu)壓電材料(如ZnO、MoS2[12]、CdS[13]等)因具有壓電系數(shù)高、機械強度高、柔彈性好、無需電場極化等優(yōu)點，特別適用于高性能的柔性觸覺傳感器。如Tan等[14]采用水熱法制備的納米ZnO分層三明治型觸覺傳感器的靈敏度高達0.62 V/kPa，可用于可穿戴電子設(shè)備檢測手指及手腕的運動。近年來，納米ZnO觸覺傳感器因其性能和工藝優(yōu)勢而受到廣泛關(guān)注，眾多科研人員在納米材料生長、傳感器性能優(yōu)化和應(yīng)用等方面開展了廣泛深入的研究，并取得了長足進展。

1 傳感器原理與制備工藝

1.1 納米ZnO觸覺傳感器的工作原理

納米ZnO觸覺傳感器一般由上、下電極和納米ZnO壓電敏感層構(gòu)成三明治結(jié)構(gòu)，如圖1(a)所示。其工作原理是基于納米ZnO的正壓電效應(yīng)，即當(dāng)納米ZnO壓電材料受到外部作用，如發(fā)生壓縮、拉伸或扭曲等應(yīng)變而在電極兩端產(chǎn)生等量異種電荷，通過探測電荷而實現(xiàn)觸覺感知。如圖1(a)所示，當(dāng)外力向下作用于上電極時，ZnO納米棒(NR)受力后引起壓縮形變使內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，導(dǎo)致ZnO中正負離子中心不再重合，同時在納米ZnO上下表面分別產(chǎn)生負、正壓電電荷，因此在上、下電極上感應(yīng)等量的正、負電荷而形成壓電電勢。在外力釋放瞬間，由于ZnO納米棒固有的柔彈性，納米棒會產(chǎn)生與壓縮方向相反的回彈形變(拉伸)，導(dǎo)致上、下電極產(chǎn)生與壓縮時相反的壓電電荷。當(dāng)傳感器上施加的壓力恒定不變時，生成的壓電勢驅(qū)動自由電子流動，而流經(jīng)ZnO兩端時將中和兩端的壓電電荷，導(dǎo)致輸出電壓不斷減小直至為零，因此壓電傳感器不適合用于探測靜態(tài)力。由于壓電傳感器電極兩端變化量為電荷量，通常需要采用電荷放大器將電荷量轉(zhuǎn)換為電壓信號。圖1(b)示意了在施加和釋放外力過程中電荷放大器的輸出電壓波形圖。由壓電效應(yīng)原理可知，納米ZnO兩端由外力F所產(chǎn)生的電荷量Q=Fd33(d33為壓電系數(shù))，壓電式觸覺傳感器是通過檢測外界作用(觸覺、壓覺和滑覺等)下兩電極端電荷量的變化來獲知接觸力的大小及接觸物體的相關(guān)信息。

1.2 納米ZnO觸覺傳感器的制備工藝

納米ZnO觸覺傳感器的制備工藝主要包括電極層和納米ZnO敏感層的制備。大多數(shù)柔性觸覺傳感器選用聚二甲基硅氧烷(PDMS)或者聚對苯二甲酸乙二酯(PET)作為襯底，為了增強金屬電極與柔性襯底的附著力，一般先在襯底表面沉積Ti、Ni等超薄金屬膜，再采用濺射或熱蒸發(fā)制備Ag、Au等金屬作為傳感器的電極[15- 16]，也可以選用Cu箔或覆金屬膜的柔性導(dǎo)電基底直接作為襯底[17]。ZnO敏感層的制備主要有水熱生長法、電化學(xué)沉積法和旋涂沉積法。水熱生長法是將Zn鹽溶液放置在反應(yīng)釜內(nèi)，在高溫高壓下溶液達到一定飽和度從而析出結(jié)晶的方法。通過控制前驅(qū)體溶液中Zn鹽濃度和pH值等生長參數(shù)，可以得到不同結(jié)晶結(jié)構(gòu)和晶體形狀的納米ZnO。為獲得均勻性和取向性良好的納米ZnO，通常在水熱生長前需采用磁控濺射[18]、旋涂[19]和浸泡等方法在基底表面制備ZnO種子層，Wang等[20]在柔性氧化銦錫(ITO)導(dǎo)電襯底上磁控濺射ZnO作為種子層，然后在六水合硝酸鋅和六亞甲基四胺(HMTA)溶液中水熱生長ZnO NRs。電化學(xué)沉積則是利用具有電化學(xué)活性的粒子，在陰極與溶液界面處發(fā)生電子得失的電化學(xué)過程來沉積納米ZnO，通過調(diào)節(jié)電解質(zhì)濃度和電極偏壓等工藝參數(shù)可有效調(diào)控納米ZnO的結(jié)構(gòu)形態(tài)[21]。Pu等[22]以不同濃度的KCl和ZnCl2為電解質(zhì)，通過兩次電化學(xué)沉積，制作ZnO納米片上垂直生長ZnO NR的復(fù)合結(jié)構(gòu)來制備傳感器。除了通過水熱生長法和電化學(xué)沉積法直接在基片上制備納米ZnO敏感層外，將ZnO納米材料溶于溶液，利用旋涂或靜電紡絲等方法也可以制備復(fù)合ZnO壓電敏感層。Jugade等[23]便在PDMS中均勻混合ZnO微晶粉末制備柔彈性良好的觸覺傳感器，而Ponnamma等[24]則將納米ZnO與PVDF共混，通過靜電紡絲將其制備成絲網(wǎng)狀的ZnO敏感層，獲得的觸覺傳感器柔韌性極佳。圖1(a)中ZnO觸覺傳感器上電極的制備大都采用濺射、蒸發(fā)法沉積Ag或Au電極。而為了提升電極在長期彎曲工作下的穩(wěn)定可靠性以及增強器件的靈敏度和機械性能，石墨烯、碳納米管(CNT)和Ag納米線(NW)等具有高柔韌性的優(yōu)良導(dǎo)電材料被用作ZnO觸覺傳感器的上、下電極[17，25]，Lee等[26]采用噴涂的方法制備多壁碳納米管并將其作為電極，有效地解決了傳感器在多次彎曲過程中電極斷裂、脫落等問題，從而提高其工作的穩(wěn)定性和可靠性。

(a)基本結(jié)構(gòu)

2 納米ZnO觸覺傳感器的研究進展

自2006年Wang等[27]首次報道基于ZnO NW的納米發(fā)電機成功研制以來，基于ZnO壓電效應(yīng)的光電探測[28]、太陽能電池[29]、納米發(fā)電機[30]和壓力傳感器[31]等新型器件已有眾多報道。其中壓電式觸覺傳感器因具有高靈敏度、低功耗等優(yōu)勢而受到學(xué)者們的青睞，在壓電性能優(yōu)化、多功能化、陣列化和集成化等方面展開了大量的研究工作。

2.1 納米ZnO的壓電性能優(yōu)化

傳統(tǒng)PZT壓電陶瓷壓電系數(shù)高(d33>500 pC/N)，但其易脆性難以滿足柔性傳感器的應(yīng)用要求，PVDF等有機壓電材料柔韌性雖好，但其壓電系數(shù)偏低(d33約為10～20 pC/N)，納米ZnO因其特殊結(jié)構(gòu)被認為是兼具高柔韌性和高壓電系數(shù)的新型壓電材料。然而，目前報道的納米ZnO的壓電系數(shù)僅略高于ZnO單晶體材料(d33～20 pC/N)，極大地限制了其在高性能觸覺傳感器中的應(yīng)用。為此，研究人員通過調(diào)整結(jié)構(gòu)、利用摻雜和引入勢壘等手段來提高納米ZnO的壓電系數(shù)，以改善傳感器性能。

眾所周知，材料的結(jié)構(gòu)特性決定其獨特的物理特性，不同納米結(jié)構(gòu)形態(tài)和結(jié)晶狀況的ZnO，其壓電特性往往存在明顯差異。Agrawal等[32]基于第一性原理的密度泛函理論，通過SIESTA軟件計算表明，ZnO納米線的壓電系數(shù)隨納米線直徑的減小而增加，這是由ZnO晶體中鋅氧對的體積應(yīng)變率等晶體參數(shù)變化所致。Riaz等[33]和Cauda等[34]制備出不同形狀的納米ZnO(如：花狀、多枝狀、線狀以及粉末狀)，并對它們產(chǎn)生的壓電電壓進行了詳細比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，擁有較大長徑比的線狀結(jié)構(gòu)ZnO的輸出電壓最大，與Agrawal等[32]的理論仿真結(jié)果一致。除通過優(yōu)化納米ZnO的結(jié)構(gòu)形狀提高其壓電特性外，對納米ZnO進行適當(dāng)?shù)耐嘶餥35]或者鈍化處理[36]改善其結(jié)晶狀況和缺陷態(tài)，亦可提高器件的壓電性能。

摻雜作為可以有效調(diào)控半導(dǎo)體材料物理特性的手段，一直以來被用于制作不同特性的器件。研究發(fā)現(xiàn)，在納米ZnO觸覺傳感器的制備中，向ZnO中摻入適量的Li[37- 38]、Sb[39]、Cl[40]、Fe[41]等雜質(zhì)元素，可以調(diào)節(jié)納米ZnO的結(jié)晶狀況和電阻率等，提升其壓電性能。Hamid等[42]報道了在水熱生長的前驅(qū)體溶液中添加醋酸鋰作為摻雜劑，實現(xiàn)對ZnO納米線的Li摻雜，該方法將壓電傳感器的靈敏度提高了22倍。 這是由于Li作為淺受主雜質(zhì)可以有效抵償ZnO自身的施主型特性，削弱了ZnO內(nèi)部載流子對壓電效應(yīng)的屏蔽效應(yīng)；另外，Li+取代Zn2+引起晶格畸變，導(dǎo)致ZnO晶格的各向異性增強，壓電系數(shù)增加。總之，對于n型摻雜，主要是通過誘導(dǎo)晶格畸變提高壓電系數(shù)，而對于p型摻雜，可同時產(chǎn)生晶格畸變和雜質(zhì)補償效應(yīng)。除摻雜外，研究人員還采取了一些新穎的方法減小載流子濃度以削弱ZnO內(nèi)部固有缺陷帶來的屏蔽效應(yīng)，如引入勢壘結(jié)形成耗盡層[43]。 Yin等[44]通過制備ZnO/NiO核殼納米陣列引入PN結(jié)勢壘，有效減小初始電流，在施加應(yīng)力之后，納米ZnO產(chǎn)生的壓電勢降低ZnO與電極之間的勢壘高度而導(dǎo)致電流急劇增加，將器件的靈敏度提高了445%。Sun等[45]則在構(gòu)建ZnO/Cu2O PN結(jié)的同時利用環(huán)氧樹脂嵌入GaN發(fā)光二極管(LED)(見圖2(a)插圖)，除了能帶降低導(dǎo)致電流增加[46](見圖2(b))之外，LED光誘導(dǎo)載流子進一步提高輸出電流，在LED光強為117 W/m2的情況下將壓力傳感器的靈敏度提高了918%。除了引入PN結(jié)勢壘，也可以利用肖特基接觸[47]引入耗盡層。

(a)ZnO/Cu2O的電流-電壓曲線，插圖為器件結(jié)構(gòu)

為進一步提高傳感器的器件性能，構(gòu)建新型器件結(jié)構(gòu)也倍受關(guān)注，如壓電晶體管(PT)結(jié)構(gòu)和界面微結(jié)構(gòu)等。Zhou等[48]在聚苯乙烯板上制備基于單根ZnO NW的PT，利用在外力下產(chǎn)生的壓電勢作為柵壓誘導(dǎo)形成溝道電流。所制備的壓力傳感器在0.99%的應(yīng)變下，應(yīng)變系數(shù)(GF)達1 250?；陔p側(cè)勢壘降低機制[49]，具有鏡像對稱的ZnO雙納米片晶體管[50]和具有雙通道結(jié)構(gòu)壓電晶體管(DCPT)[51]被用于提升PT傳感性能，雙通道晶體管的輸出電流明顯高于單通道，如圖3(c)與3(d)所示。顯然對于PT結(jié)構(gòu)，電極與敏感層之間的肖特基勢壘高度(SBH)最為關(guān)鍵，如何使構(gòu)建的接觸勢壘對外部應(yīng)力具有高度敏感性仍是挑戰(zhàn)。研究發(fā)現(xiàn)，在ZnO與電極的交界面構(gòu)建具有鋸齒狀[52]和浮雕圖案[53]的微結(jié)構(gòu)上電極，可使ZnO納米線(棒)在外力作用下更易形變，產(chǎn)生更大壓電勢。另外，在ZnO與電極之間引入絕緣層能使應(yīng)力均勻分布和增加受力面積，也能提升器件性能[54]。然而，在ZnO納米結(jié)構(gòu)形態(tài)與傳感特性的內(nèi)在規(guī)律、高質(zhì)量納米結(jié)構(gòu)的可控制備、摻雜方法與性能優(yōu)化機理、微結(jié)構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)等方面仍有大量的基礎(chǔ)性工作有待深入研究。

(a)PT結(jié)構(gòu)，能帶圖

2.2 納米ZnO觸覺傳感器的多功能化

在實際應(yīng)用中，具有仿人體皮膚功能的觸覺傳感器已成為研究熱點，這要求觸覺傳感器除了感知外部壓覺和觸覺外，還能感知溫度和濕度等多種信息。與其他敏感材料的復(fù)合是實現(xiàn)多功能化的有效途徑，Shin等[55]通過引入對溫度敏感的聚3，4-乙烯二氧噻吩聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT：PSS)對Ag NWs進行修飾，修飾過的Ag NWs 既是ZnO壓電傳感器的電極也是溫度檢測單元，因此能夠同時感知應(yīng)變和溫度(30～60 ℃)；Lee等[56]則基于溫度對PVDF偶極子運動速率的影響制備基于ZnO/PVDF復(fù)合結(jié)構(gòu)的傳感器，能從電信號峰值和恢復(fù)時間中分別獲得物體所受應(yīng)力和溫度(20～120 ℃)。

利用ZnO自身氣敏性和光催化等特性耦合也能拓寬傳感器的感知類別，He等[57]構(gòu)建了一種四腳針狀ZnO/PVDF/織物結(jié)構(gòu)的觸覺傳感器，除了測量應(yīng)變之外還能檢測環(huán)境中氧氣的濃度和濕度、降解甲基橙等有機污染物，以及阻礙細菌滋生、清除病原體。為滿足便攜式、可穿戴等應(yīng)用要求，實現(xiàn)器件的自供電也是多功能化的一個重要研究方向[58- 59]。而在多功能化的過程中，由于單個敏感材料往往會對多種刺激同時產(chǎn)生響應(yīng)，因此不可避免地需要解決信號耦合問題，一般對于同類信號(壓、拉、彎曲等)可通過算法進行信號解耦[60]，如Chung等[61]基于壓電效應(yīng)原理編寫算法實現(xiàn)對彎曲半徑和彎曲速度兩種類型信號的解耦。而基于不同敏感效應(yīng)或多種材料復(fù)合實現(xiàn)多功能化，極有可能對信號產(chǎn)生不同種類的響應(yīng)，因此Sim等[62]研究了直接從輸出信號特征參數(shù)中提取對應(yīng)信息來實現(xiàn)信號自解耦以降低解耦難度。Lee等[56]還發(fā)現(xiàn)，輸出信號的特征參數(shù)(如正、負電壓峰值、上升和下降時間等)與外部刺激模式之間存在一定的對應(yīng)關(guān)系，因此可以直接通過特征參數(shù)變化來獲取相應(yīng)的外部激勵信息，實現(xiàn)自解耦。

2.3 納米ZnO觸覺傳感器的集成化

壓電式觸覺傳感器具備靈敏度高、頻帶寬等優(yōu)點，但只能將力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電荷量，檢測時需要采用電荷放大器將電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號，導(dǎo)致檢測電路較為復(fù)雜。采用壓電傳感器單元與場效應(yīng)晶體管(FET)集成化制造便成為一種極佳的解決方案[63]。Chen等[64]采用ZnO納米線與MoS2FET集成的新型器件結(jié)構(gòu)制備ZnO傳感器，如圖4(a)所示。其工作原理是ZnO納米線敏感單元在外力作用下產(chǎn)生的壓電勢直接充當(dāng)MoS2FET的柵壓，調(diào)控FET的漏源電流(IDS)大小。該集成傳感器在6.25 MPa的壓力下漏源電流變化量ΔIDS為1.4 μA，如圖4(b)所示。Panth等[65]將ZnO 納米線與石墨烯晶體管集成，實現(xiàn)了高應(yīng)變靈敏性，其靈敏度((ΔIDS/I0)/P，I0為未施加壓力時的初始漏源電流，P為壓強)為3.15×10-2kPa-1，檢測極限低至0.37 N。顯然，通過壓電傳感單元與晶體管的集成，在器件內(nèi)部直接將外力轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號，且通過FET可實現(xiàn)對信號的放大，有利于提升壓力/觸覺傳感器的響應(yīng)敏感性和提高信噪比，特別適合微弱信號的感知。

(a)集成器件結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 ZnO觸覺傳感器的陣列化

觸覺傳感器陣列化是指傳感器由M×N個傳感器單元構(gòu)成陣列結(jié)構(gòu)，其中每一個感知單元均能獨立地輸出感知信號，因此，不僅能感受受力大小還能確定其受力位置，從而感知力信息的空間分布。Nabar等[66]通過光刻工藝對ZnO生長區(qū)域圖案化，如圖5(a)所示，利用T型和S型相結(jié)合的電極布線結(jié)構(gòu)構(gòu)建空間分辨率為1 mm的無信號串?dāng)_的納米ZnO觸覺傳感器陣列，其陣列單元結(jié)構(gòu)如圖5(b)所示。Deng等[67]則是直接沉積圖案化電極(見圖5(c))得到陣列化傳感器，并用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將陣列感知信號傳輸至PC端來實現(xiàn)壓力映射。在一維傳感器陣列制備中，行列式型的電極結(jié)構(gòu)不僅能將傳統(tǒng)的電極數(shù)量從2n減少到2n，還能解決陣列化引發(fā)的電極信號串?dāng)_問題，如圖5(d)所示[68]，其無需進行信號解耦。而在三維力信號感知中，信號解耦是其關(guān)鍵，一般通過解耦算法進行解耦，目前使用較為廣泛的是最小二乘法(LS)，它是以線性傳感器系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過標(biāo)定矩陣進行解耦計算來實現(xiàn)解耦[69]。但是實際傳感器輸出信號復(fù)雜且非線性，引入非線性解耦算法提高解耦精度已成為目前的研究趨勢[70]，Li等[71]利用Matlab軟件編寫基于LS支持向量機回歸(LSSVR)的融合解耦算法，用LS解耦后最大交叉耦合誤差為3%，而LSSVR的最大交叉耦合誤差僅為0.1%。

(a)種子層圖案化示意圖

(d)壓力映射圖

3 納米ZnO觸覺傳感器的應(yīng)用

納米ZnO壓電式觸覺傳感器因其獨特的性能優(yōu)勢，在應(yīng)力成像、電子皮膚、健康檢測、可穿戴電子設(shè)備等領(lǐng)域展現(xiàn)出極大的應(yīng)用前景，文中主要從應(yīng)力成像、監(jiān)測人體運動和生理健康3個方面概述其相關(guān)的應(yīng)用研究。

3.1 應(yīng)力映射成像

觸覺傳感器能將外部壓力轉(zhuǎn)換為可被檢測的電信號，而力的空間分布可視化(即應(yīng)力成像)能增強其可讀性及直觀性，極大地滿足了未來應(yīng)用需求。近年來，研究人員為了實現(xiàn)應(yīng)力成像開展了系列創(chuàng)新研究工作，比較簡單直接的方法是根據(jù)傳感器施加應(yīng)力后的電信號強度得出應(yīng)力分布圖，如Liu等[72]利用單個ZnO納米板作為像素單元制備空間分辨率高達12 700 dpi的成像陣列，實現(xiàn)垂直應(yīng)變(方向)的壓力檢測，而Song等[73]在ZnO薄膜的上下兩側(cè)沉積圖案化電極來實現(xiàn)切向應(yīng)變(方向)的壓力檢測。Peng等[74]則是通過構(gòu)建GaN/ZnO LED制備壓電-光電集成傳感器陣列，將外力引起的壓力勢轉(zhuǎn)換成LED發(fā)光亮度的變化，其空間分辨率為2.6 μm。除了利用壓電勢調(diào)控LED發(fā)光強度實現(xiàn)壓力分布可視化外，研究人員還利用壓電勢調(diào)控電致變色陣列達到壓力成像的目的[75]。值得一提的是，高空間分辨率、高柔韌性和寬測量范圍的壓力感知系統(tǒng)在智能機器人、人機交互、模擬人類觸覺傳感等領(lǐng)域具有廣闊的潛在應(yīng)用。

3.2 人體運動監(jiān)測

納米ZnO觸覺傳感器可用于監(jiān)測人體姿勢變化以及肌肉運動狀況等，有望在重癥監(jiān)護、生物醫(yī)學(xué)、醫(yī)學(xué)康復(fù)檢測和人機交互等實際應(yīng)用場景發(fā)揮重要作用[76]。Ha等[77]在PDMS微柱上徑向生長ZnO納米線制備觸覺傳感器(如圖6所示)，該器件以微納米分層互鎖幾何結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，能檢測微弱振動和聲波信息，這種受人體表皮-真皮機械傳感器激發(fā)的分層互鎖結(jié)構(gòu)由于其較大接觸面積而具備較低檢測極限和較高靈敏度[78]。Pradel等[79]制備的ZnO同質(zhì)結(jié)傳感器不需要膠帶等外界輔助固定，其利用范德瓦耳斯力實現(xiàn)外層封裝聚合物與人體皮膚的緊密接觸，能靈敏、快速地對手的不同姿勢和運動作出準(zhǔn)確判斷。Deng等[80]用靜電紡絲技術(shù)制備ZnO/PVDF豆莢形核殼結(jié)構(gòu)，將傳感器附著在手指上能識別手勢，并且通過外圍控制電路實現(xiàn)遠程控制機器人手勢變化，推動智能人機交互的發(fā)展。觸覺傳感器不僅能監(jiān)控人體運動，還能檢測其他運動，如翻頁和輪胎轉(zhuǎn)速等，也可用于制造高分辨率的生物指紋采集[81]，為紋路識別以及指紋獲取等應(yīng)用提供了新途徑。

圖6 基于ZnO納米線陣列分層互鎖結(jié)構(gòu)器件示意圖Fig.6 Schematic illustration of device based on interlocking geometry of hierarchical ZnO NW arrays

3.3 生理健康監(jiān)測

隨著人們健康意識的不斷增強，生理健康監(jiān)控不僅對老年人和重癥患者而言極為重要，健康人群也希望能實時了解和隨時掌握自身的生理健康狀況。納米ZnO觸覺傳感器在用于實時監(jiān)測脈搏、心率和呼吸等生理信息方面的應(yīng)用研究日益活躍。Li等[82]在碳纖維上徑向生長ZnO NW制得的觸覺傳感器能感知各個方向的微弱應(yīng)力，將其固定在手腕上不僅能監(jiān)測到人的脈壓，還能用于監(jiān)測心臟活動及呼吸運動。Shin等[83]在PDVF薄膜中填充ZnO制備高靈敏度觸覺傳感器，能將檢測到的心率信號通過無線藍牙技術(shù)，在8 m的范圍內(nèi)無失真?zhèn)鬏斝穆市盘柕绞謾C端。對于穿戴式觸覺傳感器而言，傳感器應(yīng)具有良好的透氣性和皮膚相容性，Yang等[84]選擇在PVDF纖維表面垂直生長ZnO NR陣列，利用納米纖維之間的大量孔洞來保證高氣體滲透性，并保證對呼吸和心率的有效監(jiān)測。Gogurla等[85]則以天然蠶絲蛋白水凝膠和ZnO NR構(gòu)造皮膚相容性良好的呼吸運動監(jiān)測器。觸覺傳感器對于人體生理信息檢測和醫(yī)療健康方面具有重要意義，也可用于遠程控制和人機交互等智能設(shè)備，但是相關(guān)研究大都處于實驗室階段，離大規(guī)模應(yīng)用還有一定距離，相關(guān)研究工作需進一步深入。

4 研究現(xiàn)狀與展望

近些年，利用納米ZnO壓電效應(yīng)實現(xiàn)高性能、多功能、集成化觸覺傳感器等方面開展了廣泛的研究，特別是在納米ZnO可控制備與性能優(yōu)化、新型器件結(jié)構(gòu)設(shè)計、與FET集成化制造、多功能化和陣列化等方面已取得系列成果，但是仍然存在著許多不足，主要表現(xiàn)在：

(1)雖然通過納米結(jié)構(gòu)形貌調(diào)控，摻雜改性、內(nèi)部微結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方法有效改善了納米ZnO觸覺傳感器的壓電性能，但相較于PZT陶瓷等無機壓電材料，納米ZnO的壓電系數(shù)明顯偏低。影響傳感器壓電性能的因素較為復(fù)雜，所涉及的內(nèi)在物理機理尚不明晰，還需從理論和實踐兩方面取得積極進展。

(2)納米ZnO具有優(yōu)異的壓電效應(yīng)、光電效應(yīng)和光催化效應(yīng)等，在制備多功能集成觸覺傳感器方面存在優(yōu)勢，但實現(xiàn)多模式感知信號的精準(zhǔn)解耦仍然是有待于攻克的技術(shù)難點。

(3)目前，納米ZnO觸覺傳感器對外界刺激的感知主要集中在垂直應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，而對于扭曲、振動、擰等復(fù)雜外界刺激的感知，以及多軸力信息感知等方面的研究較為欠缺，因此，如何進一步優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，構(gòu)造能識別并解耦多種、復(fù)雜、多維度的外界壓力的傳感器也是未來的研究方向之一。

(4)目前，納米ZnO觸覺傳感器的研究主要關(guān)注性能優(yōu)化和檢測功能實現(xiàn)等方面，而對應(yīng)用環(huán)境的適用性和可行性探討較少，特別是針對醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，對傳感器的自愈能力、自清潔能力、透氣性和生物相容性等方面的研究相對不足。

5 結(jié)論

納米ZnO因具有優(yōu)異的壓電、光電、光催化效應(yīng)，以及形態(tài)多樣、生物兼容好、環(huán)境友好、易于制備等優(yōu)點而在觸覺傳感器領(lǐng)域占據(jù)重要地位。近年來，在ZnO納米結(jié)構(gòu)形態(tài)調(diào)控、器件微結(jié)構(gòu)設(shè)計、多功能集成、集成化和陣列化等方面開展了廣泛的研究，基于納米ZnO觸覺傳感器已取得了突破性的發(fā)展。然而，ZnO納米結(jié)構(gòu)的可控制備與性能退化機理、多模式感知的串?dāng)_解耦、多維度感知的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計與算法實現(xiàn)，以及集成感知系統(tǒng)內(nèi)部器件之間的力、熱、光、電性能匹配等方面仍然存在諸多挑戰(zhàn)，離大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還有一定距離。挑戰(zhàn)與機遇并存，納米ZnO觸覺傳感器將朝著高靈敏度、高穩(wěn)定可靠、高分辨率、柔性化、集成化、多功能化、智能化、自供能方向發(fā)展。