高透明无铅压电触觉器件，助力表面触感模拟应用
2025-11-09 11:31:54 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员利用铌酸钾钠（KNN）和透明导电氧化物薄膜，开发出一种高透明无铅压电触觉器件。生长于玻璃衬底上的KNN薄膜具有纯钙钛矿相结构和致密微结构。该器件透光率高达80%，优于锆钛酸铅（PZT）薄膜。
声学触觉技术通过在触摸屏上集成压电执行器，为人机界面增添了触觉反馈功能。传统压电触觉技术采用不透明的含铅压电陶瓷材料——这类材料既含毒性，还会影响器件视觉通透性。
据麦姆斯咨询报道，近期，卢森堡科学与技术研究院（Luxembourg Institute of Science and Technology）和卢森堡大学（University of Luxembourg）的研究团队利用铌酸钾钠（KNN）和透明导电氧化物薄膜，开发出一种高透明无铅压电触觉器件。生长于玻璃衬底上的KNN薄膜具有纯钙钛矿相结构和致密微结构。该器件透光率高达80%，优于锆钛酸铅（PZT）薄膜。该器件在16.5 kHz频率下可产生声学共振，并在28 V单极电压驱动下的峰-峰位移达1.0 μm，适合表面触感模拟应用。这一研究成果证明，透明无铅压电执行器有望成为传统PZT触觉执行器的有效替代方案。这项研究成果以“Highly transparent lead-free piezoelectric haptic device”为题发表在Communications Materials期刊上。
压电触觉执行器可诱导平板产生超声波振动，当手指在其表面滑动时，空气的快速压缩和释放会形成一层具有润滑作用的薄空气膜（如图1a）。研究人员采用COMSOL 5.5软件进行三维有限元建模（FEM）以优化触觉器件设计。模型中，在玻璃衬底（10 × 50 × 0.3 mm³，如图1b）上集成了四个压电执行器（1 × 8 × 0.1 mm³）。如图2所示，当对电极施加电压时，该器件在17.2 kHz共振频率下产生反对称Lamb驻波（A0）。模拟结果验证了该器件设计的有效性。
图1 空气膜挤压效应及触觉器件示意图
图2 触觉器件的有限元建模结果
该触觉器件采用导电氧化物薄膜作为透明电极：以氟掺杂氧化锡（FTO）为底电极，以氧化铟锡（ITO）为顶电极，两者均通过内部溅射工艺制备。1% Mn掺杂的KNN压电薄膜采用标准化学溶液工艺沉积，以2-甲氧基乙醇为溶剂、乙酸盐为前驱体。触觉器件选用600 nm厚度的KNN压电薄膜。
生长于FTO镀膜玻璃衬底上的1 µm KNN压电薄膜的光学透射光谱（如图3a）显示出强烈振荡，这源于KNN多层结构的内部反射。该压电薄膜在可见光波段（380 ~ 700 nm）的平均透光率达80%，优于PZT压电薄膜。图3a插图展示了所制备的透明触觉器件，表明其具有高透明特性。图3b为沉积于FTO玻璃衬底上的KNN压电薄膜的掠入射X射线衍射图（GIXRD）。
图3 KNN压电薄膜的光学和结构表征
研究人员通过Polytech激光多普勒测振仪测量离面（out-of-plane）位移以评估该触觉器件的性能，相关结果如图4所示。在测试中，四个压电执行器采用串联方式以降低电流需求，因此总施加电压为单个压电执行器电压的四倍。
图4 触觉器件的测量结果
综上所述，这项研究成功在FTO涂层玻璃衬底上制备出无铅KNN压电薄膜，实现了纯钙钛矿相结构和致密微结构。在此基础上，研究人员开发出了一种由ITO/KNN/FTO/玻璃构成的无铅透明触觉器件。该器件在28 V电压、16.48 kHz频率时的离面位移达1 µm，适合表面触感模拟应用。此外，该触觉器件在可见光波段透光率高达80%，超越了已报道的PZT触觉器件水平。这些成果凸显了无铅压电薄膜在开发透明压电执行器（用于表面触感模拟）方面的潜力，为传统含铅器件提供了极具前景的替代方案。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s43246-025-00817-z
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