伴随着虚拟现实和增强现实(VR/AR)的发展，近年触觉反馈技术引起了人们的极大兴趣。触觉反馈有两种重要的类型，振动触觉反馈和表面触觉反馈，前者通常由LRA/ERM电机或压电作动器实现，可提供简单的短促的振动用于提起注意或确认，通常振动频率低于1kHz。 

表面触觉反馈技术往往会产生一个更复杂的触觉感受，比如为设备使用者重建一个触摸的手感。一个有效的方法是在人与触摸表面之间产生动态摩擦调制，该调制由超声压电作动器激励振动板产生。该技术可用于平板显示，如手机，平板电脑，汽车操作面板，智能家居中。它增强了现实，提升了用户互动体验，减少了操作时间和错误率。

为了更有效地与触摸显示屏整合在一起，触觉反馈设备的开发必须解决三个问题：较大的面外位移(幅值超过1μm，超声频率)， 高透过率且不影响显示区域，低驱动电压，低功耗且用户安全。这三个特点相互影响相互制约。由于大振幅是由压电体来产生的，通常是需要高驱动电压，通常，粘在玻璃基体上的压电陶瓷在200V电压下可产生3μm的位移。另外，与压电体相连的区域是不透明的。

因此，需要将10V以下的驱动电压和透明压电薄膜AlN和 PZT 整合起来。然而，传统的制备过程使用金属电极或硅基体，会显著影响设备的透明度。近来，在光学级别的石英晶元上，结合了ITO电极的厚度小于1μm的PZT薄膜制备成功。该方法将PZT面外位移提升到了2.9μm，频率为73kHz。然而过高的驱动电压—150V仍然是一个问题。因此，高透明度与低驱动电压的成功整合仍然是表面触觉反馈应用的一个重要挑战。

本文中，同时考虑了设备的结构设计和振动模式设计。我们在玻璃上设计并制备了2μm厚的PZT薄膜与ITO电极金属-绝缘体-金属结构，制成了一个高透明的触觉反馈设备，该设备同时满足了大振幅，高透明，低驱动电压的要求。

图1：触觉反馈设备的反对称兰姆波有限元仿真。圆圈内的放大图显示了指压膜利用了触觉反馈效应，右侧为透明薄膜的剖面图，为基于玻璃基底的多层结构，ITO (250 nm), PZT (2μm)， ITO (500 nm)

我们用有限元方法(ANSYS软件)设计了利用PZT驱动触觉反馈设备的结构，玻璃基底选择了Corning Lotus™ NXT Glass，其应变点为752 °C。初始时，分别使用丙酮，异丙醇，纯水清洁以及氮气吹干，ITO膜由商业溅射系统(SMD-450BHD)制成，玻璃基底平行放置于目标(710×630×6mm3)10cm处，不加热，100sccm氩气流与30sccm 水蒸气流作为溅射气体，工作压力与溅射功率分别为0.67Pa， 3.2kW。在氮气环境中进行30分钟退火，温度为250 ℃。

最终水晶化步骤在熔炉中进行650 ℃退火15分钟。水晶结构由XRD来判断，膜的透光率由UV-Vis光度计测量，使 用扫描电镜与原子力显微 镜观察表面以及截面图像。电极的薄膜电阻用四点探头法 测量， 压电属性用aixACCT TF-2000 分析器测试，aixACCT DBLI 系统用来测量小信号d_33,f。触觉反馈设备由光刻设备进行刻蚀，振动模式，面外位移和加速度由PSV-500扫描式激光测振仪测量。

考虑到人类手指的灵敏度，触觉反馈设备的基底通常会聚焦在以下几个参数上：

图 2. (a) ITO/玻璃上的2 μm-厚 PZT 膜的XRD模式. 

b) ITO/PZT/ITO/Glass可见光透射光谱， 小图显示了视觉效果 (‘BOE’ 图是印刷在单独的纸上，放在样品下方).

图 3. (a) 极化 P; (b) 介电常数 ε′ 以及 介电损耗 tan δ; (c) 压电常数 d33,f ，电场函数 E

半波长小于15mm，振幅大于1μm，共振频率高于20kHz。通过有限元分析，触觉反馈设备由一块60×71×0.5mm³的玻璃板以及PZT作动器构成，如图1所示，反对称兰姆波在板上产生，形成触觉反馈， 当波腹垂直于平板上下运动时，表现为10个结点的振动模式。

详细仿真结果见图1及2，相对较大的位移幅值由5组PZT作动器实现，位置在B处，宽度为W，间隔S分别为5.5mm, 5mm，1mm。

图2(a)显示了 XRD 构成PZT/ITO/Glass 系统，ITO和PZT膜对应的峰值是确定的，PZT膜的峰值是由一个单一的钙钛矿结构产生的，而没有任何焦石相。晶格参数 a=4.012Å，c=4.158Å。玻璃上的整个光学结构的透射谱中的可见波长从400nm 到700nm，如图2(b)所示。平均透射率达75%。

图2(b)中，带彩色条纹的‘BOE’图是印刷在单独的一张纸上，放置在玻璃下方，透明度足够高，人眼看上去比较舒服。如图S4所示，PZT膜的厚度为2.02μm，值得一提的是，底部电极的厚度设计为顶部电极厚度的两倍，用于补偿PZT膜热处理后的阻值升高，底部电极的薄膜电阻测试了两次，一次是ITO薄膜刚刚制造完成，一次是移除PZT和顶部电极。

Fig. 4. (a) 24 V电压下的振动位移测试结果 (b) 位移和加速度作为单极电压的函数，(a)，(b)两图中的信号频率均为22.5 kHz

根据有限元分析结果，60 × 70 × 0.5 mm3 大小的玻璃基底会产生10个结点，频率为22.5 kHz的振动模式。通过PSV-500扫描式激光测振仪的测试结果可见，面外振动情况如 图 4(a)所示，可观察到反对称兰姆波，在红色边界和绿色区域内共形成 10 个结点。波腹在上下振动时，沿结点方向，位移幅值变化不大。

如图4(b)中的视频S1所示，加载极低的单极电压10Vpp 即可获取商业标准的1μm (峰峰值)振幅，位移和加速度与加载电压完美的线性相关。随着电压升高，电压达到24Vpp时，面外位移可达到4μm，加速度可达到 79.5km/s2。从图S6可知，触觉反馈的位移幅值受加载的直流电压影响很大，由于主流电压的应用，位移上升系数为1.3，在PZT膜中，由于被基底夹紧，因此压电响应有限，施加的直流电压对于客服内部应力是有益的，且可提高铁弹性的取向。

图 5. 基于压电材料在超声频率下的触觉反馈设备的当前报告与从前的报告之间的对比，重点在于电压变化(ΔV)导致的面外振动位移的变化(ΔD)

我们当前的工作中，触觉反馈设备的面外位移的变化 (ΔD) 由加载电压的变化 (ΔV)引起， 与此前报告的结果比对如图 5所示。我们在压电系统中发现的最大值大约为 150 nm/V，包括 PZT 体以及从Si基底生长出的膜。然而，压电体的不透明，金属基电极或Si基底会影响显示区域的透明度。在玻璃板上覆盖带有透明电极的PZT薄膜设备中，我们的触觉反馈设备整合了高透明和高效率 ΔD/ΔV两个优势。

一个PZT作动器的电容大约是18nF，是由Agilent Technologies B1500A来测量的。测量设置为交流信号，电压25mV，频率22.5kHz。对于所有作动器，总的电容为540nF。所有作动器的有功功率即可用以下公式估算: Vrms×Irms×cosφ, 其中 Vrms, Irms 和φ分别为均方根 (rms)电压，均方根 (rms)电流以及电压和电流间的相位差 (φ)，本文中，驱动电压为单极电压 10Vpp，22.5kHz。所有作动器的有功功率经计算为3.58W。大电流由 Aigtek ATA-3080放大器提供。我们的触觉反馈设备可提供摩擦振动的触感，我们可感受到不同的摩擦，是因为对应的振动大小不同。

与基于SAW的技术相比，摩擦变小可直接被人类手指感觉到，而不需要在触摸表面与手指间使用任何钢珠或金属膜等材料。对于触觉反馈设备的更多客观评价，我们正在建设一个摩擦测试系统并在下一阶段进行心理物理试验。

我们已经制成了PZT薄膜驱动的触觉反馈设备，尽管PZT是多晶体，并没有面外振动方向优先的特点，但基于我们的振动模式设计，仍然在较低的驱动电压下产生了较大的面外位移，且将厚度提升到了2 μm，并没有大量损失透光率。未来的工作需要控制 PZT膜的方向来获得更好的压电行为。

我们设计并制备了高透明的触觉反馈设备，基于玻璃板上的PZT膜以及透明ITO电极。该玻璃板由22.5kHz电信号驱动，产生 10-结点振动，施加极低的单极电压 10Vpp 即可获取达到商业标准的振幅1μm。随着电压升高到24Vpp，位移可达到4μm，真个设备的透光率达到75%。该设备特别适合用于小型便携纤细的设施上。

简介：原文由京东方中央研究院发布在Sensors and Actuators: A. Physical杂志上