铜氧化物改性PZT墨水直接印刷技术实现高性能玻璃基表面触觉执行器

为解决传统压电触觉执行器制造工艺复杂、效率低下的问题，研究人员开展了铜氧化物改性PZT墨水直接印刷于玻璃基板的研究，通过优化流变特性与烧结参数，成功在900°C低温下实现高密度PZT层（d33达270-310 pC/N），并演示了36 kHz兰姆波驱动下1.2μm位移的触觉反馈。该技术为车载显示与消费电子提供了高性能、可扩展的触觉解决方案。

　　

在智能汽车和消费电子领域，触觉反馈技术正成为提升用户体验的核心要素。当前主流的电磁驱动技术如偏心旋转质量（ERM）和线性谐振执行器（LRA）虽广泛应用，却存在响应延迟大、功耗高、频率范围窄等局限，尤其难以满足大尺寸显示面板对复杂触觉模拟的需求。更为关键的是，基于超声波频率（如挤压膜效应和兰姆波传播）的表面触觉技术需产生高于20 kHz振动且位移超过1μm的机械输出，这对传统执行器构成巨大挑战。

为此，压电陶瓷材料尤其是锆钛酸铅（PZT）因其高压电系数（d₃₃）和宽频响应特性被视为理想替代方案。然而，现有PZT执行器制造依赖将块体陶瓷切割后粘接至玻璃基板，该工艺不仅引入界面阻尼降低效能，且耗时耗力、成本高昂。若能将PZT直接印刷于玻璃表面，将显著简化流程并提升性能，但核心难点在于PZT的烧结温度通常超过1000°C，远超普通玻璃的耐热极限。

发表于《npj Flexible Electronics》的研究通过创新性材料改性与工艺优化，成功实现了PZT墨水在玻璃上的直接印刷与低温烧结。研究团队开发了铜氧化物（CuO）改性PZT墨水，通过流变特性调控与烧结参数优化，在900°C下形成致密PZT层，其压电性能（d₃₃: 270–310 pC/N, d₃₁: -40至-50 pC/N）媲美块体陶瓷。执行器在36 kHz频率下产生1.2μm位移，仅需10V_pp驱动电压，并展示了可靠的摩擦调制触觉效果。该技术为高性能、可定制化表面触觉系统提供了新范式。

研究采用的关键技术方法包括：基于直接墨水书写（DIW）的印刷工艺，通过调控气压、打印速度与重叠率实现均匀涂层；利用田口实验设计（Taguchi DoE）优化烧结温度（900°C）、保温时间（2h）与升温速率（7°C/min）；通过CuO与ZnO添加剂降低烧结温度并抑制二次相；采用直流极化（3 kV/mm）激活压电性能；结合X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）与电学测试（介电、铁电、短路电流分析）表征材料特性；通过可靠性应力测试与180°剥离试验验证器件耐久性与附着力。

Rheological behaviour of the PZT ink

通过动态光散射（DLS）和场发射扫描电镜（FESEM）分析PZT粉末粒径分布（d₅₀: 712 nm），使用Triton X-100作为分散剂，在0.375 wt%浓度下实现最低粘度（10.6 mPa·s）与悬浮稳定性，为墨水印刷提供理想流变特性。

Optimization of printing parameters of the PZT ink

采用直接墨水书写技术，在玻璃基板上通过参数优化（气压0.004 MPa、打印速度15 mm/s、线重叠率50%）获得连续均匀的PZT涂层，避免断点与斑块缺陷。

Optimization of the sintering parameters

通过田口L9正交实验确定最佳烧结条件为900°C/2h/7°C/min，该组合下压电系数d₃₃最高（270–310 pC/N），且保温时间对性能影响最显著。

Phase analysis and morphology of sintered Printed-PZT

XRD与Rietveld精修显示烧结后PZT钙钛矿相纯度超99%，二次相Pb₂Nb₂O₇低于1%，SEM显示平均晶粒尺寸2.5μm，致密无裂纹。

Electrical properties

介电常数（ε_r）为950、损耗0.06（1 kHz），铁电回线显示剩余极化（P_r）2.52 μC/cm²、矫顽场（E_c）1.20 MV/m。短路电流测量结合力学模型计算得d₃₁为-40至-50 pC/N，证实材料具备优异力电耦合能力。

Reliability studies

在100 V_pp交流叠加50 V直流应力下连续驱动212小时，振动振幅初期衰减后稳定，共振频率漂移小于15%，表明材料经历老化后仍保持稳定性能。

Peel test

遵循ASTM D3330标准进行180°剥离测试，附着力达0.1–0.7 N，且剥离后无残留，证明PZT与玻璃基板结合牢固，满足车载显示机械可靠性要求。

Surface-haptics demonstrator

制作100×100 mm演示器，顶部电极图案化驱动36 kHz兰姆波，实测位移1.2μm，并通过4 Hz振幅键控（ASK）调制产生可感知的摩擦触觉效果，验证了实际应用可行性。

该研究通过材料改性、印刷工艺与烧结优化，成功实现了玻璃基板上PZT的高性能直接集成，解决了传统粘接工艺的瓶颈问题。CuO添加剂使烧结温度降至900°C，兼容高温玻璃基板，而田口实验与流变调控确保了工艺可靠性。所得执行器具备高压电系数、低驱动电压与优异机械耐久性，为车载显示、消费电子及医疗设备提供了可扩展、定制化的触觉解决方案。未来通过进一步降低烧结温度或开发新型玻璃材料，有望拓展至更广泛的商业基板应用场景。