近期，山東科技大學(xué)的李玉霞教授在國(guó)際期刊《Chemical Engineering Journal》上在線發(fā)表題為“Flexible dual-mode capacitive sensor based on snowflake-like flowable electrode and multi-level microstructured dielectric layer with long proximity sensing distance and high linear sensitivity”的原創(chuàng)性論著。該研究利用雪花狀電極邊緣長(zhǎng)度較長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，有效增強(qiáng)了電極層的邊緣電場(chǎng)效應(yīng)，使接近感知距離提高至100 mm；同時(shí)，引入多級(jí)半圓體微結(jié)構(gòu)介電層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為傳感器在觸覺(jué)感知工作模式下提供了高線性靈敏度(R²=0.98749)及寬檢測(cè)范圍(0-320 kPa)。

首先，研究團(tuán)隊(duì)圍繞傳感器感知性能的提升開(kāi)展了創(chuàng)新性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。如圖1所示，所提出的雙模態(tài)傳感器結(jié)構(gòu)整體采用三明治式構(gòu)型：上下兩層為雪花狀液態(tài)金屬電極，中間層為引入多級(jí)半圓體微結(jié)構(gòu)的Ecoflex介電層。可流動(dòng)的雪花狀電極為傳感器提供了更強(qiáng)的邊緣電場(chǎng)效應(yīng)，使得傳感器在安全人機(jī)交互、非接觸軌跡追蹤等領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)明顯；多級(jí)半圓體微結(jié)構(gòu)介電層使得傳感器具備更均勻的應(yīng)力分布，在接觸感知模式下為傳感器提供了高線性靈敏度。

圖1. 傳感器的總體設(shè)計(jì)示意圖。

研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)仿真對(duì)其性能進(jìn)行系統(tǒng)的分析。首先，對(duì)不同電極形狀的傳感器進(jìn)行了電場(chǎng)強(qiáng)度仿真，仿真結(jié)果如圖2a所示。相比傳統(tǒng)平行板電極或單分支雪花電極，本文提出的雙分支雪花電極在物體接近時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度變化更為顯著，證實(shí)了其更強(qiáng)的邊緣電場(chǎng)效應(yīng)和接近感知能力。同時(shí)，分別對(duì)單級(jí)和多級(jí)半圓體微結(jié)構(gòu)的介電層加載壓力并進(jìn)行形變仿真，仿真結(jié)果如圖2b所示。根據(jù)仿真結(jié)果分析，半徑大的半圓體微結(jié)構(gòu)對(duì)較小壓力的反饋形變明顯，而較小半徑的半圓體微結(jié)構(gòu)卻對(duì)較大的負(fù)載壓力更加敏感。多級(jí)半圓體微結(jié)構(gòu)介電層可同時(shí)覆蓋高壓力和低壓力區(qū)間，并使介電層在不同壓力區(qū)間的線性響應(yīng)特性相互補(bǔ)充，為傳感器呈現(xiàn)出了更高的線性度。

圖2. 傳感器結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)仿真對(duì)比效果。

傳感器的制備流程如圖3所示，研究人員使用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)（microArch^® S240，精度：10 μm）來(lái)制備雪花狀電極模具以及多級(jí)半圓體微結(jié)構(gòu)介電層模具。隨后，以Ecoflex為柔性基底，采用倒模工藝分別制備電極層與介電層。在電極層制備過(guò)程中，將液態(tài)金屬EGaIn注入模具中以形成雪花狀導(dǎo)電通路，并完成導(dǎo)線封裝。最后，按照三明治式結(jié)構(gòu)將上下電極層與介電層進(jìn)行疊層組裝，并利用Ecoflex溶液進(jìn)行粘合與封裝，最終實(shí)現(xiàn)傳感器的一體化制備。

圖3.傳感器的制備流程。

如圖4所示，在接近感知模式下，傳感器的最遠(yuǎn)檢測(cè)距離可達(dá)100 mm，且在垂直與水平方向上對(duì)不同速度的接近物體均表現(xiàn)出快速且穩(wěn)定的響應(yīng)特性。如圖5所示，在接觸感知模式下，傳感器的靈敏度曲線在寬壓力范圍內(nèi)保持高度線性。同時(shí)，動(dòng)態(tài)加載–卸載測(cè)試結(jié)果表明，該傳感器具有良好的重復(fù)性與快速響應(yīng)能力，其響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間均約為120 ms。此外，在彎曲與旋轉(zhuǎn)等變形狀態(tài)下，傳感器仍能保持穩(wěn)定工作，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)低至約0.5 kPa的微小壓力的可靠感知。

圖4. 接近模式下的傳感器性能測(cè)試曲線。

圖5. 接觸模式下的傳感器性能測(cè)試曲線。

最后，研究團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了該傳感器在實(shí)際場(chǎng)景中的應(yīng)用潛力。如圖6 a-b所示，傳感器單元被用于莫爾斯電碼加密傳輸，通過(guò)改變按壓時(shí)長(zhǎng)而產(chǎn)生不同電容信號(hào)，從而成功解碼出“SDUST”字母序列。如圖6 c-d所示，將傳感器集成于機(jī)械臂的肢體與末端，構(gòu)建了人機(jī)協(xié)作安全系統(tǒng)。當(dāng)人手等障礙物接近時(shí)，系統(tǒng)能提前感知并觸發(fā)視覺(jué)警報(bào)。如圖7所示，構(gòu)建了3×3 傳感陣列，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)手指在陣列上方1 cm處移動(dòng)軌跡的非接觸式實(shí)時(shí)跟蹤，展示了其在手勢(shì)識(shí)別與運(yùn)動(dòng)追蹤領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

圖6. 傳感器在莫爾斯電碼加密傳輸與人機(jī)交互障礙物感知中的應(yīng)用。

圖7. 傳感器在人手軌跡追蹤中的應(yīng)用。

總結(jié)：研究人員通過(guò)將雪花狀液態(tài)金屬電極與多級(jí)半圓體微結(jié)構(gòu)介電層進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，成功研制出一種高性能柔性雙模態(tài)電容式傳感器，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離非接觸感知與高線性壓力靈敏度的有機(jī)統(tǒng)一。團(tuán)隊(duì)利用摩方精密微納3D打印技術(shù)制備了仿雪花狀電極模具以及多級(jí)微結(jié)構(gòu)介電層模具，保障了復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該傳感器在人機(jī)交互安全、非接觸軌跡追蹤和智能感知等典型應(yīng)用場(chǎng)景中證明了其優(yōu)異性能與實(shí)用價(jià)值，為提升傳感器的雙模態(tài)感知性能提供了一種新的設(shè)計(jì)思路。