兼具接近和觸覺感知功能的雙模態柔性電容式傳感器在人機交互領域展現了極大的應用前景，該類傳感器能夠顯著提升機器人對環境的綜合感知能力及其與環境中物體之間的交互水平。然而，目前該類傳感器在性能表現上仍存在一定局限：在非接觸工作模式下，由于電極邊緣電場強度不足，其傳感距離有待提高；而在接觸工作模式下，由于彈性介電層結構單一及材料楊氏模量的限制，在較高壓力下易出現形變飽和，從而造成傳感器靈敏度曲線產生非線性失真的缺點。為克服上述不足，研究人員嘗試通過優化電極層與介電層的結構，以提高雙模態電容式傳感器的綜合感知性能。
近期，山東科技大學的李玉霞教授在國際著名期刊《Chemical Engineering Journal》上在線發表題為“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”的原創性論著。該研究利用雪花狀電極邊緣長度較長的結構優勢，有效增強了電極層的邊緣電場效應，使接近感知距離提高至100 mm；同時，引入多級半圓體微結構介電層的結構設計，為傳感器在觸覺感知工作模式下提供了高線性靈敏度(R2=0.98749)及寬檢測范圍(0-320 kPa)。
首先，研究團隊圍繞傳感器感知性能的提升開展了創新性的結構設計。如圖1所示，所提出的雙模態傳感器結構整體采用三明治式構型：上下兩層為雪花狀液態金屬電極，中間層為引入多級半圓體微結構的Ecoflex介電層。可流動的雪花狀電極為傳感器提供了更強的邊緣電場效應，使得傳感器在安全人機交互、非接觸軌跡追蹤等領域優勢明顯；多級半圓體微結構介電層使得傳感器具備更均勻的應力分布，在接觸感知模式下為傳感器提供了高線性靈敏度。
圖1. 傳感器的總體設計示意圖。
研究團隊根據傳感器的結構設計，通過仿真對其性能進行系統的分析。首先，對不同電極形狀的傳感器進行了電場強度仿真，仿真結果如圖2a所示。相比傳統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電場強度變化更為顯著，證實了其更強的邊緣電場效應和接近感知能力。同時，分別對單級和多級半圓體微結構的介電層加載壓力并進行形變仿真，仿真結果如圖2b所示。根據仿真結果分析，半徑大的半圓體微結構對較小壓力的反饋形變明顯，而較小半徑的半圓體微結構卻對較大的負載壓力更加敏感。多級半圓體微結構介電層可同時覆蓋高壓力和低壓力區間，并使介電層在不同壓力區間的線性響應特性相互補充，為傳感器呈現出了更高的線性度。
圖2. 傳感器結構化設計仿真對比效果。
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（microArch? S240，精度：10 μm）來制備雪花狀電極模具以及多級半圓體微結構介電層模具。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。在電極層制備過程中，將液態金屬EGaIn注入模具中以形成雪花狀導電通路，并完成導線封裝。最后，按照三明治式結構將上下電極層與介電層進行疊層組裝，并利用Ecoflex溶液進行粘合與封裝，最終實現傳感器的一體化制備。
圖3.傳感器的制備流程。
在接近感知模式下，傳感器的最遠檢測距離可達100 mm，且在垂直與水平方向上對不同速度的接近物體均表現出快速且穩定的響應特性。在接觸感知模式下，傳感器的靈敏度曲線在寬壓力范圍內保持高度線性。同時，動態加載–卸載測試結果表明，該傳感器具有良好的重復性與快速響應能力，其響應時間和恢復時間均約為120 ms。此外，在彎曲與旋轉等變形狀態下，傳感器仍能保持穩定工作，并可實現對低至約0.5 kPa的微小壓力的可靠感知。
最后，研究團隊驗證了該傳感器在實際場景中的應用潛力。傳感器單元被用于莫爾斯電碼加密傳輸，通過改變按壓時長而產生不同電容信號，從而成功解碼出“SDUST”字母序列。將傳感器集成于機械臂的肢體與末端，構建了人機協作安全系統。當人手等障礙物接近時，系統能提前感知并觸發視覺警報。構建的3×3 傳感陣列，成功實現了對手指在陣列上方1 cm處移動軌跡的非接觸式實時跟蹤，展示了其在手勢識別與運動追蹤領域的應用前景。
總結：研究人員通過將雪花狀液態金屬電極與多級半圓體微結構介電層進行協同設計，成功研制出一種高性能柔性雙模態電容式傳感器，實現了遠距離非接觸感知與高線性壓力靈敏度的有機統一。團隊利用摩方精密微納3D打印技術制備了仿雪花狀電極模具以及多級微結構介電層模具，保障了復雜結構設計的可靠實現。實驗結果表明，該傳感器在人機交互安全、非接觸軌跡追蹤和智能感知等典型應用場景中證明了其卓越性能與實用價值，為提升傳感器的雙模態感知性能提供了一種新的設計思路。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.172401
