近期共同努力，山東科技大學(xué)的李玉霞教授在國際期刊《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度較長的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢追求卓越，有效增強(qiáng)了電極層的邊緣電場效應(yīng)逐漸完善，使接近感知距離提高至100 mm；同時合理需求，引入多級半圓體微結(jié)構(gòu)介電層的結(jié)構(gòu)設(shè)計是目前主流，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)。

首先高質量，研究團(tuán)隊圍繞傳感器感知性能的提升開展了創(chuàng)新性的結(jié)構(gòu)設(shè)計充分發揮。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)金屬電極管理，中間層為引入多級半圓體微結(jié)構(gòu)的Ecoflex介電層設計。可流動的雪花狀電極為傳感器提供了更強(qiáng)的邊緣電場效應(yīng)，使得傳感器在安全人機(jī)交互改進措施、非接觸軌跡追蹤等領(lǐng)域優(yōu)勢明顯就此掀開；多級半圓體微結(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今年。

圖1. 傳感器的總體設(shè)計示意圖信息化技術。

研究團(tuán)隊根據(jù)傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過仿真對其性能進(jìn)行系統(tǒng)的分析良好。首先逐步顯現，對不同電極形狀的傳感器進(jìn)行了電場強(qiáng)度仿真銘記囑托，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自動化裝置，本文提出的雙分支雪花電極在物體接近時電場強(qiáng)度變化更為顯著示範，證實了其更強(qiáng)的邊緣電場效應(yīng)和接近感知能力。同時有很大提升空間，分別對單級和多級半圓體微結(jié)構(gòu)的介電層加載壓力并進(jìn)行形變仿真運行好，仿真結(jié)果如圖2b所示。根據(jù)仿真結(jié)果分析可能性更大，半徑大的半圓體微結(jié)構(gòu)對較小壓力的反饋形變明顯部署安排，而較小半徑的半圓體微結(jié)構(gòu)卻對較大的負(fù)載壓力更加敏感。多級半圓體微結(jié)構(gòu)介電層可同時覆蓋高壓力和低壓力區(qū)間共享應用，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)充生產能力，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)計仿真對比效果示範推廣。

傳感器的制備流程如圖3所示堅持好，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）來制備雪花狀電極模具以及多級半圓體微結(jié)構(gòu)介電層模具大幅增加。隨后特性，以Ecoflex為柔性基底，采用倒模工藝分別制備電極層與介電層等特點。在電極層制備過程中建言直達，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)線封裝將進一步。最后充分發揮，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)行粘合與封裝動力，最終實現(xiàn)傳感器的一體化制備同時。

圖3.傳感器的制備流程互動式宣講。

如圖4所示效高性，在接近感知模式下，傳感器的最遠(yuǎn)檢測距離可達(dá)100 mm自動化，且在垂直與水平方向上對不同速度的接近物體均表現(xiàn)出快速且穩(wěn)定的響應(yīng)特性提升。如圖5所示，在接觸感知模式下不折不扣，傳感器的靈敏度曲線在寬壓力范圍內(nèi)保持高度線性支撐能力。同時，動態(tài)加載–卸載測試結(jié)果表明高效利用，該傳感器具有良好的重復(fù)性與快速響應(yīng)能力特征更加明顯，其響應(yīng)時間和恢復(fù)時間均約為120 ms估算。此外，在彎曲與旋轉(zhuǎn)等變形狀態(tài)下的可能性，傳感器仍能保持穩(wěn)定工作不要畏懼，并可實現(xiàn)對低至約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試曲線問題。

圖5. 接觸模式下的傳感器性能測試曲線保持競爭優勢。

最后，研究團(tuán)隊驗證了該傳感器在實際場景中的應(yīng)用潛力發展機遇。如圖6 a-b所示長效機製，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(chǎn)生不同電容信號全技術方案，從而成功解碼出“SDUST"字母序列分享。如圖6 c-d所示，將傳感器集成于機(jī)械臂的肢體與末端分析，構(gòu)建了人機(jī)協(xié)作安全系統(tǒng)表示。當(dāng)人手等障礙物接近時，系統(tǒng)能提前感知并觸發(fā)視覺警報非常激烈。如圖7所示競爭力所在，構(gòu)建了3×3 傳感陣列，成功實現(xiàn)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領域，展示了其在手勢識別與運動追蹤領(lǐng)域的應(yīng)用前景溝通機製。

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)用註入新的動力。

總結(jié)：研究人員通過將雪花狀液態(tài)金屬電極與多級半圓體微結(jié)構(gòu)介電層進(jìn)行協(xié)同設(shè)計領先水平，成功研制出一種高性能柔性雙模態(tài)電容式傳感器，實現(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)一雙重提升。團(tuán)隊利用摩方精密微納3D打印技術(shù)制備了仿雪花狀電極模具以及多級微結(jié)構(gòu)介電層模具戰略布局，保障了復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠實現(xiàn)。實驗結(jié)果表明表現明顯更佳，該傳感器在人機(jī)交互安全狀態、非接觸軌跡追蹤和智能感知等典型應(yīng)用場景中證明了其優(yōu)異性能與實用價值，為提升傳感器的雙模態(tài)感知性能提供了一種新的設(shè)計思路指導。