中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
基于柔性材料制成的力和應變傳感器使機器人能夠與周?chē)h(huán)境實(shí)現智能互動(dòng)，在人機交互、可穿戴電子設備和健康監控系統等領(lǐng)域廣泛應用。在各類(lèi)柔性傳感器中，電容式傳感器因其功耗低、響應快、制作簡(jiǎn)易而被廣泛采用。然而，電容式傳感器非常容易受到運動(dòng)或附近物體以及低水平電磁（EM）干擾的影響，這使得柔性電容式傳感器僅能在具有嚴格環(huán)境控制的實(shí)驗室中使用，限制了其實(shí)際應用。
近日，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）柔性傳感器實(shí)驗室（LMTS）的研究人員提出一種具有屏蔽電磁干擾特性的柔性電容式力傳感器，與現有的電容式傳感器相比，該傳感器能夠有效屏蔽外部物體運動(dòng)和電場(chǎng)的影響，具有高靈敏度、低噪聲等顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)，幾乎適用于各種柔性機器、夾具和可穿戴設備等應用場(chǎng)景。相關(guān)研究成果已發(fā)表于Nature Communications期刊。
由于屏蔽和感應電極之間的寄生電容會(huì )在傳感器變形時(shí)發(fā)生變化，為了解決這一問(wèn)題，研究人員實(shí)施了兩種不同的設計策略，實(shí)現了具備屏蔽特性的柔性電容式傳感器：基于液態(tài)金屬（LM）微結構的設計和基于超軟硅膠泡沫（SF）的設計。這兩種傳感器具有相似的設計原理：外部兼容屏蔽電極密封在一個(gè)非常柔軟的感應區域，其他區域是相對較硬的無(wú)源部分。該結構旨在使傳感器可以感應微弱力信號，同時(shí)最大限度地減少內部和外部寄生電容的影響。當施加力時(shí)，感應區域中電極的相對位置會(huì )發(fā)生變化，從而導致電容發(fā)生變化。研究人員通過(guò)設計優(yōu)化，使該傳感器單位電容變化最大化，同時(shí)確保其形狀的靈活性和可拉伸性，能夠輕松集成在非平面表面上。
（a）LM傳感器設計圖示；（b）SF傳感器設計圖示。
通過(guò)研究對比，證明了LM傳感器在正常負載和剪切負載下比SF傳感器具有更好的耐用性。因此，研究人員基于LM傳感器展示了其應用效果。
研究人員檢測了該傳感器在操作各種日常物品過(guò)程中的相互作用力，包括非常柔軟的水氣球、堅硬的鋼條，以及導電鋁板、不導電的丙烯酸立方體。在各種實(shí)驗場(chǎng)景下，該傳感器的屏蔽特性均能有效減弱各種干擾，可準確測量和輸出抓取力數據，且不受附近高壓驅動(dòng)器（4.5 kVmm?1）或被操作物體電學(xué)特性的影響，即使在極端工作條件下，該傳感器同樣能夠良好運行。
柔性電容式力傳感器可用于檢測操縱各種物體過(guò)程中的相互作用力
柔性電容式力傳感器可精準檢測紙條和導電粘合劑表面之間的牽引力
該研究項目獲得歐盟“地平線(xiàn)2020”（European Union’s Horizon 2020）研究和創(chuàng )新計劃（869963）的資助，以及瑞士國家科學(xué)基金會(huì )（200020_184661）的支持。
