近期，山東科技大學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構優(yōu)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(chuàng)新性的結構設計。如圖1所示，所提出的雙模態(tài)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(tài)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(yōu)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(jù)傳感器的結構設計，通過仿真對其性能進行系統(tǒng)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(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(jù)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(qū)間，并使介電層在不同壓力區(qū)間的線性響應特性相互補充，為傳感器呈現(xiàn)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(tài)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(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(xiàn)出快速且穩(wěn)定的響應特性。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保持高度線性。同時，動態(tài)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(tài)下，傳感器仍能保持穩(wěn)定工作，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。

圖5. 接觸模式下的傳感器性能測試曲線。

最后，研究團隊驗證了該傳感器在實際場景中的應用潛力。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。如圖6 c-d所示，將傳感器集成于機械臂的肢體與末端，構建了人機協(xié)作安全系統(tǒng)。當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。如圖7所示，構建了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，展示了其在手勢識別與運動追蹤領域的應用前景。

圖6. 傳感器在莫爾斯電碼加密傳輸與人機交互障礙物感知中的應用。

圖7. 傳感器在人手軌跡追蹤中的應用。

總結：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構介電層進行協(xié)同設計，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)了遠距離非接觸感知與高線性壓力靈敏度的有機統(tǒng)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(xiàn)。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計思路。