通过共面交错式传感电极图案实现的电容式双模柔性传感器，提升了接近感和压力传感性能

《Sensors and Actuators A: Physical》：Capacitive Bimodal Flexible Sensor for Enhanced Proximity and Pressure Sensing Enabled by Co-Planar Interdigitated Sensing Electrode Patterns

双模柔性传感器通过共平面互补叉指电极结构实现近场检测和高灵敏度压力传感，采用纳米复合泡沫材料提升压力响应范围与耐用性，具备超25mm近场检测、150kPa压力量程、<40ms响应及超3000次循环稳定性，为人机交互提供集成感知方案。

　　随着机器人技术的快速发展，人机交互（HMI）在各种应用中变得越来越重要。为了实现更高效、更安全的交互方式，研究者们不断探索新型的传感器技术。其中，柔性传感器因其能够感知外部环境的变化，并具备良好的适应性和可穿戴性，成为当前研究的热点。本文提出了一种集成的双模传感元件，该元件可以同时感知目标物体的接近情况以及接触后产生的压力变化。通过设计共面互补互指电极结构，这种传感器在检测导电和非导电物体时都表现出高灵敏度。此外，通过引入协同效应，如导电填充物和内部微结构，研究人员进一步提升了压力传感的范围、灵敏度和耐久性。

该双模传感器的设计不仅考虑了电极结构的优化，还对传感材料进行了创新性改进。例如，通过在聚二甲基硅氧烷（PDMS）泡沫中掺杂导电填充物，该传感器在承受外部压力时仍能保持较高的灵敏度，同时在较大的测量范围内表现出良好的性能。这种设计使得传感器能够在接触前和接触后分别感知物体的接近和压力变化，从而实现了对交互过程的连续监测。在实际测试中，该传感器展现了优异的性能，包括高灵敏度（接近检测灵敏度为0.08 mm?1，压力检测灵敏度为1.65 kPa?1）、长检测范围（接近检测范围超过25 mm，压力检测范围达到150 kPa）、快速响应时间（小于40 ms）以及良好的重复性（超过3000次循环）。这些特性使得该传感器在人机交互应用中具有重要的实用价值。

在实际应用中，该传感器可以用于简单的图像缩放控制等场景，展示了其在人机交互中的便捷性。这种双模传感技术不仅可以实现对物体接近和接触状态的实时感知，还能在复杂的环境中保持稳定的性能。相较于传统的单模传感器，这种集成设计能够有效解决盲区问题，即在接触前对物体接近距离的感知不足，从而提高了整体的安全性。此外，该传感器的结构设计使其更容易与柔性设备集成，具有广泛的应用前景。

在研究过程中，研究人员对多种传感器技术进行了比较和分析。例如，红外和超声波传感器虽然在检测速度方面表现优异，但其结构较为复杂，且容易受到环境因素的影响。相比之下，电容式、磁感应式和摩擦电式传感器由于结构相对简单，更适合与柔性设备集成。然而，磁感应式传感器仅适用于磁性材料，而摩擦电式传感器则对湿度和温度条件有较高要求，限制了其在实际应用中的推广。因此，电容式传感器因其结构简单、灵敏度高、测量范围广等优势，成为当前研究的重点。

为了进一步提升电容式传感器的性能，研究人员对电极结构进行了优化。例如，通过设计环形结构、螺旋形结构或互指电极结构，可以增强边缘电场效应，从而提高传感器的灵敏度和测量范围。此外，通过引入导电填充物，如银纳米线、银纳米颗粒、碳纳米管、碳黑或石墨烯，研究人员能够增强传感器的导电性，同时保持其良好的变形能力。这种结构设计不仅提高了传感器的灵敏度，还有效延长了其测量范围，避免了因低杨氏模量导致的非线性饱和问题。

在实际应用中，该传感器的结构设计使其能够适应多种场景。例如，通过将传感器均匀粘贴在陶瓷板上，并使用三轴力加载装置实时测量外部压力，研究人员能够验证该传感器的性能。此外，通过手动XYZ定位台调节目标物体与传感器之间的间隙距离，研究人员可以更精确地控制实验条件。这些实验结果表明，该传感器在实际应用中具有良好的稳定性和重复性，能够满足复杂环境下的需求。

在研究过程中，研究人员还对传感器的制造工艺进行了优化。例如，通过设计共面互补互指电极结构，可以增强边缘电场效应，从而提高传感器的灵敏度。此外，通过在PDMS泡沫中引入导电填充物，研究人员能够有效提升传感器的性能，使其在承受外部压力时仍能保持较高的灵敏度。这种结构设计不仅提高了传感器的灵敏度，还增强了其耐久性，使其能够适应长期使用的需求。

综上所述，本文提出了一种集成的双模传感元件，该元件能够同时感知目标物体的接近情况和接触后产生的压力变化。通过优化电极结构和传感材料，研究人员成功提升了传感器的性能，使其在多个方面表现出色。这种传感器的设计不仅解决了传统传感器的盲区问题，还提高了人机交互的安全性和效率，具有重要的应用价值。未来，随着技术的不断进步，这种双模传感技术有望在更多领域得到应用，如智能医疗、智能制造和智能穿戴设备等。