基于非接觸距離與接觸壓力的柔性電容傳感器

人機交互已被廣泛應用于機器人控制和增強現實/虛擬現實等多個領域。然而，目前的人機交互主要基于單一交互模式，需要佩戴笨重的設備或與界面保持物理接觸，導致交互效率和智能化程度有限?；谝陨锨闆r，浙江大學機械306實驗室劉瑋杰博士生提出了一種新型柔性雙模式電容傳感器，可實現非接觸距離與接觸壓力的復合傳感，并應用到人機交互接口中實現了無觸摸與觸摸雙模式人機交互。相關成果發表在Advanced Materials Technologies期刊上，題為“A Flexible Dual-Mode Capacitive Sensor for Highly Sensitive Touchless and Tactile Sensing in Human-Machine Interactions”。論文研究工作得到了國家自然科學基金、中央高?；A研究基金等項目的資助。

該傳感器的結構如圖1所示，它由三層組成：頂層和底層是帶有迷宮式銅電極的PET，頂層和底層電極之間夾著一層硅橡膠電介質層，具有多孔-截斷金字塔雙層微結構。傳感器分為12個傳感單元，每個傳感器單元由一對互補的迷宮電極和一個多孔-截頂金字塔分層電介質組成。通過將電極設計成方形迷宮結構加強邊緣電場，從而提高近距離感知性能。多孔-截斷金字塔分層電介質層的設計旨在通過分層變形來改善硅橡膠的變形能力，從而提高壓力傳感性能。?

圖1 柔性雙模電容傳感器的結構示意圖

接近傳感的原理為：上下電極構成一個電容雙極板，當外部物體尚未接觸傳感器時，傳感器通過電極激發的邊緣電場檢測外部物體的接近。當外部物體接近時，傳感器激發的邊緣電場會減弱。對于導電物體，原始邊緣電場的減弱主要歸因于靜電感應產生的感應電荷，絕緣物體則主要通過極化效應削弱邊緣電場。壓力傳感的原理為：當物體開始對傳感器施加壓力時，介電層開始變形，傳感器內部的電場將發生變化。如圖2(d)所示，在低壓范圍內，由于楊氏模量較低，多孔結構會迅速變形。內部孔隙受到擠壓，上下電極之間的距離減小，同時介電層的介電常數也會因空氣受到擠壓而增大。這兩者都會使傳感器的電容增大。由于多孔結構的應力分散，截頂金字塔形結構在這一階段的變形不明顯。因此，電容的變化主要是由多孔結構的變形造成的。在高壓范圍內，內部孔隙被充分壓縮，多孔結構可以看作是一個向下的固體，進一步擠壓截頂金字塔形結構。截頂金字塔形結構的變形導致上下電極之間的距離縮短，從而使電容繼續增加。

圖2 柔性雙模電容傳感器的工作原理與仿真分析

所提出的雙模傳感器具有很高的傳感性能，對人手的非接觸距離檢測范圍可達110mm，對不同接近速度的物體也能很好的區別檢測，且具備良好的信號穩定性。壓力檢測范圍為0至200kPa，具有兩段線性靈敏度，最大靈敏度為0.464% kPa?1。此外，該傳感器還能有效區分近距離信號和觸覺信號，并具有出色的信號穩定性、可重復性和準確識別手勢動作的能力。

圖3 柔性雙模電容傳感器的性能測試結果

為了驗證我們開發的雙模傳感器在人機交互中的潛在應用，我們進行了機器人交互實驗。如圖4(a)和圖4(b)所示，我們搭建了一個人機交互平臺。傳感器通過FPC連接到采集電路。MCU通過控制模擬開關選擇傳感器單元。選定傳感器單元的行電極和列電極隨后連接到AD7153 CDC芯片，該芯片通過在方波激勵期間連續采樣通過傳感器的電荷來收集電容數據。然后通過USB將數據傳輸到控制機械臂的計算機，計算機根據收集到的數據識別交互動作，然后通過 RS232將控制命令傳輸給機械臂和機械手。

圖4 雙模式人機交互系統搭建示意圖

如圖5所示，手指在傳感器上方依次經過傳感器單元1-單元4-單元8-單元11，在時域中得到相應的序列--單元1減小0.38pF，單元4減小0.31pF，單元8減小0.39pF，單元11減小0.45pF。機械臂能實時接收繞Y軸逆時針旋轉的運動指令并完成操作。除了非接觸式交互，傳感器還能很好地實現接觸式交互，手指與不同的傳感器單元接觸，可依次實現機械手的抓取和釋放，以及機械臂在Z軸上的下降。傳感器還能連續實現一系列動作的感知，并能在非接觸式和接觸式交互之間無縫切換。

圖5 非接觸-接觸雙模式人機交互示意圖

該傳感器的卓越性能不僅推動了智能人機交互技術的發展，而且凸顯了其在未來人機界面應用中的巨大潛力。通過無縫、準確地檢測非觸摸和觸覺輸入，該傳感器可增強用戶的控制能力和直觀的交互體驗。將這種傳感器集成到各種交互系統中大有可為，將為人機交互領域帶來新的機遇。

審核編輯：黃飛

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