用于机器人人机交互的集成式接近-压力双模态柔性传感器：基于共面叉指电极与纳米复合泡沫的协同设计

本综述提出了一种基于共面互补叉指电极与纳米复合泡沫介电层的柔性双模态传感器，实现了对导电/非导电物体的长距离接近感知（>25 mm）与宽范围压力检测（0–150 kPa），其高灵敏度（0.08 mm?1接近灵敏度、1.65 kPa?1压力灵敏度）、快速响应（<40 ms）和优异稳定性（>3000次循环）为人机交互（HMI）安全提供了创新解决方案。

　　

Sensing Configuration and Manufacturing Scheme

电容式接近传感器通常基于典型的夹层型或共面结构实现。夹层型结构基于自电容变化实现接近感知，已有大量研究将其用于导电物体的检测。其等效电路高度一致：当导电目标接近时，目标物与顶部感应电极之间会引入一个额外电容，从而改变系统电容响应。

Proximity Sensing of Targeted Object

得益于共面电极图案的设计，本柔性传感器能够同时检测导电目标与非导电物体。如图1(b)所示，当导电目标接近时，传感器激发的边缘电场部分被导电物体接收，导致原本终止于感应电极的流出边缘电场减弱。采用镜像法可解释共面结构电容传感器的工作原理：导电目标的接近等效于引入一个虚拟镜像电荷，从而改变电极间的电场分布与电容值。

Preparation of the Test Rig

如图4(a)所示，将制备的双模态柔性传感器用双面胶均匀粘贴在平整陶瓷板上，下方安装三轴力传感器（ME K3D120-200N，最小分辨率1 mN），用于实时精确测量施加在柔性传感器上的外部压力。采用手动x-y-z定位平台（AK25A-6520，北京卓立）调节感应目标与柔性传感器之间的间隙距离，以实现可控的接近与压力实验。

Conclusion

本研究提出了一种具有长检测距离、高灵敏度、快速响应和稳定重复性的柔性双模态传感器，用于连续接近与压力感知。基于共面电极结构实现了对导电与非导电物体的接近与压力传感模态表征，其相反的电容响应特性有效支持了两种模态的信号解耦。电极设计采用互补叉指结构，显著提升了接近灵敏度；而以纳米复合泡沫作为介电层，则通过协同导电填料与内部微结构增强了压力传感的性能。该传感器在空间分辨率（约1 mm）、灵敏度（接近传感0.08 mm^?1，压力传感1.65 kPa^?1）、检测范围（接近>25 mm，压力150 kPa）、响应时间（<40 ms）和循环稳定性（>3000次）方面均表现出色。