基于柔性材料制成的力和應變傳感器使機器人能夠與周圍環(huán)境實現(xiàn)智能互動，在人機交互、可穿戴電子設備和健康監(jiān)控系統(tǒng)等領域廣泛應用。在各類柔性傳感器中，電容式傳感器因其功耗低、響應快、制作簡易而被廣泛采用。然而，電容式傳感器非常容易受到運動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)境控制的實驗室中使用，限制了其實際應用。

近日，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院（EPFL）柔性傳感器實驗室（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(xiàn)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和電場的影響，具有高靈敏度、低噪聲等顯著優(yōu)點，幾乎適用于各種柔性機器、夾具和可穿戴設備等應用場景。相關研究成果已發(fā)表于Nature Communications期刊。

由于屏蔽和感應電極之間的寄生電容會在傳感器變形時發(fā)生變化，為了解決這一問題，研究人員實施了兩種不同的設計策略，實現(xiàn)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(jié)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非常柔軟的感應區(qū)域，其他區(qū)域是相對較硬的無源部分。該結(jié)構旨在使傳感器可以感應微弱力信號，同時最大限度地減少內(nèi)部和外部寄生電容的影響。當施加力時，感應區(qū)域中電極的相對位置會發(fā)生變化，從而導致電容發(fā)生變化。研究人員通過設計優(yōu)化，使該傳感器單位電容變化最大化，同時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。在各種實驗場景下，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(shù)據(jù)，且不受附近高壓驅(qū)動器（4.5 kVmm?1）或被操作物體電學特性的影響，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2020”（European unio’s Horizon 2020）研究和創(chuàng)新計劃（869963）的資助，以及瑞士國家科學基金會（200020_184661）的支持。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-32391-0