柔性平面电容式传感器因其卓越的触觉检测能力，在人机交互和可穿戴系统中得到了广泛应用。作为一种补充方法，接近感知技术能够扩展整体感知范围，并为应用开辟新的可能性。然而，目前双模协同工作机制以及触觉灵敏度和接近感知性能的提升策略仍需进一步优化。本文，山东科技大学Peng Zhang等研究人员在《Chemical Engineering Journal》期刊发表名为“Flexible planar dual-mode capacitive sensor based on interdigital electrodes with vertical conductive ridges for human-computer interaction”的论文，研究采用激光诱导石墨烯（LIG）技术，通过在传统指状电极中引入垂直导电脊，显著提升传感器的双模协同感知能力。
这些脊将传统电容区域划分为多个平行独立单元，有效增加感知面积，从而提升触觉灵敏度。同时，介电层采用掺杂钛酸钡（BaTiO₃）颗粒的砂纸微结构，进一步提升敏感度并扩展传感器的工作范围。此外，垂直导电棱脊与LIG技术制备的多孔电极的结合，显著增加了有效边缘数量，强化了边缘效应，从而提升了接近感知性能。实验结果表明，该传感器具有高灵敏度（0.5938 kPa^(−1)，≤1 kPa）、宽检测范围（0.5–500 kPa）、快速响应时间（160 ms）、优异的机械稳定性（5000 次循环）以及可靠的接近感应能力（60 mm）。该传感器已成功应用于空间压力分布阵列传感、智能家居灯具连续调光及人体运动监测，并在智能可穿戴设备与人机交互领域具有广阔应用前景。
图. (a) Fabrication and encapsulation process of the sensor. (b) Engraving process of LIG electrode. (c) Physical diagram of the interdigital electrode prepared based on LIG technology. (d) Physical characteristics of the dielectric layer. (e) Physical picture of the sensor. (h) SEM images of the electrode microstructure: (i) Porous microstructure of the electrode surface; (ii) Cross-sectional microstructure of the electrode.
本文提出了一种基于指状电极和垂直导电脊的柔性平面双模电容式传感器，显著提升了其在压力检测和接近感应方面的性能。通过引入垂直导电脊结构，传感器的性能得到了显著提升。一方面，垂直导电脊在有限区域内形成了多个并联连接的小电容单元。由于这些小型电容器的累积效应，压力灵敏度达到0.5938 kPa^(−1)，几乎是基于指状电极的传统传感器的五倍。另一方面，垂直导电脊结构增强了电极边缘的电场分布并强化了边缘效应，使传感器在非接触式检测时的最大电容变化几乎翻倍，并将其检测范围扩展至60毫米。
此外，介电层表面的砂纸微结构通过增强其变形能力，进一步扩展了传感器的的工作范围，使其能在更宽的压力范围内保持高灵敏度。同时，添加BaTiO₃显著提高了介电层的相对介电常数，进一步放大电容变化，从而提升了传感器的整体灵敏度。实验结果表明，该传感器可稳定检测微小压力变化（≈0.5 kPa），并在5000次循环测试后仍保持良好的重复性和可靠性。我们还构建了3×3压力传感阵列并设计了显示界面，以展示其在检测空间压力分布及区分不同几何形状物体方面的能力。该传感器被集成到家用电器开关中，实现对光亮度的连续调节。最后，该传感器被应用于人体运动监测领域，通过测量电容变化反映手指和腕关节的弯曲程度以及足底表面的压力分布。所有这些均充分证明，我们的传感器在智能可穿戴设备和人机交互领域具有极广阔的应用前景。
文献：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.165659
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