1成果简介
柔性电容式压力传感器因其高灵敏度、低功耗和优异的机械性能，在电子皮肤（e-skin）和可穿戴设备中具有广阔的应用前景。然而，现有传感器在灵敏度、响应速度和耐久性方面仍面临诸多挑战。近日，吉林师范大学许德成教授、吉林师范大学林禄朋与安徽大学郭小辉教授等研究人员在《ACS Applied Electronic Materials》期刊上发表题为“Rapid-Response and Low-Detection-Threshold Capacitive 3D Force Tactile Sensor Based on an Inverted Frustum Structure”的研究论文，提出了一种基于倒棱台结构的新型柔性电容式3D力触觉传感器。该传感器采用3D打印和逐层组装技术制造，结合了导电银胶和硅橡胶的优异性能，实现了快速响应和低检测阈值的目标。
研究发现，该传感器在0-4 N的力范围内灵敏度达到0.2 N⁻¹，在4-15 N范围内灵敏度为0.11 N⁻¹，最低检测阈值仅为0.1 N，力分辨率为0.02 N。此外，传感器的响应时间仅为25毫秒，表现出卓越的动态性能。在500次压力循环测试中，保持稳定的输出特性。传感器的迟滞误差仅为4.8%，且在20-75°C的宽温度范围内保持稳定性能。这种创新的传感器设计不仅显著提升了性能，还为柔性电子皮肤和可穿戴设备的开发提供了新的思路。
2图文导读
图1：(a) 3D力柔性触觉传感器的制造和装配。(b) 3D力柔性触觉传感器的光学图像。
图2：(a) 传感器四个底部电极的分布情况；(b) 传感器结构的简化侧视图；(c) 公共电极与底部电极相对面积的示意图。
图3：3D力柔性触觉传感器的有限元分析。(a) 当施加5N法向力时传感器的变形情况。(b) 当施加5N法向力时传感器的电势分布。(c) 当施加5N切向力时传感器的变形情况。(d) 当施加5N切向力时传感器的电势分布。
图4：3D力触觉传感器的电容输出特性：(a) 电容测试示意图；(b) 法向力、切向力测试图；(c) 在法向力作用下的电容变化曲线；(d) 在切向力作用下的电容变化曲线；(e) 频率特性。
图5：3D力柔性触觉传感器的其他性能评估：(a) 不同加载速度（10、20 和 30 mm/min⁻¹）下的传感器响应曲线；(b) 不同力（1、2、3、5 和 8 N）下的传感器响应曲线；(c) 法向力作用下的动态响应/恢复特性；(d) 传感器的力分辨率和最低检测限；(e) 传感器的迟滞特性；(f) 温度对电容响应的影响；(g) 传感器的耐久性测试；(h) 与参考文献中其他传感器的动态响应时间对比。
图6：传感器的鲁棒性测试及其在人机交互、二进制应用等领域的应用：(a) 和 (b) 为鲁棒性测试；(c) 用手握住水杯时传感器产生的电容响应；(d) 将传感器固定在游戏手柄上自由旋转时产生的电容响应；(e) 使用传感器输出IP地址；(f) 传感器在摩尔斯电码中的应用。
图7：传感器在运动检测领域的应用：(a) 指尖按压传感器；(b) 指关节按压传感器；(c) 肘窝处的屈曲；(d) 脚部按压；(e) 指间关节弯曲；(f) 腕部弯曲；(g) 反向腕部按压；(h) 腘窝处的屈曲。
3小结
本研究成功开发了一种基于倒棱台结构的柔性电容式3D力触觉传感器。通过3D打印和逐层组装技术，结合导电银胶和硅橡胶的优异性能，传感器在灵敏度、响应速度和耐久性方面表现出卓越的性能。具体而言，传感器在0-4 N的力范围内灵敏度达到0.2 N⁻¹，在4-15 N范围内灵敏度为0.11 N⁻¹，最低检测阈值为0.1 N，力分辨率为0.02 N。此外，传感器的响应时间仅为25毫秒，迟滞误差仅为4.8%，且在20-75°C的宽温度范围内保持稳定性能。
该传感器不仅在人机交互、二进制编码和健康监测等领域展现出巨大的应用潜力，还为下一代柔性电子皮肤和可穿戴设备的开发提供了新的策略。其快速响应和低检测阈值的特性使其能够实时监测微小的力变化，为智能设备的交互和反馈提供了更高效、更可靠的解决方案。
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