Small Structures:同时具有高性能接触-非接触感应功能的边缘效应电容式传感器

人类可以同时利用多个感官来实现与环境的交互,这使得机器人模仿人类这方面的能力额外的困难。如果单纯使用压力(触觉)传感器,机器人无法在接触物体前做出适当的反应(如降低速度)。而配备摄像头或超声波传感器的机器人可以实现非接触的感应功能,但面临着焦点单一或功耗过高的限制。因此,大多数机器人需要使用两个或以上单独的传感器来实现多感官的信息输入,这种做法无疑增加了感测部件所占用的空间,并且提升了架构的复杂性。同时,由于每个传感器都需要独立的电子器件,传感器阵列的集成密度被大大限制。

美国斯坦福大学化学工程系的鲍哲楠课题组介绍了一种新的器件设计,通过引入具有微结构电介质的叉指式电极,可以显著增强边缘效应接近感应器的压力感知能力。相关结果发表在Small Structures上。

之前,研究者开始通过利用电容式传感器的边缘效应来构建可以同时通过接触、非接触两种模式来检测压力的设备。当物体靠近时,边缘场传感器会通过边缘场中的干扰来检测进入的物体,从而实现非接触检测。但引入非接触模式的检测功能,需要在压力感应的敏感度上做出牺牲,此前的工作停留在1 Mpa-1的低敏感度,极大地限制了设备的实用性。

在课题组先前的工作基础上,Sara等引入了具有微结构电介质的插指式电极,这种设计不仅可以通过边缘效应实现非接触式的压力感应,而且可以利用互电容效应来区分导电材料和绝缘材料,从而增加了获取信息的复杂性。在接触模式下,这种具有小指间距的叉指电极具有和同尺寸的平行板传感器相当的压力检测性能,响应时间低至20 ms,检出限则低至0.5 Pa。最后,作者将该传感器安装在了机器人抓手上,展示了其优越的多功能感应能力、小型化潜力和可实用性。

译者:潘奕辰,天津大学化工学院硕士研究生。