EPFL研发可有效屏蔽电磁干扰的柔性电容式力传感器

原创 MEMS 2022-08-17 00:00

基于柔性材料制成的力和应变传感器使机器人能够与周围环境实现智能互动,在人机交互、可穿戴电子设备和健康监控系统等领域广泛应用。在各类柔性传感器中,电容式传感器因其功耗低、响应快、制作简易而被广泛采用。然而,电容式传感器非常容易受到运动或附近物体以及低水平电磁(EM)干扰的影响,这使得柔性电容式传感器仅能在具有严格环境控制的实验室中使用,限制了其实际应用。

据麦姆斯咨询报道,近日,瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)柔性传感器实验室(LMTS)的研究人员提出一种具有屏蔽电磁干扰特性的柔性电容式力传感器,与现有的电容式传感器相比,该传感器能够有效屏蔽外部物体运动和电场的影响,具有高灵敏度、低噪声等显著优点,几乎适用于各种柔性机器、夹具和可穿戴设备等应用场景。相关研究成果已发表于Nature Communications期刊。

由于屏蔽和感应电极之间的寄生电容会在传感器变形时发生变化,为了解决这一问题,研究人员实施了两种不同的设计策略,实现了具备屏蔽特性的柔性电容式传感器:基于液态金属(LM)微结构的设计和基于超软硅胶泡沫(SF)的设计。这两种传感器具有相似的设计原理:外部兼容屏蔽电极密封在一个非常柔软的感应区域,其他区域是相对较硬的无源部分。该结构旨在使传感器可以感应微弱力信号,同时最大限度地减少内部和外部寄生电容的影响。当施加力时,感应区域中电极的相对位置会发生变化,从而导致电容发生变化。研究人员通过设计优化,使该传感器单位电容变化最大化,同时确保其形状的灵活性和可拉伸性,能够轻松集成在非平面表面上。

(a)LM传感器设计图示;(b)SF传感器设计图示。

通过研究对比,证明了LM传感器在正常负载和剪切负载下比SF传感器具有更好的耐用性。因此,研究人员基于LM传感器展示了其应用效果。

研究人员检测了该传感器在操作各种日常物品过程中的相互作用力,包括非常柔软的水气球、坚硬的钢条,以及导电铝板、不导电的丙烯酸立方体。在各种实验场景下,该传感器的屏蔽特性均能有效减弱各种干扰,可准确测量和输出抓取力数据,且不受附近高压驱动器(4.5 kVmm⁻¹)或被操作物体电学特性的影响,即使在极端工作条件下,该传感器同样能够良好运行。

柔性电容式力传感器可用于检测操纵各种物体过程中的相互作用力

柔性电容式力传感器可精准检测纸条和导电粘合剂表面之间的牵引力

该研究项目获得欧盟“地平线2020”(European Union’s Horizon 2020)研究和创新计划(869963)的资助,以及瑞士国家科学基金会(200020_184661)的支持。

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

延伸阅读:
《印刷和柔性传感器技术及市场-2021版》
《可穿戴技术及市场-2021版》
《Merit Sensor压力传感器及MEMS芯片分析》


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