觸覺電容傳感器的設計原理是什麼？以及在設計的過程中發生了什麼變化？
觸覺傳遞的愉悅感不僅會影響使用者對美學和人體工程學的感覺，還會影響産品的品質。汽車設計師越來越有興趣利用車輛内部表面處理所提供的觸感，儀表闆質地和材料的選擇必須提供一定的觸感，這需要一個疊代練習，包括設計、制造和焦點小組測試和評估。為了虛拟化新車内飾的設計和評估，正在開發一種多模态人造手指來模仿人類對紋理的觸覺感覺。
人體指尖真皮中不同深度嵌入了四種機械感受器，分為快适應和慢适應感受器。在靜态觸摸時，粗糙的紋理會重塑手指的表面，這種力的分布會被靠近皮膚表面的緩慢适應感受器檢測到。
當手指在物體表面滑動時，快速适應受體對皮膚和物體之間的相對運動産生的振動敏感，可以檢測到細微的紋理。在此前提下，精細和粗糙的紋理傳感機制對于完全模拟人工傳感器手指上的人類觸摸感覺同樣重要。
模仿人類觸覺敏感度的觸覺傳感器必須檢測0.01-10N範圍内的法向和切向力分布，空間分辨率低于1毫米。不同的轉換機制，如壓阻、壓電和電容，已被用于觸覺傳感器。
具有電容矩陣的觸覺傳感器通過利用電容變化提供高靈敏度和分辨率，電容變化取決于重疊區域或兩個電極之間因施加的力而産生的分離距離。電容式傳感器通常受到其介電特性、遲滞、寄生效應和複雜測量電路的限制。
分辨率是關鍵要求之一，但它受電極尺寸的影響。必須在靈敏度和分辨率之間找到權衡。柔性觸覺傳感器在觸摸屏、假肢和機器人手指等應用中引起了越來越多的研究關注，利用可彎曲和可拉伸的特性。
其他裝置包括平坦和凸起紋理的聚合物層，與象限單元配置中的多個傳感元件相結合，以提高對法向力和剪切力的靈敏度。盡管提供了能夠擷取力分布的觸覺敏感矩陣，但以前的工作都沒有達到0.5mm的空間分辨率，這是模拟典型的人類觸覺感覺所必需的。
在壓力傳感器的設計過程中，另一個需要考慮的重要因素是使傳感器膜變形以使其接觸所需的力，其特征在于電容器闆的初始接觸壓力。當施加超過該極限的壓力時，上層膜變形并且電容增加直到頂部膜完全塌陷。
用于開發柔性電子産品的典型商業制造技術之一是基于Kapton®的去除工藝，其中必須單獨建構各個電路層，然後在加熱的真空壓機中用粘合劑粘合在一起。這個過程允許使用微細加工中常見的材料和工藝，用可重複和可擴充的方式開發薄而小的結構。
應用于單個電池的間隙變形與施加的壓力成正比，通過電極之間的電容變化來測量。在此傳感器配置中，頂部和底部電極按行和列組織。通過測量連接配接到底部電極的信号路徑和接地的頂部電極之間的電容來尋址單個電池。
頂部外部電極接地，為外部幹擾電勢提供低電阻路徑，而傳感器下方的附加大電極PCB平面完全隔離底部測量電極。然而，這種配置可能有助于在相鄰的行和列之間産生寄生電容以及來自剩餘單元電極的浮動電勢的幹擾。
為了将電容測量隔離到單個重疊的行列單元，所有未被測量的列都必須偏置到激勵信号的相同電位，這消除了這些電極之間的幹擾電場，該偏置信号提供了對測量信号路徑和電極的主動屏蔽，進而能夠測量配置在分流行和分列陣列中的各個重疊電極單元。
模拟前端包括電容數字轉換器(CDC)和模拟交叉點開關，用于連接配接傳感器的行電極和列電極。TexasInstruments的FDC1004CDC具有±15pF的滿量程範圍、0.5aF分辨率和高達100pF的可程式設計偏移電容以及有源屏蔽信号輸出。
CDC有4個多路複用傳感通道，輸出速率高達400S/s。二8×12 模拟交叉點開關（來自AnalogDevices的ADG2128）通過配置傳感器的行和列以及信号、接地或有源屏蔽路徑之間的連接配接來連接配接傳感器和CDC。CDC和模拟開關通過共享的I 2 C總線線路配置到ESP32微控制器。
在該器件中，12行和12列通過開關連接配接，而其餘始終連接配接到有源屏蔽信号，進而将傳感器敏感區域減少到12×12 架構。架構測量包括測量每個傳感器單元中的相對電容，對應于局部施加的壓力，與靜止時的标稱電容相比。
開始時，所有行和列都連接配接到有源屏蔽信号。對于每個電池，相應的行和列連接配接到CDC測量和接地信号，并測量電容。僅在單元測量之間進行所需的連接配接更改，以最大限度地減少I 2 C通信瓶頸并優化幀捕獲速度。使用該裝置可實作每秒約1.25幀捕獲的采集速率。
傳感陣列是使用标準MEMS微加工技術在柔性聚酰亞胺基闆上制造的。設計并實作了相應的讀出掃描電子裝置。然後用PDMS層覆寫聚酰亞胺裝置，以調整正常壓力靈敏度和動态範圍。裸傳感器的靈敏度為1.05fF/kPa。
這項工作的自然進展是設計新的電極形狀和矩陣布局，以提高傳感性能。此外，設計一種能夠更高采樣率的新型讀出電子裝置的工作也在進行中。
