触觉电容传感器的设计原理是什么？以及在设计的过程中发生了什么变化？
触觉传递的愉悦感不仅会影响用户对美学和人体工程学的感知，还会影响产品的质量。汽车设计师越来越有兴趣利用车辆内部表面处理所提供的触感，仪表板质地和材料的选择必须提供一定的触感，这需要一个迭代练习，包括设计、制造和焦点小组测试和评估。为了虚拟化新车内饰的设计和评估，正在开发一种多模态人造手指来模仿人类对纹理的触觉感知。
人体指尖真皮中不同深度嵌入了四种机械感受器，分为快适应和慢适应感受器。在静态触摸时，粗糙的纹理会重塑手指的表面，这种力的分布会被靠近皮肤表面的缓慢适应感受器检测到。
当手指在物体表面滑动时，快速适应受体对皮肤和物体之间的相对运动产生的振动敏感，可以检测到细微的纹理。在此前提下，精细和粗糙的纹理传感机制对于完全模拟人工传感器手指上的人类触摸感知同样重要。
模仿人类触觉敏感度的触觉传感器必须检测0.01-10N范围内的法向和切向力分布，空间分辨率低于1毫米。不同的转换机制，如压阻、压电和电容，已被用于触觉传感器。
具有电容矩阵的触觉传感器通过利用电容变化提供高灵敏度和分辨率，电容变化取决于重叠区域或两个电极之间因施加的力而产生的分离距离。电容式传感器通常受到其介电特性、迟滞、寄生效应和复杂测量电路的限制。
分辨率是关键要求之一，但它受电极尺寸的影响。必须在灵敏度和分辨率之间找到权衡。柔性触觉传感器在触摸屏、假肢和机器人手指等应用中引起了越来越多的研究关注，利用可弯曲和可拉伸的特性。
其他设备包括平坦和凸起纹理的聚合物层，与象限单元配置中的多个传感元件相结合，以提高对法向力和剪切力的灵敏度。尽管提供了能够获取力分布的触觉敏感矩阵，但以前的工作都没有达到0.5mm的空间分辨率，这是模拟典型的人类触觉感知所必需的。
在压力传感器的设计过程中，另一个需要考虑的重要因素是使传感器膜变形以使其接触所需的力，其特征在于电容器板的初始接触压力。当施加超过该极限的压力时，上层膜变形并且电容增加直到顶部膜完全塌陷。
用于开发柔性电子产品的典型商业制造工艺之一是基于Kapton®的去除工艺，其中必须单独构建各个电路层，然后在加热的真空压机中用粘合剂粘合在一起。这个过程允许使用微细加工中常见的材料和工艺，用可重复和可扩展的方式开发薄而小的结构。
应用于单个电池的间隙变形与施加的压力成正比，通过电极之间的电容变化来测量。在此传感器配置中，顶部和底部电极按行和列组织。通过测量连接到底部电极的信号路径和接地的顶部电极之间的电容来寻址单个电池。
顶部外部电极接地，为外部干扰电势提供低电阻路径，而传感器下方的附加大电极PCB平面完全隔离底部测量电极。然而，这种配置可能有助于在相邻的行和列之间产生寄生电容以及来自剩余单元电极的浮动电势的干扰。
为了将电容测量隔离到单个重叠的行列单元，所有未被测量的列都必须偏置到激励信号的相同电位，这消除了这些电极之间的干扰电场，该偏置信号提供了对测量信号路径和电极的主动屏蔽，从而能够测量配置在分流行和分列阵列中的各个重叠电极单元。
模拟前端包括电容数字转换器(CDC)和模拟交叉点开关，用于连接传感器的行电极和列电极。TexasInstruments的FDC1004CDC具有±15pF的满量程范围、0.5aF分辨率和高达100pF的可编程偏移电容以及有源屏蔽信号输出。
CDC有4个多路复用传感通道，输出速率高达400S/s。二8×12 模拟交叉点开关（来自AnalogDevices的ADG2128）通过配置传感器的行和列以及信号、接地或有源屏蔽路径之间的连接来连接传感器和CDC。CDC和模拟开关通过共享的I 2 C总线线路配置到ESP32微控制器。
在该器件中，12行和12列通过开关连接，而其余始终连接到有源屏蔽信号，从而将传感器敏感区域减少到12×12 框架。框架测量包括测量每个传感器单元中的相对电容，对应于局部施加的压力，与静止时的标称电容相比。
开始时，所有行和列都连接到有源屏蔽信号。对于每个电池，相应的行和列连接到CDC测量和接地信号，并测量电容。仅在单元测量之间进行所需的连接更改，以最大限度地减少I 2 C通信瓶颈并优化帧捕获速度。使用该设备可实现每秒约1.25帧捕获的采集速率。
传感阵列是使用标准MEMS微加工技术在柔性聚酰亚胺基板上制造的。设计并实现了相应的读出扫描电子设备。然后用PDMS层覆盖聚酰亚胺装置，以调整正常压力灵敏度和动态范围。裸传感器的灵敏度为1.05fF/kPa。
这项工作的自然进展是设计新的电极形状和矩阵布局，以提高传感性能。此外，设计一种能够更高采样率的新型读出电子设备的工作也在进行中。
