需要柔性和高灵敏度电容式传感器来检测曲面上的压力分布和/或触觉信息，因此，已经开发了各种基于聚合物的柔性MEMS传感器，利用固体介电材料增加传感器的电容，同时降低柔韧性，能轻松实现高灵敏度，使用空气作为电介质，以保持灵活性，牺牲传感器灵敏度。

  在本文中，我们展示了灵活且高灵敏度的电容式传感器阵列，该阵列将高介电液体封装为电介质，去离子水和甘油的相对介电常数分别约为80和47，当用作电介质时，能增加传感器的电容，同时保持传感器的灵活性，电极图案化在柔性聚合物基板上。

  电极之间的液体储液器设计为具有泄漏路径，尽管封装的液体不可压缩，但仍允许传感器变形，所提出的传感器经过微加工，并成功证明它的灵敏度是使用空气作为电介质的传感器的五倍。

  我们提出了一种基于聚合物的电容式传感器，该传感器使用去离子（DI）水和甘油作为电介质，当对设备施加压力时，电极的电容增加，去离子水是液体，具有约80.4的高相对介电常数，即所提出的传感器具有高灵敏度，可以定义为电容变化与施加压力的比率，同时保持其灵活性。

  甘油还具有高相对电介质，如47，是一种非挥发性液体，有助于器件的长期稳定性，个人会使用PDMS（聚二甲基硅氧烷）作为该设备的结构材料，由于金属电极和电线与PDMS层的附着力较差，因此个人会使用聚酰亚胺薄膜作为中间层。

  我们设计了一个逃生储液罐，当对传感器施加压力时，允许不可压缩的液体（如去离子水和甘油）从电极之间的空腔中移动，进而允许柔性传感器变形以改变电容，我们对所提出的传感器进行了微加工，并通过实验证明了其高灵敏度和灵活性。

  该器件由六层组成，如图所示，凸块层（L1）由PDMS制成，凸块高度为300μm，直径为1mm，以提高传感器的空间分辨率，1毫米的空间分辨率与人类触觉的分辨率相当，顶部和底部电极层（L2 和 L5）包含沉积在聚酰亚胺薄膜上的 18 μm 厚度的铜电极。

  3 x 3对直径为1 mm，间隙为500 μm的圆形电极设计为与L1的凸块对齐，大间隙导致低电容，因此器件的灵敏度低，而小间隙导致腔室塌陷的可能性很高，因为柔性聚合物结构可能会限制可检测的压力范围，由于L9和L2上的5个电极不是机械隔离的，因此区分任意形状的分辨率由凸块几何形状决定，金属线μm。

  由于铜和PDMS之间的附着力较差，特别是存在变形，如我们在下面的第3.1节中所讨论的那样，因此使用厚度为25μm的光敏聚酰亚胺作为中间层，以增强附着力而不会失去柔韧性，当传感器承受大负载并且L3和L15接触时，形成厚度为3μm的绝缘层（L5），以确保电极之间的电气隔离，

  为了验证所提传感器的工作原理，使用商用有限元求解器（ANSYS ED 9.0）对凸块层的变形进行了仿真，将单元类型定义为大变形材料，并使用衬板弹性变形模式做多元化的分析，使用ANSYS设计建模器构建模型膜，仿真中使用的材料属性为杨氏模量为3.5 MPa，泊松比为0.499 MPa。

  在所有方向上都是固定的，将压力施加到安装在中心电极上的凸块上，如图所示，当将2 kPa的压力施加到凸块上时，液体被推入逃生储液罐，这反过来又使上层变形为半椭圆形，如图所示，当在凸块上施加 200 kPa 时，计算出输送的流体体积为 7.71 × 10?6毫米3.这对应于逃生储层上层的位移102μm，电阻压力计算为70 Pa，仅为施加压力的0.035%，可忽略不计。

  所提出的柔性电容式传感器主要由PDMS组成，而电极则在凸块和底层上图案化，当铜直接在PDMS上气相沉积时，由于沉积过程中涉及的热量，观察到沉积层中的裂纹和不均匀性，个人会使用厚度为25μm的光敏聚酰亚胺薄膜和18μm厚的铜层（MC18-25-00FRM，新日铁化学株式会社）在不损失传感器柔韧性的情况下对电极进行图案化，感光聚酰亚胺是一种负型光敏树脂，当照射波长为200nm~400nm的紫外光时会变硬，它在固化过程后保持其柔韧性，铜线μm，铜层和聚酰亚胺层之间的粘合力足够强，使它们变形而不可能会出现任何断裂。

  单独制造六层，然后粘合在一起，该程序可有效微细加工三维结构，电极和布线通过光刻工艺在聚酰亚胺薄膜上制造和图案化。

  对于上电极层和下电极层，用六甲基二硅氮烷（OAP，东京大贺工业株式会社）使表面疏水后，在铜层上旋涂正性光刻胶（AZ7320，Microchem Corp.），光刻胶是在曝光后在显影溶液（AZ400K，Microchem Corp.）中开发的，铜层由氯化铁（FeCl3）（H-1000A，Sunhayato株式会社）。

  为了形成间隔层和凸块层，使用光刻图案负光刻胶（SU-8 2075，Microchem Corp.）作为模具，凸块和垫片的高度分别设计为300μm和500μm，SU-8 2000 系列的粘度非常高，其最大可调厚度小于 300 μm。

  由PDMS制成的厚度为15μm的绝缘层直接旋涂在上电极上，为了形成底层，PDMS在玻璃基板上用氟碳聚合物旋涂，这减弱了PDMS对基板的附着力并促进剥离过程，将非晶氟碳化合物CYTOP型B（旭硝子株式会社）和CYTOP型A依次在玻璃基板上旋涂和固化，CYTOP B型用于增强CYTOP A型与玻璃基板之间的附着力，用激光显微镜（VK-9700，基恩士有限公司）测量膜的厚度。

  将制造的六层粘合在一起，如图4所示，PDMS层在通过等离子蚀刻机（SEDE-P，Meiwafosis Co.，Ltd.）进行氧等离子处理后粘合到聚酰亚胺薄膜上，如图（a，b）所示，为了在不注入气泡的情况下封装液体，使用BiLT（液体键合技术）粘合上电极层和间隔层。

  UV固化树脂（3164 ThreeBond紫外光固化树脂，Threebond公司）用作胶水，首先，将紫外光固化树脂旋涂在玻璃基板上，通过将间隔层冲压在树脂上，将其转移到间隔层的粘合表面上，电极层和间隔层在液体中结合，同时暴露在紫外线下，由于粘合是在液体中进行的，因此没有观察到气泡的注入和由自身重量引起的柔性基板变形，包封过程在室温和大气压下进行。

  制造的器件如图（a）所示，内部装有液体的传感器非常灵活，能承受较大的变形而不可能会发生断裂，如图（b）所示，完成的电容式触觉传感器使用如图6所示的实验设置进行了测试，使用分辨率为7746 aF的市售数字电容转换器（AD4，ADI公司）来测量电容。

  将尖锐的尖端（尖端直径为100μm）连接到分辨率为001μm的z轴载物台控制器（PAT-2，Shigma Kohki Co.，Ltd.），它按下传感器，同时通过分辨率为50 mN的数字测力计,记录尖端的位移和施加的压力，所有仪器都布置在防静电垫上，以减少噪音。

  图中显示了去离子水未封装到传感器中时，尖端的位移是施加压力的函数，以及模拟结果，实验结果与图中所示的仿真结果吻合较好，验证了该器件按设计成功制造，实验与仿真之间的差异被认为是源于高分子材料的非线性特性，由于去离子水的不可压缩性，发现设备包含去离子水时的位移小于未封装去离子水时的位移，逃生水库成功地将差异抑制到10%以下。

  研究显示了将高达8 kPa的压力以300 kPa的步长施加到中心凸块时，以空气，去离子水和甘油作为电介质的器件的中心电池#10的电容增加。实验表明，当压力小于100 kPa时，电容增加对施加压力的衬垫响应，电容变化 C?C0用去离子水的装置的[pF]近似表示为：

  其中σ [kPa] 是施加的压力，在施加的压力大于100 kPa时，电容不是线性增加，而是单调增加，封装的液体成功地增加了增长，特别是，去离子水可以成功地将传感器灵敏度提高5倍，增强未达到包封液体的相对介电常数，这不仅被认为是由于不可压缩液体抑制的变形，而且是由于寄生电容，使用去离子水的设备显示出比使用甘油的更嘈杂的信号。

  据报道，Parylene沉积成功地密封了PDMS结构，而不会失去柔韧性，这种处理可能有助于提高设备性能，这些影响很难量化，因此就需要对传感器进行实验校准。

  接下来，我们尝试使用3×3传感器阵列检测分布式压力，如图所示，通过连接到z轴载物台的半径为5.9mm的球体将压力施加到含有去离子水的设备上，球体的中心与单元格#5的中心对齐。

  在实验中，首先，将球体向下放置，直到到达中心单元，然后将载物台降低200μm， 图中显示了9个电池的电容变化，其中灰度对应于单元#5的归一化电容变化。

  测量的电容变化能使用先前实验获得的结果转换为施加的压力，包含9个电池的微加工电容式传感器以电池尺寸的空间分辨率成功检测了负载和分布压力。

  电池#6和#8的电容变化略大于电池#2和#4，后者是由于逃生水库引起的传感器的非对称几何形状，包括用于不可压缩包封液体的路径的对称设计可能更优选。

  我们提出并开发了一种封装高介电液体作为电介质的电容式传感器，液体提高了灵敏度，同时保持了由柔韧聚合物材料制造成的传感器的柔韧性，逃生储液罐的设计允许封装的液体从感应区域逸出，这使得传感器能够变形到与没有液体时相同的程度，

  实验表明，封装去离子水的传感器表现出比使用空气作为电介质的五倍的灵敏度，同时保持了灵活性，实验校准对于推断电容变化与施加负载之间的关系是必要的，因为未知参数，包括寄生电容和液体渗透到多孔PDMS中，很难量化，三乘三传感器单元成功检测了分布压力。