一种仿法拉第波的力敏单元结构

本发明涉及柔性传感与智能感知，尤其涉及一种仿法拉第波的增强物理串扰效应的力敏单元结构。

背景技术：

1、随着具身智能、机器人精细操作以及人机交互技术的发展，大面积、高分辨率触觉传感器阵列在复杂接触感知、载荷定位和载荷分布识别中的应用需求不断增加。为了获得更高的空间分辨能力，触觉传感器通常采用由多个力敏单元构成的阵列结构，以实现对外界接触事件的精细感知。

2、然而，随着传感面积扩大和阵列密度提高，力敏单元数量显著增加，传统阵列采集架构在布线复杂度、结构可靠性以及系统集成度等方面面临较大挑战。例如，多通道独立采集方式会导致引线数量迅速增加，而行列复用方式虽然能够减少引线数量，但在阵列规模受限、采集通道有限以及单个力敏单元响应特征不足的情况下，仍难以满足复杂触觉场景下对载荷位置和载荷分布进行高精度识别的需求。

3、在有限力敏单元数量和有限采集通道条件下，仅依靠受载单元自身的局部响应，能够用于载荷定位和分布识别的空间信息较为有限。为了在不显著增加力敏单元数量和引线数量的情况下提高触觉感知能力，现有技术提出了利用物理串扰效应进行触觉信息解析的方法。该类方法通过分析单点受载时受载单元及其周围多个相邻力敏单元的响应特征，对接触位置、载荷大小和载荷分布进行反演。

4、物理串扰效应本质上来源于外部载荷作用后应力在柔性基底、力敏层或其他感知介质中的扩散传播。由应力传播所覆盖的区域可视为力敏单元的物理感受野。物理感受野越大，单次载荷作用能够影响的相邻力敏单元数量越多，阵列输出的响应通道数量和空间分布特征也越丰富。通过比较不同相邻力敏单元的响应强度、响应梯度和响应组合关系，可以获得更加完整的载荷空间信息，从而在有限阵列规模和有限采集通道条件下提高载荷位置定位、载荷分布识别及触觉信息重构的精度与稳定性。因此，扩大物理感受野并非单纯为了增加响应范围，而是为了使更多力敏单元参与同一载荷事件的协同响应，形成可用于空间定位和分布解析的冗余且具有差异性的响应特征。

5、现有的一种高性能柔性压阻式压力传感器及其制备方法（cn202610985760.5），通过在pdms/多壁碳纳米管压阻复合膜表面设置微金字塔结构，使微金字塔在受压时发生变形，从而增加接触面积并改变内部导电通路，以提高传感器的灵敏度和检测范围。该技术主要利用局部微结构变形改善受力区域的电学响应，未针对如何扩大应力向相邻区域的传播范围、增加参与协同响应的力敏单元数量进行结构设计。

6、现有的一种基于双层波纹结构的柔性压阻式压力传感器（linear rangeenhancement in flexible piezoresistive sensors enabled by double-layercorrugated structure. doi：https://doi.org/10.1002/adfm.202513480digitalobjectidentifier (doi)），通过具有不同高度的双层波纹结构改善压力分布、传递载荷并分散集中应力，从而扩大传感器的线性响应范围。该技术表明，波纹结构能够调节柔性传感器中的受力变形和应力分布，但其主要关注压力检测范围和响应线性度，未公开基于法拉第波形态特征构建周期性或准周期性的波纹起伏结构，也未将波纹结构用于扩大阵列力敏单元的物理感受野、增强相邻力敏单元之间的物理串扰响应。

7、但是，在实际应用中，受限于力敏单元本体的厚度、材料力学性能以及受力表面的结构形态，应力在感知介质中的传播距离通常较短，导致物理感受野偏窄。此时，单次载荷作用能够参与响应的相邻力敏单元数量有限，不同单元之间形成的响应强度差异和空间重叠特征不足，难以为载荷位置和载荷分布识别提供充分的空间信息，进而影响后续触觉信息解析的准确性、稳定性和超分辨能力。

8、因此，有必要提出一种能够增强应力传播范围并扩展物理感受野的力敏单元结构，使单次载荷作用能够在更多相邻力敏单元中产生具有空间差异的可检测响应，在不显著增加阵列单元数量、采集通道数量和布线复杂度的情况下，丰富阵列输出的协同响应特征，提高传感器阵列对载荷位置、载荷分布及复杂触觉信息的识别能力。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种仿法拉第波的力敏单元结构，以解决现有力敏结构对应力传播范围调控不足、响应扩展能力有限以及物理串扰效应较弱的问题。

2、本发明至少通过如下技术方案之一实现。

3、一种仿法拉第波的力敏单元结构，包括柔性基底和设置于柔性基底上的力敏单元本体，力敏单元本体的受力表面设置有仿法拉第波波纹起伏结构；所述波纹起伏结构具有周期性或准周期性表面起伏特征，用于在载荷作用下引导应力沿所述力敏单元本体的表面及内部向周围区域传播，以增强力学响应信号在相邻区域内的扩展效应。

4、进一步地，所述波纹起伏结构为基于法拉第波形态特征构建的结构。

5、进一步地，所述法拉第波形态特征包括具有确定波长、幅值与对称性的周期性或准周期性驻波图样中的至少一种。

6、进一步地，所述波纹起伏结构对应于在振动激励条件下由重力与表面张力共同作用形成的波纹图案形态。

7、进一步地，所述柔性基底和/或力敏单元本体采用柔性弹性材料、柔性聚合物材料、柔性复合材料、导电弹性材料制成。

8、进一步地，所述力敏单元本体的材料包括硅胶、导电硅胶、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、热塑性弹性体、橡胶基复合材料或其组合。

9、进一步地，所述波纹起伏结构设置于力敏单元本体的受力传递结构，用于扩展载荷作用下的应力传播。

10、一种传感器，包括所述的仿法拉第波的力敏单元结构。

11、一种力学传感系统，包括所述的传感器，以及信号处理单元；所述信号处理单元用于接收并处理所述传感器在受力状态下产生的响应信号，并基于所述响应信号识别载荷位置和/或载荷分布信息。

12、一种电子设备，包括所述的力学传感系统。

13、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

14、1、通过在力敏单元本体的受力表面设置仿法拉第波波纹起伏结构，可在载荷作用下引导应力沿表面及内部向周围区域传播，从而扩大应力影响范围。

15、2、本发明通过构建具有预设波长和振幅的周期性或准周期性表面起伏结构，有利于增强力学响应信号在相邻区域内的扩展效应，并提高物理串扰响应强度。

16、3、相较于平面型、半球型、金字塔型和圆锥型等常见表面起伏结构，本发明所述仿法拉第波结构能够形成更大的应力传播区域，从而表现出更优的力学响应特性。

17、4、本发明对材料体系具有较强适应性，不局限于单一材料种类，便于根据不同应用场景进行调整。

18、5、本发明可应用于触觉传感、载荷定位、接触分布识别及相关智能感知领域。

1.一种仿法拉第波的力敏单元结构，其特征在于，包括柔性基底和设置于柔性基底上的力敏单元本体，力敏单元本体的受力表面设置有仿法拉第波波纹起伏结构；所述波纹起伏结构具有周期性或准周期性表面起伏特征，用于在载荷作用下引导应力沿所述力敏单元本体的表面及内部向周围区域传播，以增强力学响应信号在相邻区域内的扩展效应。

2.根据权利要求1所述的仿法拉第波的力敏单元结构，其特征在于，所述波纹起伏结构为基于法拉第波形态特征构建的结构。

3.根据权利要求2所述的仿法拉第波的力敏单元结构，其特征在于，所述法拉第波形态特征包括具有确定波长、幅值与对称性的周期性或准周期性驻波图样中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的仿法拉第波的力敏单元结构，其特征在于，所述波纹起伏结构对应于在振动激励条件下由重力与表面张力共同作用形成的波纹图案形态。

5.根据权利要求1所述的仿法拉第波的力敏单元结构，其特征在于，所述柔性基底和/或力敏单元本体采用柔性弹性材料、柔性聚合物材料、柔性复合材料、导电弹性材料制成。

6.根据权利要求5所述的仿法拉第波的力敏单元结构，其特征在于，所述力敏单元本体的材料包括硅胶、导电硅胶、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、热塑性弹性体、橡胶基复合材料或其组合。

7.根据权利要求1所述的仿法拉第波的力敏单元结构，其特征在于，所述波纹起伏结构设置于力敏单元本体的受力传递结构，用于扩展载荷作用下的应力传播。

8.一种传感器，其特征在于，包括如权利要求1至10任一项所述的仿法拉第波的力敏单元结构。

9.一种力学传感系统，其特征在于，包括如权利要求11所述的传感器，以及信号处理单元；所述信号处理单元用于接收并处理所述传感器在受力状态下产生的响应信号，并基于所述响应信号识别载荷位置和/或载荷分布信息。

10.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求9所述的力学传感系统。