一种双模式压力检测传感器模组及双模式压力监测手环的制作方法

本技术属于柔性可穿戴传感器，更具体地，涉及一种双模式压力检测传感器模组及双模式压力监测手环。

背景技术：

1、随着可穿戴电子设备和智能人机交互技术的快速发展，柔性压力传感器在健康监测、运动分析、人机交互等领域展现出广阔的应用前景。特别是对于手腕佩戴式设备，同时检测法向压力（如脉搏压力、按压力）和剪切位移（如手腕弯曲、肌肉活动引起的皮肤位移）对于全面理解人体运动状态具有重要意义。

2、目前，电容式压力传感器因其高灵敏度、低功耗和良好的机械柔顺性而受到广泛关注。传统的电容式传感器采用平行板电容结构，通过检测电极间距变化来测量法向压力。然而，当需要同时检测法向压力和剪切位移时，现有技术主要采用以下方案：（1）阵列式传感器方案：通过将多个传感单元排列成阵列，利用不同位置传感单元的信号差异来解耦多方向力学信息，但该方案仅实现了电容-电阻两种电学模式的双模，而非法向压力-剪切位移的力学双模检测；另一方案利用水凝胶脱水后的共形能力制作各向异性微结构实现多轴力测量，但该方案制备工艺复杂，且信号耦合问题仍然存在。（2）多电极差动电容方案：采用多个感测电极形成差动电容结构，通过检测不同电极间的电容差来获取力和位移信息，但该方案需要复杂的电极布局和信号处理电路，且无法实现连续的位移检测。（3）图案化介电层方案：通过在介电层中设计特定的图案结构，利用介电材料的可压缩性和变形特性实现多模检测，但该方案对图案精度要求高，制造难度大。（4）梯度介电结构方案：采用多孔纤维层叠形成梯度介电分布，但仅能实现法向压力单模检测；另一方案基于磁场诱导梯度微结构，但仅实现了单模压力检测，不具备剪切位移感测能力。综上所述，现有技术在实现法向压力和剪切位移的同时检测方面存在结构复杂、信号耦合严重的问题，难以兼顾结构简化和双模检测功能。

3、因此，如何提供一种结构简洁、制备方便、能够高精度同时检测法向压力和剪切位移的传感器方案，是当前亟需解决的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本技术的目的在于提供一种双模式压力检测传感器模组及双模式压力监测手环，结构简洁、制备方便，能够高精度同时检测法向压力和剪切位移，适用于可穿戴健康监测、运动分析和人机交互等领域。

2、为实现上述目的，第一方面，本技术提供了一种双模式压力检测传感器模组，包括：

3、基底；

4、固定电极层，设置于所述基底上，包含至少三个沿第一方向排列的第一矩形电极；

5、梯度介电层，覆盖于所述固定电极层之上，所述梯度介电层通过磁场诱导磁性颗粒在柔性聚合物基体中沿所述第一方向定向迁移形成连续浓度梯度，从而在所述第一方向上具有连续变化的介电常数；

6、滑动电极层，设置于所述梯度介电层上方，包含至少三个在所述第一方向上呈非对称分布的第二矩形电极；

7、滑块，刚性耦合于所述滑动电极层上方，用于接收外部力学加载，所述外部力学加载包括法向压力和剪切位移，所述法向压力使滑块带动滑动电极层对梯度介电层施加法向压缩，所述剪切位移使滑块带动滑动电极层在梯度介电层表面产生相对滑动；

8、弹性复位元件，设置于所述滑块的两侧，用于在剪切载荷移除后驱动所述滑块复位；

9、所述固定电极层、梯度介电层与滑动电极层形成电容结构，所述法向压力通过改变所述固定电极层与滑动电极层之间的间距产生共模电容信号，所述剪切位移通过改变所述滑动电极层在梯度介电层上的相对滑动位置产生差模电容信号，所述共模电容信号和差模电容信号分别用于检测法向压力和剪切位移。

10、作为进一步优选的，所述梯度介电层的制备方法包括：将磁性颗粒按预设质量比加入柔性聚合物预聚体中混合分散，加入固化剂后倾倒入模具，在模具一侧施加沿第一方向的外部磁场，使所述磁性颗粒在聚合物固化过程中沿磁场方向定向迁移，形成连续的浓度梯度分布，经固化后得到具有连续介电常数梯度的复合介电层。

11、作为进一步优选的，所述磁性颗粒为mnfe2o4，所述柔性聚合物基体为聚二甲基硅氧烷，所述磁性颗粒的填充量为聚二甲基硅氧烷质量的5%至20%，所述外部磁场的磁场强度为0.1t-0.5t，作用时间为5-30分钟。

12、作为进一步优选的，所述固定电极层包含三个等长排列的第一矩形电极，每个第一矩形电极的长度为6.0mm，宽度为8.0mm，电极间距为0.5mm；所述滑动电极层包含三个沿第一方向排列的第二矩形电极，其中位于两端的第二矩形电极的长度为2.8mm，位于中间的第二矩形电极的长度为3.0mm，电极间距为0.5mm，宽度为6.0 mm；传感器工作过程中有效重叠区域宽度恒定为6.0mm。

13、作为进一步优选的，所述弹性复位元件为线性弹簧，其一端固定于所述基底上的安装柱，另一端固定于所述滑块的侧壁；所述双模式压力检测传感器模组还包括封装结构，所述封装结构包括上盖板和侧盖，所述侧盖同时作为线性导轨，将所述滑块约束在预设的运动轴线上。

14、作为进一步优选的，还包括信号处理单元，所述信号处理单元用于执行以下步骤：

15、从所述固定电极层与滑动电极层采集原始电容信号，对原始电容信号进行指数加权移动平均滤波和基线校准；

16、基于平行板电容解析模型，从预处理后的电容信号中提取反映法向压力的共模分量和反映剪切位移的差模分量，作为物理可解释的中间特征；

17、基于投票回归器融合多个基学习器的预测结果，对提取的物理特征与实验测量值之间的残差进行学习与补偿；

18、对融合后的输出进行截断约束和坐标变换，使输出符合物理规律。

19、作为进一步优选的，所述基于投票回归器融合多个基学习器的预测结果具体包括：采用梯度提升回归树作为主预测器进行偏差控制，采用极端随机树作为辅助预测器进行方差抑制，采用加权k近邻作为平滑校正器进行输出平滑，并将所述梯度提升回归树、极端随机树和加权k近邻通过投票回归器进行融合。

20、第二方面，本技术提供了一种双模式压力监测手环，包括腕带和如上述中任一项所述的双模式压力检测传感器模组，所述双模式压力检测传感器模组集成于所述腕带上。

21、第三方面，本技术提供了一种基于磁诱导梯度介电结构的双模式压力监测信号解耦方法，包括以下步骤：

22、s10，通过如上述中任一项所述的双模式压力检测传感器模组采集多通道电容信号；

23、s20，对所述多通道电容信号进行指数加权移动平均滤波和基线校准预处理；

24、s30，基于平行板电容解析模型，从预处理后的电容信号中提取物理特征，所述物理特征包括反映法向压力的共模分量和反映剪切位移的差模分量；

25、s40，将所述物理特征输入异构集成回归模型，所述异构集成回归模型基于投票回归器融合梯度提升回归树、极端随机树和加权k近邻三个基学习器的预测结果，分别计算法向压力和剪切位移的估计值；

26、s50，对所述法向压力和剪切位移的估计值进行后处理，将负预测值截断为零，并对位移输出进行坐标变换映射至预设区间，输出最终的法向压力和剪切位移值。

27、作为进一步优选的，步骤s40中，对法向压力目标变量采用对数空间映射，并采用huber损失函数进行鲁棒回归训练；步骤s50中，所述坐标变换将位移输出映射至[-2.0, +2.0]mm区间。

28、本技术具有如下效果：通过设置固定电极层、梯度介电层和滑动电极层形成单一电容结构，并利用磁场诱导制备的梯度介电层在第一方向上具有连续变化的介电常数，结合滑动电极层的非对称分布，使该传感器模组在接收外部法向压力和剪切位移时，法向压力通过改变固定电极层与滑动电极层之间的间距产生共模电容信号，剪切位移通过改变滑动电极层在梯度介电层上的相对滑动位置产生差模电容信号，从而可基于单一电容结构同时实现法向压力和剪切位移的双模式检测，避免了复杂的阵列式传感或多电极差动结构，结构简洁、制备方便。