一种高灵敏度的三维力和力矩解耦触觉传感器结构的制作方法

1.本发明涉及三维力和力矩解耦触觉传感器领域，具体是一种结构解耦的、高灵敏度的、多自由度检测的三维力和力矩触觉传感器。


背景技术：

2.触觉传感器是用于检测接触、压觉、滑觉和冷热觉等物理特征量的一类传感器，广泛应用于电子产品、机器人工业和康复医疗等领域。触觉传感器在智能机器人领域主要用于机器人皮肤和机械手，通过检测接触物体的压力、滑移、温度等信息，提取接触物体的刚度、形状和大小信息，实现对操作目标的检测和识别功能，目前已经有许多的成果诞生并投入到实际应用中。
3.触觉传感器依据检测原理可以分为电容式、压阻式、压电式、光电式、磁敏式、超声式等，其中，电容式和压阻式是当前被研究最多的两大类触觉传感器。压阻式触觉传感器具有高灵敏度和高分辨率，缺点是受温度影响大，与之相比，电容式传感器具有更好的温度稳定性、动态响应好而且功耗低，因此应用更为广泛。
4.电容式触觉传感器是通过外力作用使电容值发生改变来实现检测的。电容式触觉传感器从检测原理来看分为三种：一种是通过改变平行板电极之间的正对面积s使电容值发生改变，第二种是通过改变平行板电极之间的距离d，第三种是通过改变电极之间介质的相对介电常数，其中变面积式电容传感器和变间距电容传感器应用比较广泛。变间距式电容传感器灵敏度高，适用于微米级别的较小位移的测量，但存在线性误差，除此之外杂散电容对灵敏度和精确度也有一定影响。变面积式电容传感器线性度高，但与变间距式传感器相比，在相同的位移下电容变化量更小，灵敏度较低，适用于较大的直线位移或者角位移的测量。
5.除了平行板电容以外，还有一种倾斜极板电容可用于实现力或位移的检测。当传感器受到外力作用时，平行极板的一侧发生倾斜，另一侧固定不动，导致两个极板由平行状态变为倾斜状态。倾斜极板电容的计算问题是个难点，在国内外研究过程中，研究人员通常是用比较复杂的积分算法来计算电容，除此之外还可以通过倾斜角计算电容变化值。
6.多维触觉传感器维间耦合问题是指传感器在某一维上施加外力，由于受到传感器结构布局和加工工艺的影响，其它维度也有输出。现有的mems触觉传感器大都只实现了三维力检测，且存在比较明显的维间串扰现象，使触觉传感器的测量精度受到影响。因此，消除多维触觉传感器的维间耦合对提高传感器性能具有很大意义。
7.消除耦合的方法分为两种，一种是通过解耦算法进行消除，比如最小二乘法、bp神经网络算法等：另一种是从根源消除解耦，即通过优化传感器结构和提高加工工艺的方法实现。相比解耦算法，结构解耦实现起来是比较复杂的。
8.在mems传感器中，一种常用的力检测方式是通过检测梳齿电容或栅型电容的变化量，采用这种检测方式最典型的传感器是电容加速度计。一般梳齿电容检测方式是通过变间距原理来实现的，而栅型电容则是通过变面积原理实现检测的，栅型电容通常设计为差
分结构：一个上层硅电极与玻璃衬底上的两个固定梳齿电极组成差分电容对，在受到外力作用时，质量块发生位移导致差分电容值发生变化。


技术实现要素：

9.针对现有技术的不足，本发明提出了一种高灵敏度的三维力和力矩解耦触觉传感器，它采用栅型电极结构，可以精确检测x、y方向的切向力和z方向的法向力，同时可以检测x、y轴的力矩，实现了多个自由度受力信息的检测。
10.本发明包括中心质量块和围绕在中心质量块周围的电容检测单元；
11.所述的中心质量块作为受力单元，将施加在触觉传感器上的力和力矩传递给相应的电容检测单元进行检测，所述中心质量块与玻璃衬底上的固定金属电极形成一个平行板电容用于检测z轴法向力；
12.其中用于检测x方向和y方向切向力的力检测单元位于传感器质量块中间位置，在中心轴线上，每个方向上存在一对检测电容；力检测单元由上层硅电极和下层固定金属电极组成，上层硅电极为栅型结构，下层固定金属电极为梳齿结构，上下电极之间形成一对差分电容对；触觉传感器在未受力状态时，差分电容输出值为零；在受到切向力时，上下极板发生相对位移，差分电容值发生改变，从而实现切向力的检测；
13.其中用于检测x轴和y轴方向力矩的力矩检测单元位于中心质量块的四周，在力检测单元的两侧位置，力矩检测单元是通过倾斜极板的变间距原理实现检测的，在触觉传感器受到力矩作用时，中心质量块带动力矩检测单元的上层硅电极发生旋转，产生位移。
14.进一步说，所述触觉传感器通过一根u型支撑梁连接方式将力检测单元的上层硅电极与中心质量块连接起来，用于减小外力作用时上层硅电极的位移，从而提高力检测范围；所述触觉传感器通过另一根u型支撑梁连接方式将力检测单元的上层硅电极与固定锚点相连，固定锚点固定在玻璃衬底上。
15.进一步说，所述力检测单元的上层硅电极两侧还存在限位挡板，当触觉传感器受到x方向力时，x方向力检测单元的上层硅电极沿x轴平移，此时y方向力检测单元的上层硅电极发生扭转，限位挡板的存在用于限制y方向力检测单元上层硅电极的扭转，使得y方向力检测单元无输出。
16.进一步说，所述力检测单元与质量块之间的u型支撑梁下方设置一个限位块，限位块是u型支撑梁的一部分，限位块与玻璃衬底之间存在一定间隙；沿z轴施加法向力时，中心质量块下移带动u型支撑梁与力检测单元的上层硅电极下移，由于限位块接触到玻璃衬底后会受到玻璃衬底的支撑作用，会限制力检测单元上层硅电极的法向位移，消除法向力对切向的力检测单元的耦合作用。
17.进一步说，所述中心质量块作为z轴法向力检测单元的上层硅电极，玻璃衬底上的固定金属电极为正方形平面电极，该固定金属电极的尺寸要小于中心质量块的尺寸；当对触觉传感器施加法向力时，中心质量块与玻璃衬底上的固定金属电极之间的距离发生变化导致电容值改变，从而实现法向力检测。
18.进一步说，用于检测x轴的力矩检测单元在x方向上有四个，用于检测y轴的力矩检测单元在y方向上有四个，每个力矩检测单元均由上层硅电极和下层固定金属电极组成。
19.进一步说，力矩检测单元中的上层硅电极为栅型结构，下层固定金属电极也是栅
型结构；上层硅电极栅条的长度和宽度均大于下层固定金属电极栅条的长度和宽度，且两电极的栅型条数相同；所述的触觉传感器通过一字梁连接方式将力矩检测单元的上层硅电极与中心质量块连接起来。
20.进一步说，力矩检测单元中的上层硅电极为栅型结构，下层固定金属电极为矩形平面电极；下层固定金属电极的长度大于上层硅电极的总长度，宽度小于固定金属电极的总宽度；所述的触觉传感器通过一字梁连接方式将力矩检测单元的上层硅电极与中心质量块之间连接起来。
21.进一步说，中心质量块的厚度大于上层硅电极的厚度；力检测单元与力矩检测单元上表面与中心质量块上表面位于同一平面上，便于电极引出。
22.本发明的有益效果：选择栅型电容作为触觉传感器的力检测单元，通过差分检测方式实现力的检测，具有更高的灵敏度和更好的线性度；选择栅型电容作为触觉传感器的力矩检测单元，通过倾斜极板电容原理实现力矩检测；通过设计不同的电极结构和尺寸，实现了多维力与力矩的解耦，具有更小的维间串扰。
附图说明
23.图1是三维力和力矩解耦触觉传感器结构示意图。
24.图2a是力检测单元上层硅电极结构示意图。
25.图2b是力检测单元原理示意图。
26.图3a是力矩检测单元上层硅电极结构示意图。
27.图3b是力矩检测单元原理示意图。
28.图4为三维力和力矩解耦触觉传感器的u型支撑梁示意图。
29.图5为三维力和力矩解耦触觉传感器的加工流程示意图。
具体实施方式
30.本发明包括玻璃衬底、固定金属电极、u型支撑梁、中心质量块、上层硅电极、固定锚点以及限位挡板。所述的电容检测单元由上层硅电极以及固定在玻璃衬底上的金属电极组成，通过mems加工工艺制作并且由硅——玻璃键合工艺进行组装。
31.本发明所提出的电容检测单元整体分布呈现为四周环绕分布，中心质量块作为受力单元，将施加在触觉传感器上的力和力矩传递给相应的电容检测单元进行检测。除此之外质量块与玻璃衬底上的固定金属电极形成一个平行板电容用于检测z轴法向力(以下分析是基于笛卡尔坐标系)。
32.用于检测x方向和y方向切向力的电容检测单元位于传感器质量块中间位置，在中心轴线上，每个方向上存在一对检测电容。切向力检测单元是基于变面积原理实现检测的，电容检测单元由上层硅电极和固定金属电极组成，上层硅电极为栅型结构，固定金属电极为梳齿结构，上下电极之间形成一对差分电容对。
33.x方向和y方向上的电容检测单元各有两个，当触觉传感器受到x方向或y方向力作用时，力检测单元上层硅电极发生平移，差分电容值发生变化。所述触觉传感器通过u型支撑梁连接方式将力检测单元的上层硅电极与中心质量块连接起来，用于减小外力作用时上层硅电极的位移，从而提高力检测范围。所述触觉传感器通过u型支撑梁连接方式将力检测
单元的上层硅电极与固定锚点相连，锚点固定在玻璃衬底上。所述触觉传感器力检测单元的上层硅电极两侧存在限位挡板，当触觉传感器受到x方向力时，x方向力检测单元的上层硅电极沿x轴平移，此时y方向力检测单元的上层硅电极发生扭转，限位挡板的存在就是限制y方向力检测单元上层硅电极的扭转，使得y方向力检测单元无输出，从而解决触觉传感器切向力检测时的维间耦合问题。x轴、y轴力检测单元与质量块之间的u型支撑梁下方设置一个限位块，限位块是u型支撑梁的一部分，限位块与玻璃衬底之间存在10微米的间隙。沿z轴施加法向力时，中心质量块下移带动u型支撑梁与力检测单元上层硅电极下移，由于限位块接触到玻璃衬底后会受到玻璃衬底的支撑作用，会限制力检测单元上层硅电极的法向位移，消除法向力对切向力检测单元的耦合作用。
34.用于检测x轴和y轴力矩的电容检测单元位于中心质量块的四周，在力检测单元的两侧位置。其中位于中心质量块左右两侧的两组电容对是用于检测x轴力矩的，位于上下两侧的两组电容对是用于检测y轴力矩的。力矩检测单元是通过倾斜极板的变间距原理实现检测的，在触觉传感器受到力矩作用时，中心质量块带动力矩检测单元上层硅电极发生旋转，产生位移。由于触觉传感器为对称结构，其中一组电容对的极板间距变大，电容值减小，另一组电容传感器的极板间距减小，电容值增大。
35.触觉传感器可以检测x轴和y轴的力矩，每个方向上的电容检测单元各有4个。此处的电容检测单元设计方案有两种，两种方案都是由上层硅电极和固定金属电极组成。
36.第一种方案是：力矩检测单元电极的上层硅电极为栅型结构，固定金属电极也是栅型结构。所述触觉传感器上层硅电极栅条的长度和宽度均大于固定金属电极栅条的长度和宽度，且两电极的栅型条数相同。目的在于当传感器受到x轴、y轴力矩的时候，质量块带动力矩检测单元的上层硅电极旋转，使栅型电容之间的正对面积无变化，仅通过改变极板间距，改变电容值。所述的触觉传感器通过一字梁连接方式将力矩检测单元的上层硅电极与中心质量块连接起来，使得力矩检测上电极与中心质量块发生相同角度的旋转。触觉传感器仅受到单个力矩作用时，以施加x轴正向力矩为例解释对力信号检测单元的解耦：(1)力检测单元位于中心质量块中轴线上，中心质量块绕x轴发生旋转，所以相比于中心质量块的上下两侧，其在旋转轴(x轴)位置的旋转位移是极小的，要消除力矩对力检测单元的耦合输出，力检测单元设在此处是最合理的；(2)由于力检测单元x1、x2上层硅电极与中心质量块之间存在u型梁结构，释放了力检测单元的受到的应力，所以力检测单元几乎不发生变化；(3)即使力检测单元绕x轴发生了一定程度的旋转，力检测单元x1、x2上层硅电极上升的距离等于下降的距离，结果等效于传感器极板间距没有发生变化，电容值不发生改变；(4)由于力检测单元u型梁连接处存在限位块，y2电容值不变，y1电容值减小，此时y1、y2电容变化量不相等，判定y1、y2输出值无效。
37.第二种方案是：力矩检测单元的上层硅电极为栅型结构，固定金属电极为矩形平面电极。所述力矩检测单元固定金属电极的长度大于上层硅电极的总长度，宽度小于固定金属电极的总宽度。当触觉传感器受到x方向、y方向切向力的时候，中心质量块带动上层硅电极一起发生旋转，上层硅电极与固定金属电极之间的间距发生改变，电容值改变。所述的触觉传感器通过一字梁连接方式将力矩检测单元的上层硅电极与中心质量块之间连接起来，使得力矩检测单元的上层硅电极与中心质量块发生相同角度的旋转。当传感器满量程检测x轴、y轴力的时候，力矩检测单元上层硅电极随中心质量块发生平移，由于力矩检测单
元上层硅电极的长度小于固定金属电极的长度，宽度大于固定金属电极的宽度，所以发生位移时极板之间的正对面积不会改变，从而消除力矩检测单元的输出，以避免力检测与力矩检测之间的耦合。
38.进一步说，中心质量块与力检测单元上层硅电极以及上层硅电极与固定锚点之间存在u型支撑梁，用于降低触觉传感器结构的刚度，使上层硅电极变为可动结构，在相同的外力作用下减小力检测单元的位移量，从而提高传感器的检测范围。
39.用于检测法向力的电容检测单元，由中心质量块和固定金属电极组成。其中中心质量块作为法向力检测单元的上层硅电极，固定金属电极为正方形平面电极，其中固定金属电极的尺寸要小于中心质量块的尺寸。当对触觉传感器施加法向力时，中心质量块与固定金属电极之间的距离发生变化导致电容值改变，从而实现法向力检测。所述触觉传感器法向力检测单元的固定电极尺寸小于中心质量块的尺寸，目的是消除触觉传感器受到x轴力、y轴力作用时法向力检测单元的输出。触觉传感器受到x轴力或y轴力作用时，中心质量块沿x轴或y轴平移，固定金属电极尺寸小于中心质量块尺寸就使得法向力检测单元上下极板之间的正对面积不会发生改变，消除法向力检测单元的输出，消除切向力对法向力检测的耦合作用。
40.本发明的实施例如下：
41.图1中：fx1、fx2是x方向切向力电容检测单元，fy1、fy2是y方向切向力电容检测单元，mx1、mx2、mx3、mx4是x轴力矩电容检测单元，my1、my2、my3、my4是y轴力矩电容检测单元；1是中心质量块，同时也是z方向法向力电容检测单元；2a、2b、2c、2d是在硅衬底上蚀刻形成的固定锚点；16个u型支撑梁结构和8个一子梁结构。其中一子梁存在于力矩检测单元上层硅电极与中心质量块连接处，u型支撑梁存在于力矩检测单元上层硅电极与固定锚点连接处、力检测单元上层硅电极与中心质量块连接处、力检测单元上层硅电极与固定锚点连接处。u型支撑梁的存在使上层硅电极变为可动结构，提高传感器的检测范围；3a、3b、3c、3d、3e、3f、3g、3h是限位挡板，使力检测单元上层硅电极只在规定的方向上移动。4a、4b、4c、4d是限位块结构，限位块是u型支撑梁的一部分，是u型支撑梁底部的一块凸起，具体结构如图4所示，其与玻璃衬底之间存在20微米间距，控制力检测单元的法向位移。
42.图2a是力检测单元的上层硅电极结构，图2b是力检测单元的电极结构仰视图，上层硅电极2与两个梳状电极3形成的两个电容组成一对差分电容对。差分电容值初始值为零。当触觉传感器受到切向力，两个电容值发生变化，其中一个增加，另一个减小，差分电容值发生改变。
43.图3a是力矩检测单元的上层硅电极结构，图3b是力矩检测单元的电极结构仰视图，其中固定金属电极6总长度等于上层硅电极5长度，总宽度小于上层硅电极，上层硅电极栅形的宽度远大于固定电极栅形的宽度。该设计是为了使力矩检测单元在发生旋转时正对面积保持不变，仅极板间的距离发生变化。
44.以下对电容检测原理以及解耦原理进行描述。
45.x方向的力由fx1、fx2单元检出，y方向的力由fy1、fy2单元检出。以对传感器施加x轴正向力为例，中心质量块整体向右移动，fx1、fx2单元向右移动，两个检测单元下极板之间差分电容对正对面积发生改变，对应的差分电容值发生改变且fx1、fx2差分电容值变化量相等，即δc
fx1
＝δc
fx2
。由于力检测单元与中心质量块之间存在容易变形的u型支撑梁结
构，所以fy1、fy2上层硅电极将存在一定程度的扭转。挡板4的存在，就是控制fy1、fy2检测单元，防止其发生较大程度的位移扭转从而导致栅型电容正对面为不规则形状，消除fy1、fy2检测单元的耦合输出，实现不同维度力检测的解耦。
46.对于x轴力矩检测单元mx1、mx2、mx3、mx4来说，上层硅电极整体右移，由于上层硅电极的宽度大于底部固定金属电极的宽度，所以两极板之间的正对面的宽度没有发生改变；对于my1、my2、my3、my4来说，由于上层硅电极栅条的宽度小于底部固定金属电极栅条的宽度，所以两极板之间的正对面的长度和宽度都没有发生改变，即正对面积没有改变，电容值不变。实现了切向力对力矩检测单元的解耦。
47.当对触觉传感器施加y方向力时，检测原理以及解耦原理与以上类似。
48.z方向的力由中心质量块和固定金属电极组成的电容单元检出。当对传感器施加z轴法向力时，中心质量块向下移动。限位块4a、4b、4c、4d是位于力检测单元u型支撑梁1底部的一块凸起7，是u型支撑梁的一部分，其与玻璃衬底之间存在10微米的极小间隙。中心质量块下移使得限位块受到u型梁向下的拉力和玻璃衬底向上的支撑力，限制了上层硅电极在z方向上的移动，电容值变化量不大，实现了多维触觉传感器在法向力fz作用下力与力矩检测单元的解耦。
49.x轴的力矩由mx1、mx2、mx3、mx4单元检出，y轴的力矩由my1、my2、my3、my4单元检出。以对传感器施加x轴正向力矩为例，中心质量块绕x轴发生旋转，mx1、mx2、mx3、mx4电容单元的上层硅电极也绕x轴发生旋转，mx1、mx2上层硅电极上移，设极板旋转角度为θ，mx3、mx4上层硅电极下移，旋转角度同样为θ。由于上层硅电极栅型宽度大于固定金属电极栅型宽度，上下电极之间的正对面积不变，但极板间距发生了改变。
50.对触觉传感器仅施加x轴正向力矩时，由于触觉传感器为对称结构，所以在没有第二个力或力矩作用时，mx1与mx2的变化量相等，mx3与mx4的变化量相等，即δc
mx1
＝δc
mx2
，δc
mx3
＝δc
mx4
，用两组电容值变化量是否相等来判断所受力矩是否唯一。总电容变化量记为δc，那么δc＝δc
mx1
δc
mx4
＝δc
mx2
c
mx3
。由于力检测单元u型支撑梁连接处存在限位块，fy2电容值不变，fy1电容值减小，此时fy1、fy2电容变化量不相等，判定fy1、fy2输出值无效。对传感器仅施加x轴正向力矩，当δc
mx1
》δc
mx4
、δc
mx2
》δc
mx3
时，判定力矩方向为x轴正向力矩；当δc
mx1
《δc
mx4
、δc
mx2
《δc
mx3
时，判定力矩方向为x轴负向力矩。
51.当对传感器施加y轴力矩时，检测原理、解耦原理以及力矩方向判定同理。
52.综上所述，本次发明的三维力和力矩解耦触觉传感器可以检测多维力和力矩信，包括fx/fy切向力、mx/my力矩以及fz法向力，具有较高的灵敏度，并且通过结构设计，实现了力对力矩的解耦以及力矩对力的解耦，提高了触觉传感器的测量精度。
53.图5为所设计的三维力和力矩解耦触觉传感器结构的加工工艺流程图，具体工艺流程如下所述：
54.(a)准备一块双面抛光的尺寸为4英寸的硅片，标准清洗硅片。
55.(b)采用高温氧化工艺，在4英寸的硅片表面生成氧化层。
56.(c)采用干法刻蚀工艺去除背面氧化层。采用光刻、干法刻蚀工艺，将硅片背面锚点区域以外的体硅，第一次减薄10～30μm，暴露限位块的高度，去胶并清洗硅片。
57.(d)采用光刻、干法刻蚀工艺，将硅片背面锚点和限位块区域以外的体硅，第二次减薄至200～350μm，暴露中心质量块的高度，去胶并清洗硅片。
58.(e)采用光刻、干法刻蚀工艺，将硅片背面锚点、限位块和中心质量块区域以外的体硅，第三次减薄至100～150μm，暴露上层硅电极的高度，去胶并清洗硅片。
59.(f)在硅片的正面溅射一层金属电极层。
60.(g)对硅片正面的金属电极进行光刻，对金属电极进行湿法腐蚀工艺，腐蚀出中心质量块电极与力检测电极栅型结构、力矩检测电极栅型结构，然后去胶清洗，制备出上层电极。
61.(h)通过反应离子刻蚀工艺刻蚀掉硅片正面的氧化硅，采用深反应离子刻蚀方法刻蚀体硅的力检测单元栅型结构、力矩检测单元栅型结构、u型支撑梁结构，将其刻蚀透。
62.(i)准备一块4英寸玻璃片，并标准清洗。
63.(j)通过溅射工艺在玻璃衬底上制作一层金属薄膜，厚度为2μm。
64.(k)采用光刻、湿法腐蚀等工艺，制备玻璃衬底的固定金属电极层，去胶并清洗。
65.(l)湿法腐蚀去除硅片背面的氧化硅薄膜，并清洗。将硅片背面和玻璃正面进行键合；清洗键合片，划片封装。