CN104866098B - 一种超声波触觉反馈系统及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电容式超声传感器的超声波触觉反馈系统，包括电容式超声传感器阵列、控制电路、驱动电路、计算机等部分。计算机控制超声发射信号加载到电容式超声传感器阵列单元上，使传感器各个单元在空间中产生多种幅度和相位的超声波辐射场，相互作用之后形成若干个声聚焦点构成所设定的虚拟物体形状，此时仪器将超声波投射到手上时，人便可以感受到它，从而实现触觉反馈功能。本系统采用了电容式超声传感器阵列作为系统的超声波发射器件，与传统的压电式超声传感器相比，易于与驱动电路、控制电路集成，降低了系统损耗、提高了信噪比，并且极大的减小了器件的尺寸，为超声波触觉反馈功能集成到芯片上提供了可能，制作更为容易，成本更低，适合批量生产。

Description

一种超声波触觉反馈系统及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种超声波触觉反馈系统，更具体地涉及一种超声波触觉反馈系统及其制造方法。

背景技术

触觉是人类感官中一项非常重要的体验，可以带给人身临其境的感受。近年来，触觉反馈技术快速发展，在远程通讯、娱乐活动、手术治疗等中都有广泛的应用，许多智能手机和电子设备上都采用了这种功能。传统的触觉反馈技术都需要使用者触摸到真实物体表面，从而产生触觉感受，例如在手机上配制触觉反馈技术的屏幕，可以在用户按到屏幕上的虚拟按键时，用微弱电流的方式给手指以反馈，使用户有按下真实按键的感觉。

近年来，一种基于超声波的触觉反馈技术，不需要用户直接接触物体，但可让用户的双手感觉到好像是在触摸真实物体表面，可以让手势控制和虚拟现实更加真实、更有代入感，让虚拟世界的感觉更丰富。基于超声波的触觉反馈技术，主要依赖于超声传感器发射超声波，人的手掌中有一些特殊的部分对于超声波的识别率很好，当向手掌发送多种超声波时，人能够分清其中的不同。将手放在超声传感器上方时，传感器发射超声波在空气中形成若干个超声波聚焦点，构成所设定的虚拟物体形状，此时仪器将超声波投射到手上时，人便可以感受到它。通过计算机控制超声传感器，使其发射多种幅度和相位的超声波，可以提供不同的触觉反馈和虚拟触觉的形状。

但是，目前的超声波触觉反馈系统，由于采用压电式超声传感器，存在系统损耗较大，制作工艺复杂，成本高，不易于电子电路集成等弊病。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于电容式超声传感器的超声波触觉反馈系统，从而可以降低系统损耗，易于加工集成。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提出了一种超声波触觉反馈系统，包括超声传感器阵列、控制电路、驱动电路，所述控制电路和驱动电路共同控制所述超声传感器阵列所发射的超声波的相位和/或幅值，其特征在于，所述超声传感器阵列为电容式超声传感器阵列。

其中，所述电容式超声传感器阵列是由m×n的电容式超声传感器单元组成的二维阵列，其中m、n是自然数。

其中，所述m×n个电容式超声传感器单元由所述控制电路并行控制。

其中，所述驱动电路通过驱动电压来控制所述超声传感器阵列，所述驱动电压由直流偏置信号和交流信号共同组成。

其中，所述直流偏置信号的幅值为5V～100V，所述交流信号的幅值为5V～50V。

其中，所述电容式超声传感器单元包括振膜、空腔、绝缘层、上下电极结构，通过表面加工技术或键合技术制备而成。

其中，所述电容式超声传感器单元为圆形或方形。

作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种电容式超声传感器单元的制造方法，包括以下步骤：

步骤1：在硅衬底上沉积一层氧化硅；

步骤2：在硅衬底的氧化层上涂抹光刻胶，经曝光、显影、后烘后，通过湿法腐蚀或干法刻蚀，在所述硅衬底上形成所述超声传感器单元的空腔结构；

步骤3：准备SOI片，做好键合准备；

步骤4：对步骤2中得到的带有空腔的硅衬底进行表面活化处理，然后与步骤3中的SOI片低温键合；

步骤5：用TMAH腐蚀液腐蚀掉所述SOI片的底硅，接着用BOE溶液腐蚀掉所述SOI片的埋氧层，最后只留下所述SOI片的顶硅在硅衬底上，作为所述电容式超声传感器单元的振膜；

步骤6：在所述振膜上形成彼此交联的图形化上电极，即得到所述的电容式超声传感器单元。

作为本发明的再一个方面，本发明还提供了一种电容式超声传感器阵列的制造方法，采用如上所述的电容式超声传感器单元的制造方法同时制作m×n的电容式超声传感器阵列，其中m、n是自然数。

作为本发明的还一个方面，本发明还提供了一种超声波触觉反馈系统的制造方法，其特征在于，采用如上所述的电容式超声传感器阵列的制造方法来制造所述超声波触觉反馈系统的超声传感器阵列。

由此可见，与现有技术相比，本发明的基于电容式超声传感器的超声波触觉反馈系统具有以下有益效果：(1)本发明由于采用了电容式超声传感器阵列作为系统的超声波发射器件，易于后续驱动电路、控制电路集成，可以极大的减小器件的尺寸、降低系统损耗、提高信噪比等，改善系统的性能，并且为将超声波触觉反馈系统集成到芯片上提供了可能；(2)本发明相比传统的压电式超声传感器，容易制备出适合各种频率范围应用的超声波传感器阵列，制作更为容易，成本更低。

附图说明

图1是本发明的超声波触觉反馈系统的总体框架示意图；

图2是本发明的电容式超声传感器单元器件层状结构示意图；

图3是本发明的电容式超声传感器圆形阵列的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

与传统的压电式超声传感器相比，电容式超声传感器具有以下优点：第一、采用大规模集成电路的制作方法，可以批量制造，制造成本低；第二、与标准IC工艺兼容，传感器驱动电路、控制电路可集成在同一芯片上，减小芯片引脚、寄生电容及噪声信号；第三、适合制造二维面阵结构，极大地改善了灵敏度和发射声压，工作频率范围宽；第四、具有更低的机械阻抗，更易实现与空气或液体等周围环境的阻抗匹配；第五、与压电式超声传感器相比，电容式超声传感器对温度更加不敏感，具有更加广泛的应用范围。

本发明将电容式超声传感器用于超声波触觉反馈系统，利用了电容式超声传感器的优势，可以极大的降低系统损耗，改善系统的性能，并且为后续超声波触觉反馈技术集成到已有芯片中提供了一种可能。

本发明公开的基于电容式超声传感器的超声波触觉反馈系统包括电容式超声传感器阵列、控制电路、驱动电路、电脑(PC)等部分。每一个传感器单元的幅值和相位均由PC发出指令，由控制电路和驱动电路同步控制，产生相应的电压波形输出，作用到相应的电容式超声传感器单元上。

电容式超声传感器主要由振膜、空腔、绝缘层、上下电极结构组成，既可以发射超声波，又可以接收超声波。当传感器处在发射模式时，通过在上电极施加直流和交流信号在振膜上，引起振膜的振动，从而向外发射超声波；当传感器处在接收模式时，在振膜上只加载直流信号，当超声波作用到振膜上，振膜振动引起传感器电容的变化，进而响应并输出外部信号。电容式超声传感器可以用表面加工技术或键合技术制备而成，表面加工工艺是通过沉积牺牲层材料、振膜材料之后，引入腐蚀液移除牺牲层来形成空腔。键合技术包括阳极键合、硅片直接键合、以粘合剂为中间介质的键合技术等，可以将振膜与空腔分开制备，之后通过键合形成密闭空腔结构。

通过计算机控制电容式超声传感器阵列，使其发射多种幅度和相位的超声波，多个超声波传感器单元的辐射场相互作用，从而在传感器阵列上方形成若干个超声波聚焦点，在这些聚焦点上具有较强的声辐射力，当把手放在传感器阵列上方时，声辐射力压迫皮肤，能够产生触觉的感觉。改变超声波传感器阵列各个单元的驱动电压，可以在不同空间点上形成超声波聚焦点，即超声波聚焦点在空间可控，多个聚焦点组成虚拟的空间立体图形的形状，当用手去触摸时，此时就会产生触摸真实物体的感觉，实现触觉反馈功能。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步的阐释说明。

如图1-3所示，本发明的基于电容式超声传感器的超声波触觉反馈系统，包括电容式超声传感器阵列13、控制电路11、驱动电路12、电脑(PC)10等部分，其中：

电容式超声传感器阵列13由电脑10编程后经由控制电路11对传感器阵列单元13进行行、列的单独控制。驱动电压由直流偏置和交流信号共同组成，直流偏置可以为5V～100V，交流信号幅值可以为5V～50V。根据设定好的虚拟物体三维形状，例如圆形、方形、锥形或者其他形状，选择空间中若干个超声波聚焦点，可以为9个或者更多，电脑经驱动电路12在传感器阵列单元13上加载相应的驱动电压，从而提供不同的触觉反馈和虚拟触觉的形状。

本发明的超声触觉反馈系统具体实施步骤如下：

步骤1：电脑10经由控制电路11对电容式超声传感器阵列13单元行、列进行单独控制；

步骤2：控制电路11连接驱动电路12，驱动电压由直流偏置和交流信号共同组成，直流偏置可以为5V～100V，交流信号幅值可以为5V～50V。

步骤3：驱动电路12连接到电容式超声传感器阵列13上，各个单元的超声波在空间相互作用，在传感器上方形成若干个声聚焦点，可以为9个或者更多，构成虚拟物体形状14；

步骤4：参与者将手放在超声传感器上方，即可感受到虚拟物体的形状，实现触觉反馈功能。

电容式超声传感器阵列13主要功能是发射超声波，传感器阵列13可以是m×n的阵列，例如16×16的传感器阵列。每一个电容式超声传感器单元主要由振膜、空腔、绝缘层、上下电极结构组成。通过上电极施加直流和交流信号在振膜上，引起振膜的振动，从而向外发射超声波信号。电容式超声传感器可以用表面加工技术或键合技术制备而成，表面加工工艺是通过沉积牺牲层材料、振膜材料之后，引入腐蚀液移除牺牲层来形成空腔。键合技术包括阳极键合、硅片直接键合、以粘合剂为中间介质的键合技术等，可以将振膜与空腔分开制备，之后通过键合形成密闭空腔结构。

本发明超声触觉反馈系统用的电容式超声传感器单元的制备具体步骤如下：

步骤1：选择低阻硅衬底23，清洗干净之后，在硅衬底上采用热氧化工艺沉积一层氧化硅22；

步骤2：在硅衬底的氧化层上涂抹一层光刻胶，准备好光刻版，经过曝光、显影、后烘之后，通过湿法腐蚀或干法刻蚀，在硅衬底上形成圆形或其他形状的空腔阵列结构，单元尺寸可以为几十到几百微米；

步骤3：准备SOI片(基于玻璃绝缘体的硅晶片)，清洗干净，做湿法和干法表面活化处理，做好键合准备；

步骤4：对带有空腔的硅衬底做湿法和干法表面活化处理，然后与步骤3中SOI低温直接键合；

步骤5：用TMAH腐蚀液(四甲基氢氧化铵)腐蚀掉SOI的底硅，接着用BOE溶液(BOE缓冲蚀刻液是HF与NH₄F依不同比例混合而成。6∶1BOE蚀刻即表示HF∶NH₄F＝1∶6的成分混合而成。HF为主要的蚀刻液，NH₄F则作为缓冲剂使用)腐蚀掉SOI片的埋氧层，最后只留下SOI的顶硅21在硅衬底上，作为电容式超声传感器的振膜；

步骤6：在振膜上涂抹一层光刻胶，使用掩膜版，经曝光、显影、后烘之后，沉积200nm金属Al，采用剥离工艺在振膜上形成彼此交联的上电极图形20，之后去除残留的光刻胶，形成图形化上电极。最后即得到本发明所述的电容式超声传感器单元。

也可以通过上述方法同时制作M×N的电容式超声传感器阵列。

通过实验验证，本发明的超声触觉反馈系统能够产生较强的触感体验，并且制作更为容易，成本更低，可以广泛应用于游戏、虚拟仿真等系统中。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种超声波触觉反馈系统，包括超声传感器阵列、控制电路、驱动电路，所述控制电路和驱动电路共同控制所述超声传感器阵列所发射的超声波的相位和/或幅值，以提供触觉反馈和虚拟触觉形状，其特征在于，所述超声传感器阵列为电容式超声传感器阵列。

2.根据权利要求1所述的超声波触觉反馈系统，其特征在于，所述电容式超声传感器阵列是由m×n的电容式超声传感器单元组成的二维阵列，其中m、n是自然数。

3.根据权利要求2所述的超声波触觉反馈系统，其特征在于，所述m×n个电容式超声传感器单元由所述控制电路并行控制。

4.根据权利要求2所述的超声波触觉反馈系统，其特征在于，所述电容式超声传感器单元包括振膜、空腔、绝缘层、上下电极结构，通过表面加工技术或键合技术制备而成。

5.根据权利要求2所述的超声波触觉反馈系统，其特征在于，所述电容式超声传感器单元为圆形或方形。

6.根据权利要求1所述的超声波触觉反馈系统，其特征在于，所述驱动电路通过驱动电压来控制所述超声传感器阵列，所述驱动电压由直流偏置信号和交流信号共同组成。

7.根据权利要求6所述的超声波触觉反馈系统，其特征在于，所述直流偏置信号的幅值为5～100V，所述交流信号的幅值为5～50V。

8.一种超声波触觉反馈系统的制造方法，其特征在于，采用如下所述的电容式超声传感器单元的制造方法同时制作m×n的电容式超声传感器阵列来作为所述超声波触觉反馈系统的超声传感器阵列，其中m、n是自然数；

其中，所述电容式超声传感器单元的制造方法，包括以下步骤：

步骤1：在硅衬底上沉积一层氧化硅；

步骤2：在硅衬底的氧化层上涂抹光刻胶，经曝光、显影、后烘后，通过湿法腐蚀或干法刻蚀，在所述硅衬底上形成所述超声传感器单元的空腔结构；

步骤3：准备SOI片，做好键合准备；

步骤4：对步骤2中得到的带有空腔的硅衬底进行表面活化处理，然后与步骤3中的SOI片低温键合；

步骤5：用TMAH腐蚀液腐蚀掉所述SOI片的底硅，接着用BOE溶液腐蚀掉所述SOI片的埋氧层，最后只留下所述SOI片的顶硅在硅衬底上，作为所述电容式超声传感器单元的振膜；

步骤6：在所述振膜上形成彼此交联的图形化上电极，即得到所述的电容式超声传感器单元，所述电容式超声传感器单元能够控制所发射的超声波的相位和/或幅值，以提供触觉反馈和虚拟触觉形状。