CN110411615B - 一种高灵敏度的mems触觉传感器结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高灵敏度的MEMS触觉传感器结构。本发明包括电容感应单元、支撑梁、压阻感应单元和后空腔，所述的电容感应单元由上下两片嵌入金属的可变形电极膜组成，其中位于上部的可变形电极膜的下方还设置有内凸起；所述支撑梁一端连接在电容感应单元的下部的可变形电极膜，另一端连接压阻感应单元，由此连通两种感应单元；所述的压阻感应单元由四对双层压阻梁组成，所述后空腔由硅衬底蚀刻凹坑形成，用于给压阻感应单元形变的空间。本发明通过改变感应单元结构后，在同样的负载下，响应变化更明显，传感器更灵敏，并且依然实现了两种感测单元的集成，扩大了传感器的感测范围。
Description
技术领域
本发明涉及触觉传感器领域，具体是一种可以提高触觉传感器的灵敏度的结构。
背景技术
触觉传感器是实现机器人感知外界环境的重要途径。触觉感知，可以让机器人在没有视觉信息的条件下感知物体表面特征的触觉信息，如物体表面的硬度、粗糙度等，用于更好的帮助机器人识别物体。随着科技的发展，触觉传感器在医疗领域、机器人技术方面以及可穿戴设备上的应用十分广泛。
按照传感原理来分，常见的触觉传感器主要包括电容式、压阻式、电磁式、压电式和光学式。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。一般来说，电容式传感器具有高灵敏度并且检测相对较小的力；而压阻式传感器也具有灵敏度高的优点，并且可以检测相对大一点的力。这两类触觉传感器容易设计制造、具有良好的性能以及容易产业化。
2017年，有人提出了一种将电容感应单元和压阻感应单元集成起来，以扩大传感器感测范围的触觉传感器。在他们提出的这种传感器中，电容感应单元由两片可以变形的金属薄膜构成，用来检测微小的力，当电容感应单元受力饱和时，引起位于电容下方的压阻梁的形变，从而改变压阻感应单元的响应，压阻感应单元用来检测大一点的力。通过这种设计，可以扩大CMOS-MEMS 触觉传感器的感应范围。但是所提出的传感器灵敏度不是很好，这使得传感器的应用场景具有局限性，无法应用于需要精密测量的领域中，并且当电容单元饱和时，电容两电极贴合在一起时，两电极之间的静电力可能会引起感应信号偏移。
发明内容
为了克服上述背景技术所存在的不足,本发明提出了一种高灵敏度的 MEMS触觉传感器结构，它可以改善电容-压阻感应单元垂直集成的触觉传感器灵敏度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明包括电容感应单元、支撑梁、压阻感应单元和后空腔。
所述的电容感应单元由两片嵌入金属的可变形电极膜组成，可变形电极膜具有较低的刚度，用来检测较小的负载，通过在变形膜左右两端设计开口沟槽，可以改变电容结构的刚度，在同样的负载下，有开口沟槽的电容结构的可变形电极形变比没有的大，因此电容变化更灵敏，从而提高了电容感应单元的灵敏度。
同时并且改进了上电极的结构，在上电极的下方设计了一个内凸起，当电容单元达到饱和时，上电极受力压在下电极上，由于内凸起的结构，上下电极的接触面减小，使得下电极受到来自上电极的压力更集中、更大，因而比起同尺寸的无内凸起的电容-电阻感应结构而言，在同一法向力的作用下，有内凸起的结构的电阻感应单元受到电容感应单元传递的力要更大，所以有内凸起结构的触觉传感器灵敏度更高。
所述支撑梁一端连接在电容感应单元的下电极，另一端连接压阻感应单元，由此连通两种感应单元。
所述的压阻感应单元由四对双层压阻梁组成，比起单根的压阻梁，双层压阻梁在相同的负载下形变更大，即电阻变化越大，所以感应更灵敏，当电容负载饱和时，力通过支撑梁传递给压阻感应单元，因此压阻感应单元能检测较大的负载，四对压阻梁采用惠斯通电桥电路设计，以降低温度影响；所述后空腔由硅衬底蚀刻凹坑形成，目的在于给压阻梁形变的空间。
本发明的有益效果是：通过改变感应单元结构后的传感器在同样的负载下，响应变化更明显，传感器更灵敏，并且依然实现了两种感测单元的集成，扩大了传感器的感测范围。改进后的传感器比原传感器应用范围更广，适用于那些需要高灵敏度检测的场合。
附图说明
图1是本发明的结构横截面视图。
图2是本发明检测微小力的工作原理图。
图3是本发明检测较大力的工作原理图。
图1中：1.1、1.2是电容感应单元的上下电极，1.3是电容感应单元的上电极的内凸起；2.1、2.2是开口沟槽；3.1、3.2是压阻悬臂梁组成的压阻感应单元；4.1、4.2是连接电容感应单元和压阻感应单元的支撑梁；5是在硅衬底上蚀刻的凹坑形成的后空腔，便于压阻悬臂梁受到负载时发生形变。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
在图1中，表示了触觉传感器的结构横截面示意图，如图所示，传感器结构分为5个部分：
第一部分是电容感应单元，由两片可变形膜组成，在可变形膜中嵌入金属形成电容的两电极，并且上电极1.1带有内凸起1.3，内凸起的位置处于支撑梁的上方，当电容感应单元饱和时，内凸起的结构可以减小了上下电极之间的接触面积，从而加大了从上电极传递到下电极1.2的压力，因此可以增大压阻梁的形变，从而提高了传感器的灵敏度。
第二部分是电容感应单元开口沟槽2.1、2.2，通过蚀刻而成。开口沟槽可以降低变形薄膜的刚度，使得在同一负载的作用下，具有开口沟槽结构的电容可变形薄膜形变量大，即电容变化大，所以可以提高电容感应的灵敏度。
第三部分是压阻感应单元，由4对压阻梁组成(上下两层，每层4根，呈十字分布)，设计为惠斯通电桥电路，以降低温度的影响。压阻梁的敏感元件由多晶硅形成，每一对压阻梁3.1或3.2采用双层压阻梁设计，一对压阻梁包含上下两根压阻梁，这可以降低压阻梁的刚度，当施加同一负载时，比起单层梁结构，双层梁结构形变量大，从而电阻变化更大，也就提高了压阻单元的灵敏度。
第四部分是支撑梁结构4.1、4.2，由相对坚硬的介电层形成，用来连接电容下电极和悬臂梁。
第五部分是后空腔5，由硅衬底蚀刻一个凹槽形成，目的是为了释放压阻梁，让压阻梁有形变的空间。
图2中的编号与图1相对应，为电容感应单元测微小力时的工作原理图。如图所示，当向传感器施加一个向下的微小力时，会引起电容上电极的可变形膜产生形变，从而导致电容增加。通过外接电荷放大电路即可检测出电容的变化量，从而得出力-电容的关系。
图3为压阻感应单元测较大的力时的工作原理图。编号与图1相对应。如图所示，当施加向下的大负载时，电容感应单元的上可变形电极膜的内凸起会与下可变形电极膜相互接触，引起电容传感的饱和，同时，力会传递给支撑梁，然后通过支撑梁引起压阻梁的形变，从而通过压阻式传感单元检测到较大的负载。
Claims (1)
1.一种高灵敏度的MEMS触觉传感器结构，包括电容感应单元、支撑梁、压阻感应单元和后空腔，其特征在于：
所述的电容感应单元由上下两片嵌入金属的可变形电极膜组成，用于检测较小的负载，在所述电容感应单元左右两端设计开口沟槽,所述开口沟槽位于上下可变形电极膜之间，用于降低电容结构的刚度；其中位于上部的可变形电极膜的下方还设置有内凸起；
所述支撑梁一端垂直连接于电容感应单元的下部的可变形电极膜，另一端连接压阻感应单元，由此连通两种感应单元；
所述的压阻感应单元由四对双层压阻梁组成，压阻梁的一端固定，另一端与支撑梁垂直连接，当电容负载饱和时，力通过支撑梁传递给压阻感应单元，用于检测较大的负载；
所述后空腔由硅衬底蚀刻凹坑形成，位于压阻感应单元下方，用于给压阻感应单元形变的空间。
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