CN113237595B - 一种二维解耦力触觉传感器及mems制备方法 - Google Patents

Abstract

一种二维解耦力触觉传感器，包括玻璃基底和设于玻璃基底上的敏感块；以敏感块的中心为原点、长宽作为XY轴，敏感块的X轴正向方和Y轴正方向均设有位移电极组件，敏感块的X轴负方向和Y轴负方向均设有支撑组件；位移电极组件包括位移基板、弹性梁和支撑侧台，位移基板设有上电极；玻璃基底内与位移电极组件相应的位置均设有底部电极，上电极与相应的底部电极形成平行板电容器；敏感块受力可使位移基板产生位移，从而改变平行板电容器的电容值。本发明的传感器体积小，对于二维力的检测的灵敏度高。通过受力时的因位移基板的位移造成平行板电容器组电容值的改变值的不同，测量和确定所受力的大小和方向。

Description

一种二维解耦力触觉传感器及MEMS制备方法

技术领域

本发明涉及触觉传感器技术领域，具体涉及二维力与其对应输出的变化电容的结构解耦。

背景技术

随着现代机器人的诞生和发展，触觉传感器得以出现和发展。自1980年后，随着硅微加工技术和计算机技术的发展，触觉传感器实现了集成化、微型化和硅材料化。

目前，测量力的触觉传感器大多为压阻传感器，其灵敏度较低，电容式传感器在微弱压力检测方面有很大的市场，比如，在机器人触觉、运动分析、可穿戴设备和医疗设备领域里，电容式传感器都有着广泛的应用。

测量二维力的电容式传感器大多体积较大，虽然在硅上制作电容传感器可以减少体积，但大多无法同时测量切向力和法向力，即使能测量，其切向力测量的灵敏度也较低，另外，由于缺乏相应的解耦算法或解耦结构，大多数电容式力触觉传感器的测量存在系统误差。

因此，迫切需要研制出一种体积小、能解耦的电容式二维力触觉解耦传感器。

发明内容

本发明的目的是为了弥补现有技术的不足，提供一种体积小、灵敏度高、分辨率高，能对输入——力、输出——变化的电容，实现结构解耦的电容式二维解耦力触觉传感器。

为实现上述目的，本发明提供一种二维解耦力触觉传感器，包括玻璃基底和设于玻璃基底上的敏感块；

以敏感块的中心为原点、长宽高作为XY，敏感块的X轴正向方和Y轴正方向均设有位移电极组件，敏感块的X轴负方向和Y轴负方向均设有支撑组件；

位移电极组件包括位移基板、弹性梁和支撑侧台，位移基板设有上电极；

玻璃基底内与位移电极组件相应的位置均设有底部电极，上电极与相应的底部电极形成平行板电容器；

敏感块受力可使位移基板产生位移，从而改变平行板电容器的电容值。

优选的，所述位移基板为格栅状，上电极铺设于位移基板的每个格栅上表面。

优选的，所述底部电极由梳齿状的第一电极薄板和第二电极薄板相互交错构成，上电极与第一电极薄板的正对面积等于上电极与第二电极薄板的正对面积。

优选的，所述弹性梁呈十字状，包括两个竖梁和设于两个竖梁之间的相对的两个U形硅悬臂梁。

在传感器受到平行于竖梁方向的力时，所述U形硅悬臂梁可发生一定的形变量，在保证弹性梁韧性的同时可增大其形变面积；在受到垂直于竖梁方向的力时，弹性梁的形变由竖梁承担，竖梁长度越长，受到相同大小的力是，其弯曲角度越小，韧性越好。在受到二维方向的合力时，竖梁同样能将平行于竖梁方向的力传递至U形硅悬臂梁，使其产生相应的形变。

优选的，所述支撑组件包括支撑弹性梁和支撑柱，所述支撑弹性梁与弹性梁的结构和尺寸相同，支撑柱与支撑侧台的结构和尺寸相同。

优选的，所述位移基板宽度小于敏感块宽度，所述位移基板的每个格栅间距均相等；所述第一电极薄板和第二电极薄板的每个梳齿的间距均相等。

优选的，弹性梁的最大形变量不超过第一电极薄板的每个梳齿的宽度的二分之一。

优选的，所述平行板电容器电容值的计算公式为：

其中，ε₀为真空介电常数，ε_r为相对介电常数，S为上电极与对应底部电极的第一电极薄板或第二电极薄板的正对面积，d为上电极与底部电极形成的平行板电容器的极间距。

优选的，传感器的输入信号为：Input＝[F_X，F_Y]，其中F_X为敏感块受到X方向的力，F_Y为敏感块受到Y方向的力；

输出信号为：

其中

为X方向的上电极与其正对的底部电极的第一电极薄板之间形成的平行板电容器的电容值的变化量，

为X方向的上电极与其正对的底部电极的第二电极薄板之间形成的平行板电容器的电容值的变化量，

为Y方向的上电极与其正对的底部电极的第一电极薄板之间形成的平行板电容器的电容值的变化量,

为Y方向的上电极与其正对的底部电极的第二电极薄板之间形成的平行板电容器的电容值的变化量。

本发明还提供上述二维解耦力触觉传感器的MEMS制备方法，步骤如下，

玻璃基底内的底部电极的制备如下：

步骤1)、选取厚度为500μm的玻璃片，清洗；

步骤2)、在玻璃片的正面溅射铝，铝的厚度为2μm；

步骤3)、玻璃正面涂胶，烘干，对玻璃正面的铝进行光刻；

步骤4)、湿法腐蚀掉部分铝；

步骤5)、去除光刻胶并清洗；

敏感块、位移电极组件和支撑组件的制备如下：

步骤101)、选取双抛光、厚度为400μm的四寸硅片，清洗

步骤102)、在硅片背面涂胶，烘3分钟，对硅片背面进行；

步骤103)、干法刻蚀，将未被保护的硅片部分减薄至240μm；

步骤104)、去胶并清洗硅片；

步骤105)、硅片背面涂厚胶，控制前烘、后烘时间，对硅片背面进行光刻；

步骤106)、干法刻蚀，采用深反应离子刻蚀方法腐蚀硅，并刻透；厚胶的厚度根据掩膜400μm硅片的深反应离子刻蚀来确定；

步骤107)、去胶，在硅片的表面形成2μm的二氧化硅氧化层；

步骤108)、在硅片的正面溅射铝，对硅片正面的铝进行光刻；

步骤109)、湿法腐蚀铝，然后去胶清洗；

步骤110)、干法刻蚀掉硅片背面的二氧化硅，清洗；

步骤111)、将硅片背面和玻璃正面进行静电键合；清洗键合片，分片。

本发明的一种二维解耦力触觉传感器具有以下优点：

1、本发明的传感器体积小，对于二维力的检测的灵敏度高。

2、本发明的传感器底部电极为梳齿状结构，不受力时，位移基板与底部电极的第一电极薄板和第二电极薄板的正对面积相等。通过受力时的因位移基板的位移造成平行板电容器组电容值的改变值的不同，测量和确定所受力的大小和方向。

3、本发明的传感器能够实现输入与输出的解耦。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

图1是二维解耦力触觉传感器的整体结构。

图2是二维解耦力触觉传感器的底部电极和玻璃基底。

图3是二维解耦力触觉传感器的上电极与正对的底部电极的水平投影关系。

具体实施例

以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1：

如图1、2、3所示的一种二维解耦力触觉传感器，包括玻璃基底1和设于玻璃基底1上的敏感块2；

以敏感块2的中心为原点、长宽作为XY，敏感块2的X轴正向方和Y轴正方向均设有位移电极组件，敏感块2的X轴负方向和Y轴负方向均设有支撑组件。

敏感块2、位移电极组件、支撑组件为通过MEMS制备方法在硅上制作的一个整体。

位移电极组件包括位移基板3、弹性梁4和支撑侧台5，位移基板3设有上电极6。

位移基板3、弹性梁4、支撑侧台5的水平上表面溅射铝。

玻璃基底1内与位移电极组件相应的位置均设有底部电极7，上电极6与相应的底部电极7形成平行板电容器。

敏感块2受力可使位移基板3产生位移，从而改变平行电容器组的电容值。

所述支撑组件包括支撑弹性梁8和支撑柱9，所述支撑弹性梁8与弹性梁4的结构和尺寸相同，支撑柱9与支撑侧台5的结构和尺寸相同。支撑侧台5和支撑柱9均与玻璃基底固定连接。

弹性梁4、支撑侧台5、支撑柱9上表面均溅射有铝。

所述位移基板3为格栅状，上电极6铺设于位移基板3的每个格栅上表面。位移基板3为格栅状可以减少阻尼。

所述位移基板3由平行且间隔相同的七个长方体，其中六个长方体R1分别相邻且宽大小相等，另一个长方体R2的宽大于R1的宽，R1和R2长高相等，和两个相互平行且垂直于长方体R1的长方体R3组成。

所述上电极6为格栅状，由七个平行且间隔相同的长方形M1和两个相互平行且垂直于长方形M1的长方形M2组成。

如图3所示，所述底部电极7由梳齿状的第一电极薄板10和第二电极薄板11相互交错构成但未触碰，上电极6与第一电极薄板10的正对面积等于上电极6与第二电极薄板11的正对面积。第一电极薄板10由七个平行且间隔相同的长方形M3和一个垂直于长方形M3的长方形M4组成，长方形M4连接七个长方形M3。第二电极薄板11均由七个平行且间隔相同的长方形M5和一个垂直于长方形M5的长方形M6组成，长方形M6连接七个长方形M5。第一薄板电极和第二薄板电极为梳齿状，可以提高传感器的灵敏度和对力的方向的判别。

传感器不受力时，上电极6的长方形M1的两个长边所在直线的水平投影分别垂直平分第一薄板电极10的长方形M3的宽边和与长方形M3相邻的第二薄板电极11长方形M5的宽边。

所述弹性梁4呈十字状，包括两个竖梁12和设于两个竖梁之间的相对的两个U形硅悬臂梁13。

在传感器受到平行于竖梁12方向的力时，所述U形硅悬臂梁13可发生形变量，在保证弹性梁4韧性的同时可增大其形变面积；在受到垂直于竖梁12方向的力时，弹性梁4的形变由竖梁承担，竖梁12长度越长，受到相同大小的力是，其弯曲角度越小，韧性越好。在受到二维方向的合力时，竖梁12同样能将平行于竖梁12方向的力传递至U形硅悬臂梁13，使其产生相应的形变。

位移基板3宽度小于敏感块2宽度，位移基板3的每个格栅的间距、宽度均相等，且格栅间距等于格栅宽度。第一电极薄板10和第二电极薄板11的每个梳齿的宽度和间距均相等，且梳齿间距等于1.5倍梳齿宽度。

设于X方向上的弹性梁4在X方向上的最大形变量不超过第一电极薄板10的每个梳齿宽度的二分之一。对于设于Y方向上的弹性梁4同理。支撑弹性梁8与弹性梁4具有相同性能。

敏感块2、位移基板3、弹性梁4、支撑侧台5的上表面在同一水平面上。

平行板电容器的电容值的计算公式为：

其中，ε₀为真空介电常数，ε_r为相对介电常数，S为上电极6与对应底部电极7的第一电极薄板10或第二电极薄板11的正对面积，d为上电极6与底部电极7形成的平行板电容器的极间距。

传感器的输入信号为：Input＝[F_X，F_Y]，其中F_X为敏感块2受到X方向的力，F_Y为敏感块受到Y方向的力；

输出信号为：

其中

为X方向的上电极6与其正对的底部电极7的第一电极薄板10之间形成的平行板电容器的电容值的变化量，

为X方向的上电极6与其正对的底部电极7的第二电极薄板11之间形成的平行板电容器的电容值的变化量，

为Y方向的上电极6与其正对的底部电极7的第一电极薄板10之间形成的平行板电容器的电容值的变化量,

为Y方向的上电极6与其正对的底部电极7的第二电极薄板11之间形成的平行板电容器的电容值的变化量。

当受到X方向正向的力时，敏感块2沿X正向方向移动，敏感块2压缩位移基板3所连接的弹性梁4，从而使X方向上的位移基板3沿正向方向发生移动，则X方向上的位移基板3上的上电极6与其正对的底部电极7的第一电极薄板10的正对面积减小，与其正对的底部电极7的第二电极薄板11的正对面积增大，则

的值减小，

的值增大。

当受到X方向负向的力时，敏感块2沿X负向方向移动，敏感块2拉伸位X方向上的移基板3所连接的弹性梁4，从而使X方向上的位移基板3沿X负向方向发生移动，则X方向上的位移基板3上的上电极6与其正对的底部电极7的第一电极薄板10的正对面积增大，与其正对的底部电极7的第二电极薄板11的正对面积减小，则

的值增大、

的值减小。

当受到Y方向正向或负向的力时，

的值均不变。

同理，对于输出

传感器受到Y方向的力和X方向的力时，结果与传感器受到X方向的力和Y方向的力时，输出

的结果相同。

本实施例的传感器体积小，位移基板3内的长发对于二维力的检测的灵敏度高。

本实施例的传感器底部电极7为梳齿状结构，不受力时，位移基板3与底部电极7的第一电极薄板10和第二电极薄板11的正对面积相等。通过受力时的因位移基板3的位移造成平行板电容器组电容值的改变值的不同，测量和确定所受力的大小和方向，能够实现输入与输出的解耦。

实施例2：

一种如上述二维解耦力触觉传感器MEMS制备方法，步骤如下，

玻璃基底1内的底部电极7的制备如下：

步骤1)、选取厚度为500μm的玻璃片，清洗；

步骤2)、在玻璃片的正面溅射铝，铝的厚度为2μm；

步骤3)、玻璃正面涂胶，烘干，对玻璃正面的铝进行光刻；

步骤4)、湿法腐蚀掉部分铝；

步骤5)、去除光刻胶并清洗；

敏感块2、位移电极组件和支撑组件的制备如下：

步骤101)、选取双抛光、厚度为400μm的四寸硅片，清洗

步骤102)、在硅片背面涂胶，烘3分钟，对硅片背面进行；

步骤103)、干法刻蚀，将未被保护的硅片部分减薄至240μm；

步骤104)、去胶并清洗硅片；

步骤105)、硅片背面涂厚胶，控制前烘、后烘时间，对硅片背面进行光刻；

步骤106)、干法刻蚀，采用深反应离子刻蚀方法腐蚀硅，并刻透；厚胶的厚度根据掩膜400μm硅片的深反应离子刻蚀来确定；

步骤107)、去胶，在硅片的表面形成2μm的二氧化硅氧化层；

步骤108)、在硅片的正面溅射铝，对硅片正面的铝进行光刻；

步骤109)、湿法腐蚀铝，然后去胶清洗；

步骤110)、干法刻蚀掉硅片背面的二氧化硅，清洗；

步骤111)、将硅片背面和玻璃正面进行静电键合，保证硅片背面没有二氧化硅，两键合面干净；清洗键合片，分片。

实施例3：

由实施例2方法制备的其余与实施例1相同的一种二维解耦力触觉传感器。

具体尺寸取d＝80μm。

敏感块2的长宽均为24d，高为3d。

位移基板3内长方体R1的长为15d，宽为d，长方体R2的长为15d，宽为3d，长方体R3的长为15d，宽为0.5d。位移基板3的高为3d，格栅间距为d。

弹性梁4内竖梁12的长为8d，宽为2d，两个相对的U形硅悬臂梁13组成的整体长为8d，宽为2d。弹性梁的高为3d。

支撑侧台5的长为8d，宽为3d，高为5d。

上电极6内的长方形M1的长为15d，宽为d，长方形M2长为13d，宽为0.5d。上电极6的格栅间距为d。

底部电极7内的第一电极薄板10的长方形M3和第二电极薄板11的长方形M5的长为20.6d，宽为0.8d，第一电极薄板10的长方形M4长为27.8d，宽为0.5d，第二电极薄板11的长方形M6的长为26.8d，宽为0.5d。第一电极薄板相邻的长方形M3的间距为1.2d，第二电机薄板相邻的长方形M5的间距为1.2d。第一电极薄板和第二电极薄板相互交错后，长方形M3和相邻的长方形M5的间距为0.2d，长方形M3和长方形M6的间距为0.2d，长方形M5和长方形M4的间距为0.2d。

本实施例传感器的尺寸仅作参考，实际可以有所改变。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求保护范围内。

Claims (8)

1.一种二维解耦力触觉传感器，其特征在于，包括玻璃基底和设于玻璃基底上的敏感块；

以敏感块的中心为原点、长宽作为XY轴，敏感块的X轴正向方和Y轴正方向均设有位移电极组件，敏感块的X轴负方向和Y轴负方向均设有支撑组件；

位移电极组件包括位移基板、弹性梁和支撑侧台，位移基板设有上电极；

玻璃基底内与位移电极组件相应的位置均设有底部电极，上电极与相应的底部电极形成平行板电容器；

敏感块受力可使位移基板产生位移，从而改变平行板电容器的电容值；

所述位移基板为格栅状，上电极铺设于位移基板的每个格栅上表面；

所述底部电极由梳齿状的第一电极薄板和第二电极薄板相互交错构成，上电极与第一电极薄板的正对面积等于上电极与第二电极薄板的正对面积。

2.根据权利要求1所述的一种二维解耦力触觉传感器，其特征在于，弹性梁呈十字状，包括两个竖梁和设于两个竖梁之间的相对的两个U形硅悬臂梁。

3.根据权利要求2所述的一种二维解耦力触觉传感器，其特征在于，所述支撑组件包括支撑弹性梁和支撑柱，所述支撑弹性梁与弹性梁的尺寸相同，支撑柱与支撑侧台的尺寸相同。

4.根据权利要求1所述的一种二维解耦力触觉传感器，其特征在于，所述位移基板宽度小于敏感块宽度，所述位移基板的每个格栅间距均相等；所述第一电极薄板和第二电极薄板的每个梳齿的间距均相等。

5.根据权利要求1所述的一种二维解耦力触觉传感器，其特征在于，所述弹性梁的最大形变量不超过第一电极薄板的每个梳齿的宽度。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种二维解耦力触觉传感器，其特征在于，所述平行板电容器电容值的计算公式为：

其中，ε₀为真空介电常数，ε_r为相对介电常数，S为上电极与对应底部电极的第一电极薄板或第二电极薄板的正对面积，d为上电极与底部电极形成的平行板电容器的极间距。

7.根据权利要求6所述的一种二维解耦力触觉传感器，其特征在于，传感器的输入信号为：Input＝[F_X，F_Y]，其中F_X为敏感块受到X方向的力，F_Y为敏感块受到Y方向的力；

输出信号为：

其中

为X方向的上电极与其正对的底部电极的第一电极薄板之间形成的平行板电容器的电容值的变化量，

为X方向的上电极与其正对的底部电极的第二电极薄板之间形成的平行板电容器的电容值的变化量，

为Y方向的上电极与其正对的底部电极的第一电极薄板之间形成的平行板电容器的电容值的变化量,

为Y方向的上电极与其正对的底部电极的第二电极薄板之间形成的平行板电容器的电容值的变化量。

8.一种二维解耦力触觉传感器MEMS制备方法，其特征在于，制备如权利要求1-7任一项所述的一种二维解耦力触觉传感器，步骤如下，

玻璃基底内的底部电极的制备如下：

步骤1)、选取厚度为500μm的玻璃片，清洗；

步骤2)、在玻璃片的正面溅射铝，铝的厚度为2μm；

步骤3)、玻璃正面涂胶，烘干，对玻璃正面的铝进行光刻；

步骤4)、湿法腐蚀掉部分铝；

步骤5)、去除光刻胶并清洗；

敏感块、位移电极组件和支撑组件的制备如下：

步骤101)、选取双抛光、厚度为400μm的四寸硅片，清洗

步骤102)、在硅片背面涂胶，烘3分钟，对硅片背面进行；

步骤103)、干法刻蚀，将未被保护的硅片部分减薄至240μm；

步骤104)、去胶并清洗硅片；

步骤105)、硅片背面涂厚胶，控制前烘、后烘时间，对硅片背面进行光刻；

步骤106)、干法刻蚀，采用深反应离子刻蚀方法腐蚀硅，并刻透；厚胶的厚度根据掩膜400μm硅片的深反应离子刻蚀来确定；

步骤107)、去胶，在硅片的表面形成2μm的二氧化硅氧化层；

步骤108)、在硅片的正面溅射铝，对硅片正面的铝进行光刻；

步骤109)、湿法腐蚀铝，然后去胶清洗；

步骤110)、干法刻蚀掉硅片背面的二氧化硅，清洗；

步骤111)、将硅片背面和玻璃正面进行静电键合；清洗键合片，分片。

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