CN113340476B - 一种二维解耦力矩触觉传感器及mems制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种二维解耦力矩触觉传感器及MEMS制备方法。一种二维解耦力矩触觉传感器，包括玻璃基底和设于玻璃基底上的敏感块；敏感块水平的四个侧面均依次设有角传感基板、弹性梁和支撑侧台，角传感基板的水平上表面设有上电极；玻璃基底内与上电极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；支撑侧台与玻璃基底固定连接；敏感块受力矩可使角传感基板发生角度偏移，从而改变平行板电容器的电容值。本发明的传感器体积小，对于二维力矩的检测的灵敏度高。本发明的传感器可通过四个上电极与其对应的底部电极之间形成的四个平行板电容器的电容值的变化量的具体数值及大小关系可以实现传感器对力矩大小的测量和方向的判别。
Description
技术领域
本发明涉及触觉传感器技术领域，具体涉及二维力矩与其对应输出的变化电容的结构解耦及传感器的MEMS制备方法。
背景技术
随着智能机器人和智能假肢技术的发展，触觉传感器以其适应复杂表面结构和实时传感的优势受到了广泛的关注。在实际生活中，智能机器人、生物医疗等方面的一些具体应用场景对触觉传感器提出了二维力矩检测的要求。
目前，二维力矩触觉传感器的体积较大，且制作成本较高。
二维力矩传感器由于机械加工精度，结构设计原理等原因，维间耦合是普遍存在的，即力矩信号与对应的输出信号之间存在着较强的耦合作用。想要提高二维力矩传感器的测量精度，消灭维间耦合是至关重要的。
因此，迫切需要研制出一种体积小、成本低、解耦力度大的二维解耦力矩触觉传感器。
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矩触觉传感器。
为实现上述目的，本发明提供一种二维解耦力矩触觉传感器，包括玻璃基底和设于玻璃基底上的敏感块；
敏感块水平的四个侧面均依次设有角传感基板、弹性梁和支撑侧台，角传感基板的水平上表面设有上电极；
玻璃基底内与上电极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；
支撑侧台与玻璃基底固定连接；
敏感块受力矩可使角传感基板发生角度偏移，从而改变平行板电容器的电容值。
优选的，敏感块位于整个传感器的中心位置。
优选的，所述角传感基板为格栅状，上电极铺设于角传感基板的每个格栅上表面。
优选的，所述底部电极为长方形，敏感块为正方形，角传感基板的宽度等于敏感块的边长。
优选的，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。
优选的，所述上电极通过弹性梁和支撑侧台与外部电连接。
优选的，所述角传感基板的每个格栅的宽度和间距均相等，且格栅的宽度等于格栅的间距。
优选的，所述弹性梁的最大形变量不超过角传感基板的格栅间距的十分之一。
优选的，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，εr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，以敏感块的中心为原点，长宽为XY轴，传感器的输入信号为：Input＝[MX，MY]，MX其中为敏感块受到X方向的力矩，MY为敏感块受到Y方向的力矩；
输出信号为：其中/>为Y正方向的上电极与其正对的底部电极的之间形成的平行板电容器的电容值的变化量，/>为Y负方向的上电极与其正对的底部电极之间形成的平行板电容器的电容值的变化量，/>为X正方向的上电极与其正对的底部电极之间形成的平行板电容器的电容值的变化量,/>为X负方向的上电极与其正对的底部电极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矩触觉传感器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400μm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、角传感基板、弹性梁和支撑侧台的制备如下：
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100-120μm；
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；光刻胶厚度根据减薄后硅片的刻蚀需要确定；
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矩触觉传感器具有以下优点：
1、本发明的传感器体积小，对于二维力矩的检测的灵敏度高。
2、本发明的传感器可通过四个上电极与其对应的底部电极之间形成的四个平行板电容器的电容值的变化量的具体数值及其大小关系可以实现传感器对力矩大小的测量和方向的判别：/>时，传感器受到X正向的力矩，时，传感器受到X负向的力矩，/>时，传感器未受到X方向的力矩，时，传感器受到Y负向的力矩，/>时，传感器受到Y正向的力矩，时，传感器未受到Y方向的力矩，且力矩越大，敏感块的旋转角度越大，对应的电容的变化量越大。
3、本发明的传感器能够实现输入与输出Input＝[MX,MY]与的解耦。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
图1是二维解耦力矩触觉传感器的整体结构。
图2是二维解耦力矩触觉传感器的底部电极和玻璃基底。
图3是二维解耦力矩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矩触觉传感器，包括玻璃基底1和设于玻璃基底上的敏感块2。
敏感块2水平的四个侧面均依次设有角传感基板3、弹性梁4和支撑侧台5，角传感基板3的水平上表面设有上电极6；
玻璃基底1内与上电极6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；支撑侧台5与玻璃基底1固定连接。
敏感块2受力矩可使角传感基板3发生角度偏移，从而改变平行板电容器的电容值。
敏感块2位于整个传感器的中心位置，敏感块2最大的角度偏移值为15°。
所述角传感基板3为格栅状，上电极6铺设于角传感基板3的每个格栅上表面。角传感基板3为格栅状可减少阻尼。
角传感基板3由七个平行、间距相同且在同一水平面上的长方体，其中六个长方体R1的大小相等且分别相邻，另一个长方体R2的长高于R1相等但宽要大于R1的，和两个相互平行且垂直于长方体R1的长方体R3组成。
上电极6由七个平行、在同一水平面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组合而成，长方形M1的长度远远大于长方形M2的宽度。
所述底部电极7为长方形，敏感块2为正方形，角传感基板3的宽度等于敏感块2的边长。底部电极7由一个长方形N1和两个细长且平行的长方形N2组成。
弹性梁4呈十字状，包括两个竖梁8和设于两个竖梁8之间的相对的两个U形硅悬臂梁9。
弹性梁4和支撑侧台5的水平上表面均溅射铝，上电极6通过弹性梁4和支撑侧台5与外部电连接。
所述角传感基板3的每个格栅的宽度和间距均相等，且格栅的宽度等于格栅的间距。
弹性梁4与角传感基板3的连接处为角传感基板3侧面的正中间；弹性梁4与支撑侧台5的连接处为支撑侧台5侧面的水平方向的正中间，竖直方向的顶部。角传感基板3与敏感块2的相连接的侧面完全重合。
敏感块2、角传感基板3、弹性梁4、支撑侧台5的水平上表面在同一水平面上。
所述弹性梁4的最大形变量不超过角传感基板3的格栅间距的十分之一。
传感器不受力矩时，上电极6与底部电极7的水平投影存在如下关系：
上电极6内的长方形M1的水平投影的长，大于底部电极7内长方形N1的长、两倍长方形N2的宽、弹性梁4最大形变量三者之和的(1/(cos(15°)))倍；上电极6内的两个长方形M2的水平投影分别于底部电极7内的长方形N1的水平投影的两条长边的距离的大小相等，底部电极7内的长方形N1的长与上电极6内的长方形M2的长相等。上电极6整体的水平投影的最外侧轮廓一长方形P1的两条长边分别与与之相邻的底部电极7内的长方形N1的水平投影的两条宽边的距离均相等。且在传感器的最大承受的力矩范围内，长方形P1自始至终与底部电极7的水平投影无重合部分。
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，εr为相对介电常数，S为上电极6与对应底部7电极的正对面积，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。
以敏感块2的中心为原点，长宽高为XYZ轴，传感器的输入信号为：Input＝[MX，MY]，MX其中为敏感块2受到X方向的力矩，MY为敏感块2受到Y方向的力矩；
输出信号为：其中/>为Y正方向的上电极6与其正对的底部电极7的之间形成的平行板电容器的电容值的变化量，/>为Y负方向的上电极6与其正对的底部电极7之间形成的平行板电容器的电容值的变化量，/>为X正方向的上电极6与其正对的底部电极7之间形成的平行板电容器的电容值的变化量,/>为X负方向的上电极6与其正对的底部电极7之间形成的平行板电容器的电容值的变化量。
当受到X正方向的力矩时，敏感块2绕X轴从Y正方向向Z正方向发生角度偏移，带动角传感基板3同样发生从Y正方向向Z正方向发生角度偏移。设于X方向上的两个上电极6与其对应底部电极7的正对面积不发生改变，平均极间距不变，即的值相同。设于Y正方向的上电极6与其对应的底部电极7之间的平均极间距增大，正对面积减小；设于Y负方向的上电极6与其对应的底部电极7之间的平均极间距减小，正对面积减小，即的值不同，前者小于后者的。对于受到X负方向的力矩时，同理。
当受到Y正方向的力矩时，敏感块2绕Y轴从X负方向向Z正方向发生角度偏移，带动角传感基板3同样发生从X负方向向Z正方向发生角度偏移。设于Y方向上的两个上电极6与其对应底部电极7的正对面积不发生改变，平均极间距不变，即的值相同。设于X负方向的上电极6与其对应的底部电极7之间的平均极间距增大，正对面积减小；设于X负方向的上电极6与其对应的底部电极7之间的平均极间距减小，正对面积减小，即的值不同，前者大于后者。对于受到Y负方向的力矩时，同理。
本实施例的传感器可通过四个上电极6与其对应的底部电极7之间形成的四个平行板电容器的电容值的变化量的具体数值及其大小关系可以实现传感器对力矩大小的测量和方向的判别：/>时，传感器受到X正向的力矩，/>时，传感器受到X负向的力矩，/>时，传感器未受到X方向的力矩，/>时，传感器受到Y负向的力矩，/>时，传感器受到Y正向的力矩，时，传感器未受到Y方向的力矩。传感器所受力矩越大，敏感块2的角度偏移越大，对应的电容的变化量越大。本实施例的传感器能够实现输入与输出Input＝[MX,MY]与的解耦。
实施例2：
本实施例提供上述二维解耦力矩触觉传感器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400μm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、角传感基板3、弹性梁4和支撑侧台5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100-120μm；
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；光刻胶厚度根据减薄后硅片的刻蚀需要确定；
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。
本实施例的传感器体积小，尺寸为厘米级，对于二维力矩的检测的灵敏度高。采用MEMS制备方法，可以在硅片上批量生产，从而降低制作成本。
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矩触觉传感器。
具体尺寸比例如下，其中d为单位尺寸。
玻璃基底1的长宽均为98d，高为8d。
敏感块2的长宽均为18d，高为2d。
角传感基板3内长方体R1的长为16d，宽为d，长方体R2的长为16d，宽为2d，长方体R3的长为15d，宽为d。角传感基板的高为2d。
弹性梁4内的竖梁8的长为4d，宽为2d。相对的两个U形硅悬臂梁9的组成的整体的长为8d，宽为2d。弹性梁的高为2d。弹性梁的最大形变量为0.1d。
支撑侧台5的长为7d，宽为3d，高为2d。
上电极6内的长方形M1的长为16d，宽为d，两个相邻的长方形M1的间距为d，长方形M2的长为13d，宽为d。
底部电极7内的长方形N1的长为13d，宽为12d，长方形N2的长为22d，宽为0.5d。
本实施例中敏感块2的高度与支撑侧台5的高度的比值越大，平行板电容器的极间距越小，敏感块2受力矩发生相同的角度偏移的引起的电容值改变越大，测量精度越大，但敏感块2能发生的角度偏移越小，当传感器收到压力时，敏感块2的高度与支撑侧台5的高度比值越小，因传感器受力时造成敏感块2沿Z轴方向移动的距离对上电极5与底部电极6所形成的平行板电容器的极间距的影响越小，因此其比值要综合考虑。
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 (6)
1.一种二维解耦力矩触觉传感器，其特征在于，包括玻璃基底和设于玻璃基底上的敏感块；
敏感块水平的四个侧面均依次设有角传感基板、弹性梁和支撑侧台，角传感基板的水平上表面设有上电极；
玻璃基底内与上电极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；
支撑侧台与玻璃基底固定连接；
敏感块受力矩可使角传感基板发生角度偏移，从而改变平行板电容器的电容值；
敏感块位于整个传感器的中心位置；
所述角传感基板为格栅状，上电极铺设于角传感基板的每个格栅上表面；
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，εr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；
以敏感块的中心为原点，长宽高为XYZ轴，
传感器的输入信号为：Input＝[MX，MY]，MX其中为敏感块受到X方向的力矩，MY为敏感块受到Y方向的力矩；
输出信号为：其中/>为Y正方向的上电极与其正对的底部电极的之间形成的平行板电容器的电容值的变化量，/>为Y负方向的上电极与其正对的底部电极之间形成的平行板电容器的电容值的变化量，/>为X正方向的上电极与其正对的底部电极之间形成的平行板电容器的电容值的变化量,/>为X负方向的上电极与其正对的底部电极之间形成的平行板电容器的电容值的变化量；
当受到X正方向的力矩时，敏感块绕X轴从Y正方向向Z正方向发生角度偏移，带动角传感基板同样发生从Y正方向向Z正方向发生角度偏移；设于X方向上的两个上电极与其对应底部电极的正对面积不发生改变，平均极间距不变，即的值相同；设于Y正方向的上电极与其对应的底部电极之间的平均极间距增大，正对面积减小；设于Y负方向的上电极与其对应的底部电极之间的平均极间距减小，正对面积减小，即/>的值不同，前者小于后者的；
当受到Y正方向的力矩时，敏感块绕Y轴从X负方向向Z正方向发生角度偏移，带动角传感基板同样发生从X负方向向Z正方向发生角度偏移；设于Y方向上的两个上电极与其对应底部电极的正对面积不发生改变，平均极间距不变，即的值相同；设于X负方向的上电极与其对应的底部电极之间的平均极间距增大，正对面积减小；设于X负方向的上电极与其对应的底部电极之间的平均极间距减小，正对面积减小，即/>的值不同，前者大于后者；
通过四个上电极与其对应的底部电极之间形成的四个平行板电容器的电容值的变化量的具体数值及其大小关系实现传感器对力矩大小的测量和方向的判别：/>时，传感器受到X正向的力矩，/>时，传感器受到X负向的力矩，/>时，传感器未受到X方向的力矩，/>时，传感器受到Y负向的力矩，/>时，传感器受到Y正向的力矩，/>时，传感器未受到Y方向的力矩。
2.根据权利要求1所述的一种二维解耦力矩触觉传感器，其特征在于，所述底部电极为长方形，敏感块为正方形，角传感基板的宽度等于敏感块的边长。
3.根据权利要求1所述的一种二维解耦力矩触觉传感器，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。
4.根据权利要求1所述的一种二维解耦力矩触觉传感器，其特征在于，所述上电极通过弹性梁和支撑侧台与外部电连接。
5.根据权利要求1所述的一种二维解耦力矩触觉传感器，其特征在于，所述弹性梁的最大形变量不超过角传感基板的格栅间距的十分之一。
6.一种二维解耦力矩触觉传感器MEMS制备方法，其特征在于，制备如权利要求1-5任一项所述的一种二维解耦力矩触觉传感器，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400μm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、角传感基板、弹性梁和支撑侧台的制备如下：
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100-120μm；
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；光刻胶厚度根据减薄后硅片的刻蚀需要确定；
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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