CN113432761A - 带惯性环境补偿功能的机器人用触觉传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有提高复杂运动环境下检测效果的触觉传感器结构。本发明包括力检测单元和加速度检测单元。所述力检测单元是三轴触觉传感单元，包括力传导部分与力检测部分；所述加速度检测单元是实现了三轴加速度检测的常用结构，用于进行惯性环境补偿。本发明通过在触觉传感部分周围原位集成加速度计，提高了动态检测性能，提升了在复杂运动环境下力检测的准确度。

Description

带惯性环境补偿功能的机器人用触觉传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种触觉传感器，具体是一种具有提高复杂运动环境下检测效果的触觉传感器，用作触觉力检测，以实现高精度触觉感知。

背景技术

随着科技的进步，人们对智能感知的要求越来越迫切。触觉传感器是智能感知的重要组件。假如采集到的数据本身就存在很大误差，或是应用场景对数据精度要求较高，不论多么精妙的算法都不能完美地解决数据处理问题。

目前基于不同原理的多轴触觉传感器种类繁多，包括电容式触觉传感器、压阻式触觉传感器、压电式触觉传感器和光学式触觉传感器等。电容式传感器具有动态响应好，精度高等优点，但物理尺寸较大，且易受噪声影响；压阻式传感器具有灵敏度高，空间分辨率高和制造技术成熟等优点，但其使用时功耗高，稳定性差；压电式传感器具有动态范围宽，耐用性好等优点，但其易受温度影响；光学式传感器具有灵敏度高，响应快等优点，但多轴检测线性度差，标定困难。

已经投入使用的大多数机械手或是机器人，只能实现对较坚硬物体的抓取。造成这一现象的问题有很多，其中一个问题，就是接触式的传感器容易受到环境干扰。比如在存在振动或是晃动的环境下，机械手需要对鸡蛋进行抓取操作，但时不时出现的加速度，就会导致机械手不同位置感测到的触觉力实时发生变化，靠近加速度作用方向的那侧检测到的力变大，那侧的手指会握得松一点，远离加速度作用方向的那侧检测到的力变小，该侧的手指会握得紧一点。如果突然再有反方向的加速度，使两侧手指检测到的力又发生了变化，就可能导致对鸡蛋的抓取变松或是变紧，变松，鸡蛋容易滑落；变紧，鸡蛋就被捏破了。

根据牛顿第二定律F=m*a，动态干扰与力传导部件传递的质量和受到的加速度有关。力传导部件传递的质量越大，相同加速度下产生的动态干扰越大；加速度越大，相同力传导部件传递的质量产生的动态干扰越大。从信号检测的角度来看，所检测的力信号越小，相同动态干扰产生的检测误差越大。

力传导部件传递的质量包括待测物体的质量与传感器本身力传导部件质量。减小干扰的一种方式，是减小力传导部件的质量，但由于施加力的传导方式对检测效果有很大影响，这不是一个很合理的方法，而且为了提高力检测效果，在传感器设计时往往会再增加一个用于传导力、汇集力的凸起块，即在结构设计上必定会有一个较大的质量块。

较为合理的方案，就是不改变原有结构的同时，增加针对加速度的负反馈机制，以减少加速度带来的动态干扰，主要考虑对以下两种加速度的负反馈处理：

（1）地球重力。重力可以认为是静态加速度，它的方向永远是竖直向下的。但由于装载着传感器的机械手在运动，传感器和重力之间的相对方向会发生变化，也就是重力对运动的传感器会造成影响。

（2）机械手自身运动产生的加速度。当机械手在工作时，为了改变运动状态，就需要进行加速或是减速，这会产生当前方向上的动态干扰。

发明内容

为解决上述触觉传感器存在的问题，本发明以与复杂运动环境息息相关的加速度信号为负反馈信号，采用集成组装方法，通过在触觉传感器上原位集成加速度传感器，在不影响原有检测性能的同时，结合获取的加速度信息，来对由加速度引入的干扰信号进行去除，提出了一种带有加速度负反馈的触觉传感器，其目的在于提高运动场景下触觉传感器的测量准确度。

本发明的一方面提供了一种带惯性环境补偿功能的MEMS触觉传感器，包含：

衬底，所述衬底上方有两个独立的空腔，左侧空腔制作有三轴触觉力检测结构，右侧空腔制作有加速度检测结构；

三轴触觉力检测结构，位于所述衬底左侧上方的空腔内。所述三轴触觉力检测结构基于电容变化实现信号检测，为了提高运动环境下的抗干扰能力，使用全差分检测的方式工作；

力传导薄膜，位于三轴力触觉检测结构的上方，与触觉力检测结构可动部分直接连接。所述力传导薄膜设计得较薄，用于提升器件对触觉力信号的灵敏度；

凸台，位于力传导薄膜的上方，与力传导薄膜直接连接。所述凸台可以限定力施加的接触面积，提高触觉检测准确度；

凸台保护侧壁，位于凸台四周，与凸台保持一定空隙。所述凸台保护侧壁主要集中在触觉力检测区域，目的是将与待测物体的接触集中在凸台附近，一方面防止触觉力施加在加速度检测区域上造成力信号的无效损耗，另一方面可以防止过大压力导致力传导薄膜破损；

加速度检测结构，位于所述衬底右侧上方的空腔内。该结构拥有检测三轴加速度信号的能力，相较于在传感器外侧增加加速度计的方式，这样的设计检测到的加速度信号与三轴触觉力检测结构上存在的加速度更为接近。

本发明还提供了一种带惯性环境补偿功能的MEMS触觉传感器制作方法，包括以下步骤：

S1、选用有上下硅层的SOI晶片；

S2、使用等离子体增强化学气相沉积在上硅层沉积未掺杂的硅酸盐玻璃薄层，使用低压化学气相沉积在上下部分各沉积一层p型Si薄层，并使用反应离子刻蚀制作沟槽；

S3、蚀刻掉沟槽底部的中间氧化物层，并使用低压化学气相沉积法在沟槽中填充掺杂的p型Si通孔；

S4、去除p型Si和硅酸盐玻璃薄层，形成触觉检测部分的凸台图案，并将传感器检测部分的下层氧化层去除；

S5、将硅酸盐玻璃薄层再次沉积在上层硅上，注意需要预留形成金焊盘的区域。然后沉积很薄的p型硅，再溅射金，并使用离子刻蚀形成金焊盘；

S6、离子蚀刻掉触觉力检测部分电极形成区域上方的硅酸盐玻璃。使用DRIE，周期蚀刻触觉传感器部分电极；

S7、离子蚀刻掉加速度检测部分电极形成区域上方的硅酸盐玻璃。蚀刻加速度计部分电极形状；

S8、使用抗蚀剂光刻构筑图案，并使用DRIE刻出电极；

S9、DRIE分别给触觉检测部分制作隔膜，给加速度检测部分制作保护。利用氢氟酸蒸汽蚀刻中间氧化物层的牺牲层，释放可动电极。同时，去除硅酸盐玻璃薄层和背面氧化层；

S10、将翻转的SOI衬底与LTCC衬底阳极键合。

本发明另一方面提供了一种带惯性环境补偿功能的柔性触觉传感器，包含：

下基底，位于整个器件的最底部。所述下基底可以分为两层，一层是用于制作电极图案的较厚层，该层下方嵌合成品加速度计，另一层是用于制作与加速度计相连导线的较薄层，从而实现加速度计工作所需的能量提供和信息交互。相较于制作柔性加速度计的方案，直接在触觉力检测结构下方集成成品加速度计的方案制作起来更为简单。此外，集成在柔性触觉传感器上的柔性加速度计会在柔性触觉传感器工作时受到影响，因此使用成品MEMS加速度计拥有更好地稳定性；

下层电极，所述下层电极生长在下基底上方。所述下层电极图案可以是矩形或是圆形；

支撑柱，所述支撑柱位于下层电极四周，下基底上方。所述支撑柱形状可以是长方体或是圆柱体；

介电层，所述介电层位于支撑柱上方。所述介电层与下基底存有一定空隙，以提高触觉力信号检测灵敏度；

上基板，所述上基板位于介电层上方。所述上基板与介电层完全贴合，为器件提供保护；

顶部电极，所述顶部电极在上基板和介电层之间。所述顶部电极图案可以是矩形或是圆形，与下层电极构成电极对，基于电容变化检测触觉力信号；

凸台，所述凸台制作在上基板上方，所述凸台可以限定力施加的接触面积，提高触觉检测准确度。

本发明还提供了一种带惯性环境补偿功能的柔性触觉传感器制作方法，包括以下步骤：

S1、首先在硅片上旋涂较厚1:10配比的PDMS并加热固化；

S2、然后在PDMS上使用MPTMS改亲水性，再氧等离子体活性处理，在PDMS上表面制作铜线层，包含芯片引脚焊盘以及延长线；

S3、使用低温焊锡，把商用加速度计焊接在铜线层上；

S4、在模具中倒入适量PDMS，并把传感器等倒扣入模具，加热固化，取出，完成下部基板的制作；

S5、在上部基板和下部基板的表面都使用光刻或是磁控溅射工艺，来制作金属电极，并旋涂很薄的UV胶，留待层间粘合使用；

S6、在硅片上刻上支撑柱的形状，作为传感器中间介电层及支撑柱的模具；

S7、在模具上倒适量PDMS并旋涂至几十微米的厚度，加热固化；

S8、通过对准标记，将上基板与PDMS介电层对准，再置于紫外灯下，照射5分钟，使两部分完全粘合；

S9、从硅模具上揭下制作完成的部分，并与下基底对准、贴合，再经紫外灯照射；

S10、在上基板外侧，放置较厚较硬的凸台结构，并用UV胶粘合，完成整个传感器的制作。

本发明的有益效果：应用原位集成加速度计的方法，提高触觉传感器在振动环境下的检测准确度，主要是通过获得的加速度信号来消除传感器结构本身在运动环境下产生的动态干扰信号。针对柔性触觉传感器和硅触觉传感器的工艺区别，提出了不同的方案：柔性触觉传感器工艺与传统加速度计不兼容，使用在基板上封装成品加速度计的方式集成；硅触觉传感器则可以在设计结构时，内部制作加速度检测结构。使用本发明制作的触觉传感器，相对于单纯的触觉传感器，扩展了应用场景，可以在时刻存在运动的环境中，仍旧保持高的力检测准确度，尤其是在高灵敏信号检测时。

附图说明

图1是本发明在工艺兼容情况下的结构俯视图，图上虚线为横截基准线；

图2是本发明在工艺兼容情况下的结构正视图；

图3是本发明在工艺兼容情况下的结构沿图1虚线的横截面示意图，图上虚线为切面基准线；

图4是本发明在工艺兼容情况下，沿图3切面基准线的触觉力传感部分可动电极部分俯视图；

图5是本发明在工艺兼容情况下，沿图3切面基准线的三轴加速度检测电极部分俯视图；

图6是本发明在工艺兼容情况下，检测触觉力的工作示意图；

图7是本发明在工艺兼容情况下，处理加速度干扰的工作示意图；

图8是本发明在工艺兼容情况下的一种工艺流程图；

图9是本发明在工艺不兼容情况下的结构正视图，图中虚线为切面基准线；

图10是本发明在工艺不兼容情况下的结构俯视图；

图11是本发明在工艺不兼容情况下，沿图9切面基准线向下的结构俯视图；

图12是本发明在工艺不兼容情况下，检测触觉力的工作示意图；

图13是本发明在工艺不兼容情况下，处理加速度干扰的工作示意图；

图14本发明在工艺不兼容情况下的一种工艺流程图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

现依据图1，对工艺可集成情况下的带负反馈触觉传感器的结构作进一步说明：图中左侧为凸台结构1、凸台保护侧壁2和力传导薄膜3。凸台结构1由凸台保护侧壁2包围，并制作在力传导薄膜3上方。

现依据图2，对工艺可集成情况下的带负反馈触觉传感器的结构作进一步说明：凸台保护侧壁2整个都位于衬底10上方。

现依据图3，对工艺可集成情况下的带负反馈触觉传感器的结构作进一步说明。图3为沿着图1虚线方向剖面图。该结构使用SIP封装的方式集成，如图3所示，传感器结构主要分为两部分：

第一部分为左侧的触觉传感部分。最上方是是汇聚力的凸台结构1，由SOI下层硅制成，高240~300um，宽400~600um；凸台保护侧壁2保卫着凸台结构1四周，由SOI下层硅制成；力传导薄膜3和上方的凸台结构1直接接触，由SOI下层硅制成，厚40~80um；层间连接4和上方的力传导薄膜3直接接触，为SOI的中间氧化层，厚3~5um；中心制动板5与位于其上方的层间连接4直接接触，用于传导力信号至可动检测电极板，并限制可动检测电极板位移，由SOI上层硅制成，宽600~900um；连接梁6用于连接中心制动板5与四周可动电极板7，由SOI上层硅制成；可动检测电极板7位于中心制动板5四周，用于将力学信号转化为位移变化，由SOI上层硅制成，可动电极板7比中心制动板5薄2~4um；固定电极板9位于可动电极板7下方，与可动电极板7组成了平行板电容器，用于将可动电极板7的位移变化转换为电学信号，该部分制作在衬底10上；最下方是低温共烧陶瓷衬底10，触觉检测部分与加速度检测部分共用，本身是绝缘材料，不导电。

第二部分为右侧空腔中的加速度传感部分。加速度检测部分的固定电极板11在空腔四周；加速度检测部分的可动电极板13在空腔中心；梳齿状电极结构14制作在加速度检测部分的可动电极板13四周，与固定电极板11一起，用于检测水平方向加速度信号；底部固定电极15位于加速度检测部分的可动电极板13下方，与加速度检测部分的可动电极板13一起，用于检测竖直方向加速度信号。

现依据图4，对触觉检测部分作更进一步说明：中心制动板5通过连接梁6连接周围四个可动电极板7，可动电极板7再由扭转梁8固定。可动电极7沿着扭转梁8可进行扭转运动。

现依据图5，对加速度检测部分作更进一步说明：中心的可动电极板13由支撑梁12固定，可动电极板13四周布满了梳齿状电极14，用于提高灵敏度；固定电极板11制作在侧壁2上，并布满梳齿状电极，与梳齿状电极14构成梳齿状电极对。

现依据图6，对工艺可集成情况下的触觉力检测原理作进一步说明：当存在触摸动作时，由于加速度检测和触觉力检测两部分高度差异，触摸力主要集中在触觉力检测部分。此时，力汇聚在凸台1上，经过薄膜3，中间连接层4，中心制动板5以及连接梁6，力传递到了可动电极板7上，可动电极板7在扭转梁8的联合作用下，受力发生扭转，使两侧电极位移产生差异。通过差分计算同一可动电极板7上的两侧电容变化，可以计算得到当前电极板的对应的电容输出值。正向力可由四个可动电极板各自对应的电容输出值△C共模检出。切向力可由与该力方向同轴的两个可动电极板各自对应的电容输出值△C差模检出。此时，由于力没有对加速度检测部分有任何影响，加速度检测部分的电容输出信号不变。

现依据图7，对工艺可集成情况下的去除加速度引入的误差原理作进一步说明：触觉检测部分的可动结构，包括凸台1、薄膜3、中间连接层4和中心制动板5等，在加速度作用下，产生了与质量相关的等效力，成为了力信号检测的干扰信号。此时，加速度检测部分也受到了加速度作用，产生了电容输出。正向加速度由加速度检测部分的可动电极板13与加速度检测部分的底部固定电极15组成的平行板电极，以相对距离改变的方式检出；切向加速度由梳齿状电极结构14与加速度检测部分的固定电极板11组成的梳齿电极对，以变重叠面积的差分方式检出。可根据该输出信号获悉当前的加速度确切值，在三轴上去除加速度带来的力信号干扰。

现依据图8，对工艺可集成情况下的制作工艺流程作进一步说明：步骤（a），选用有上下硅层的SOI晶片；步骤（b），使用等离子体增强化学气相沉积在上硅层沉积未掺杂的硅酸盐玻璃薄层，使用低压化学气相沉积在上下部分各沉积一层p型Si薄层，并使用反应离子刻蚀制作沟槽；步骤（c），蚀刻掉沟槽底部的中间氧化物层，并使用低压化学气相沉积法在沟槽中填充掺杂的p型Si通孔；步骤（d），去除p型Si和硅酸盐玻璃薄层，形成触觉检测部分的凸台图案，并将传感器检测部分的下层氧化层去除；步骤（e），将硅酸盐玻璃薄层再次沉积在上层硅上，注意需要预留形成金焊盘的区域。然后沉积很薄的p型硅，再溅射金，并使用离子刻蚀形成金焊盘；步骤（f），离子蚀刻掉触觉力检测部分电极形成区域上方的硅酸盐玻璃。使用DRIE，周期蚀刻触觉传感器部分电极；步骤（g），离子蚀刻掉加速度检测部分电极形成区域上方的硅酸盐玻璃。蚀刻加速度计部分电极形状；步骤（h），使用抗蚀剂光刻构筑图案，并使用DRIE刻出电极；步骤（i），DRIE分别给触觉检测部分制作隔膜，给加速度检测部分制作保护。利用氢氟酸蒸汽蚀刻中间氧化物层的牺牲层，释放可动电极。同时，去除硅酸盐玻璃薄层和背面氧化层；步骤（j），将翻转的SOI衬底与LTCC衬底阳极键合。

现依据图9，对工艺不可集成情况下的带加速度负反馈触觉检测结构进行进一步说明：该种类型对应着柔性触觉传感器上集成加速度计的方案，因为柔性触觉传感器往往尺寸较大，所以将加速度计集成在触觉传感器下方。从上到下依次为：凸台21，此时需要选用较硬的材料且厚度需要为0.5mm~5mm；上基板22，可使用透明柔性材料制作，如PET和PDMS，厚度为100~300um；下层电极23，可使用单层或是多层导电材料制作，如金，银，铜等，厚度为60nm~100nm；介电层24，用于保护上下电极不接触，且充当电容器的中间介质，可使用透明柔性材料制作，如PDMS，厚度为30~80um；支撑柱25，用于隔离上下两部分，使空气充当一部分中间介质，提高触摸力检测灵敏度，厚度为10~20um；下基底26，作为整个结构底部，为其余部分提供支撑，同时封装加速度计，可使用多层PET或PDMS制作，整体厚度为5~10mm；商用加速度计27，用于检测加速度信号。

现依据图10，对工艺不可集成情况下的带加速度负反馈触觉检测结构进行进一步说明：由于选用材料的良好透明性，可以较为清晰地看到所有内容。整个传感器的长为8~10mm，宽为8~10mm，这对上基板22，介电层24，下基底26做了约束；电极在不同层有一定的偏移，上层电极28靠近内侧，下层电极23靠近外侧，下层电极23比上层电极28更靠近外侧80~120um，这是为了更好地进行信号检出；凸台21的面积一般会比商用加速度计27面积略大；支撑柱25可以有多种形状，图中为圆柱形，直径为0.9~1.1mm，呈对称形式分布，以减小力传递时结构上产生的偏差。

现依据图11，对工艺不可集成情况下的带加速度负反馈触觉检测结构进行进一步说明。沿图9的切面基准线的俯视图，展示了支撑柱25，下层电极23，下基底26和商用加速度计27的细节。下层电极23会更偏外侧，即靠近支撑柱25一些，这是为了与上层电极形成偏差，方便电容计算时，分解出不同轴间力的电容信号。加速度计位于中心位置，被下基底26包覆，这是为了减少由于相对位置偏差引起的加速度信号检测角度偏差。

现依据图12，对工艺不可集成情况下的触觉力检测原理作进一步说明：首先，作用在凸台21上的力使凸台位移，基板22受力变形，迫使介电层24形变。由于支撑柱25的抑制，介电层24的变形较为均匀得集中在支撑柱25之间的区域，这一过程下，可以近似认为电极23是平行着向下或是水平移动的。此时的力，不会对处于下基底26中的商用加速度计27造成影响。

现依据图13，对工艺不可集成情况下的加速度带来误差去除原理作进一步说明：即使没有对凸台施加力，但当存在加速度时，可动部分在加速度的影响下，会对整个结构产生一定的等效力，产生的等效力近似于向传感器施加压力，这就会产生输出误差信号。该加速度信号可以从商用加速度计27中检出，作为对实际检出信号的补偿。可通过检出的加速度信号，结合触觉检测可动结构质量，对输出作修正。

现依据图14，对工艺不可集成情况下的带加速度负反馈触觉传感器的工艺制备流程作进一步说明：步骤（a），首先在硅片上旋涂较厚1:10配比的PDMS并加热固化；步骤（b），然后在PDMS上使用MPTMS改亲水性，再氧等离子体活性处理，在PDMS上表面制作铜线层，包含芯片引脚焊盘以及延长线；步骤（c），使用低温焊锡，把商用加速度计焊接在铜线层上；步骤（d），在模具中倒入适量PDMS，并把传感器等倒扣入模具，加热固化，取出，完成下部基板的制作；步骤（e），在上部基板和下部基板的表面都使用光刻或是磁控溅射工艺，来制作金属电极，并旋涂很薄的UV胶，留待层间粘合使用；步骤（f），在硅片上刻上支撑柱的形状，作为传感器中间介电层及支撑柱的模具；步骤（g），在模具上倒适量PDMS并旋涂至几十微米的厚度，加热固化；步骤（h），通过对准标记，将上基板与PDMS介电层对准，再置于紫外灯下，照射5分钟，使两部分完全粘合；步骤（i），从硅模具上揭下制作完成的部分，并与下基底对准、贴合，再经紫外灯照射；步骤（j），在上基板外侧，放置较厚较硬的凸台结构，并用UV胶粘合，完成整个传感器的制作。

Claims (5)

1.带惯性环境补偿功能的MEMS触觉传感器，其特征在于，包括：

衬底，所述衬底上方有两个独立的空腔，左侧空腔制作有三轴触觉力检测结构，右侧空腔制作有加速度检测结构；

三轴触觉力检测结构，位于所述衬底左侧上方的空腔内；

所述三轴触觉力检测结构基于电容变化实现信号检测，为了提高运动环境下的抗干扰能力，使用全差分检测的方式工作；

力传导薄膜，位于三轴力触觉检测结构的上方，与触觉力检测结构可动部分直接连接；

所述力传导薄膜用于提升器件对触觉力信号的灵敏度；

凸台，位于力传导薄膜的上方，与力传导薄膜直接连接；

所述凸台限定力施加的接触面积，提高触觉检测准确度；

凸台保护侧壁，位于凸台四周，与凸台保持一定空隙；

所述凸台保护侧壁主要集中在触觉力检测区域；

加速度检测结构，位于所述衬底右侧上方的空腔内；

该结构拥有检测三轴加速度信号的能力。

2.带惯性环境补偿功能的柔性触觉传感器，其特征在于，包括：

下基底，位于整个器件的最底部；

所述下基底可以分为两层，一层是用于制作电极图案的厚层，该层下方嵌合加速度计，另一层是用于制作与加速度计相连导线的薄层，从而实现加速度计工作所需的能量提供和信息交互；

下层电极，所述下层电极生长在下基底上方；

支撑柱，所述支撑柱位于下层电极四周，下基底上方；

介电层，所述介电层位于支撑柱上方；

所述介电层与下基底存有一定空隙，以提高触觉力信号检测灵敏度；

上基板，所述上基板位于介电层上方；

所述上基板与介电层完全贴合，为器件提供保护；

顶部电极，所述顶部电极在上基板和介电层之间，与下层电极构成电极对，基于电容变化检测触觉力信号；

凸台，所述凸台制作在上基板上方，所述凸台限定力施加的接触面积，提高触觉检测准确度。

3.根据权利要求2所述的带惯性环境补偿功能的柔性触觉传感器，其特征在于，所述下层电极图案为矩形或是圆形。

4.根据权利要求2所述的带惯性环境补偿功能的柔性触觉传感器，其特征在于，所述支撑柱形状为长方体或是圆柱体。

5.根据权利要求2所述的带惯性环境补偿功能的柔性触觉传感器，其特征在于，所述顶部电极图案为矩形或是圆形。

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