CN116952442A - 一种具有自校准功能的带方向性检测的触觉传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有自校准功能的带方向性检测的触觉传感器。本发明包括力检测模块和位于力检测模块内的自校准模块。力检测模块为两种不同类型的硅梁，分别是测量z轴应力的硅梁和测量x/y轴应力的硅梁。自校准模块包括压电材料和电极；压电材料分别位于两种不同类型的硅梁上方，利用逆压电效应驱动硅梁产生机械应变，以实现触觉传感器的自校准。本发明中的测量x/y轴应力的硅梁形状为圆弧状而非传统的直梁，在相同应力作用下可以产生更大的机械应变，从而扩大触觉传感器的灵敏度，并且通过输出的电阻变化量的趋势，对触觉传感器所受外力进行方向检测。还发明还可通过自校准模块对触觉传感器进行自校准和误差补偿。
Description
技术领域
本发明涉及触觉传感器技术领域以及MEMS自校准器件领域，尤指一种具有自校准功能的带方向性检测的触觉传感器。
背景技术
随着人工智能、机器人技术和智能传感技术的不断发展，触觉传感器在机器人应用中有广阔的发展前景。机器人的应用不再是单一的工作模式，人们期望于机器人技术能够实现复杂的人机交互，模拟人类皮肤的感知机制，实现多样化的人类行为模式。
根据工作原理，传感器可分为电容式传感器、压阻式传感器、压电式传感器等，与其它类型的触觉传感器相比，压阻式触觉传感器具有结构简单，适合微型化、高灵敏度、抗干扰能力强、频率响应高等特点。压阻式传感器利用压阻硅元件变形产生的电阻变化量检测力信号，应用于机器人领域的压阻硅元件通常嵌入在弹性材料中，提供与物体间的软接触。
触觉传感器受环境温度和噪声的干扰，导致测量的准确性降低，从而影响机器人的操作效果。为保证器件测量的可靠性，器件在投入使用前进行校准以保证触觉传感器测量的准确性。为解决这个问题，近年来出现了自校准技术，用于补偿制造缺陷、温度漂移和老化等问题，在实际应用中提高测量的准确性，实现高性能、高精度的触觉传感器。为实现触觉传感器的自校准功能，通常采用的是压电驱动与力传感器相结合的方法，利用压电材料的逆压电效应，将电信号转换为机械应变，将触觉传感器输出与压电驱动的输出相比较，利用其中的对应关系对触觉传感器进行校准和补偿。
在现有技术中，基于MEMS的触觉传感器基本能够满足机器人手的实际运用需求，实现高灵敏度的触觉传感器。以2016年日本提出的一种基于MEMS技术的触觉传感器为例，采用上层硅厚度为20um的SOI晶片制成硅梁，分别在硅梁的表面和侧壁进行掺杂形成三种仅对本方向应力敏感的压敏电阻，该触觉传感器基本实现自解耦功能。相比于人类指尖触觉，上述触觉传感器虽可以实现对物体触觉信息的感知，但是关于灵敏度这一指标仍有很大的进步空间，且不能判定应力的方向性。在实际应用中考虑测量环境的复杂性和机器人手应用的高精度需求，同时面对传统标定平台大，不宜挪动，操作复杂，工作量大且容易出错，提出一种可自校准的带方向性检测的触觉传感器。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种具有自校准功能的带方向性检测的触觉传感器。
本发明包括力检测模块和位于力检测模块内的自校准模块。
所述力检测模块为两种不同类型的硅梁，分别是测量z轴应力的硅梁和测量x/y轴应力的硅梁，其中测量x/y轴应力的硅梁在x/y轴方向正交排列。
所述的测量x/y轴应力的硅梁中间部分在x/y轴方向呈圆弧状，在受到某个方向应力时，产生机械应变，此时压敏电阻阻值增加/减少；在受到相反方向的应力作用时，产生机械应变，但压敏电阻阻值的变化趋势相反，从而判断应力的方向性。
所述的测量z轴应力的硅梁为直梁，在受到z轴方向应力时产生的机械应变远大于x/y轴方向应力，具有解耦能力。
所述的两种不同类型的硅梁在外力作用下产生机械应变，机械应变通过硅梁上方的压敏电阻将力信号转换为电信号，最终通过放大电路输出。
所述自校准模块包括压电材料和电极；所述的压电材料分别位于两种不同类型的硅梁上方，利用逆压电效应驱动硅梁产生机械应变，以实现触觉传感器的自校准。
本发明的有益效果：该触觉传感器在满足体积小，高精度等需求的同时集成了自校准功能，包括力检测电路模块和自校准模块。力检测模块中测量x/y轴应力的硅梁形状为圆弧状而非传统的直梁，在相同应力作用下可以产生更大的机械应变，从而扩大触觉传感器的灵敏度，并且通过输出的电阻变化量的趋势，对触觉传感器所受外力进行方向检测。自校准模块可以对触觉传感器进行自校准检测，在触觉传感器出现老化或者受到环境影响，输出产生漂移的情况下，可通过自校准模块对触觉传感器进行自校准和误差补偿。
附图说明
图1所述为触觉传感器结构示意图。
图2所述为触觉传感器中测量z轴应力的硅梁的自校准结构示意图。
图3为所述z轴自校准电极分布示意图。
图4为所述触觉传感器中测量x/y轴应力的硅梁的自校准结构示意图。
图5为所述x/y轴自校准电极分布示意图。
图6为所述x/y轴方向性检测原理示意。
图7为所述触觉传感器自校准部分加工工艺流程图。
具体实施方式
本发明所设计的该触觉传感器可检测三维力的大小，包括z轴应力、x轴应力和y轴应力。通过硅梁由机械应变产生的电阻变化趋势，可以判断应力的方向性。利用锆钛酸铅(PZT)的逆压电效应驱动硅梁，与外力作用下的输出进行比较，判断该触觉传感器是否需要校准并在需要校准的情况下对输出进行补偿，从而实现自校准功能。
本发明具体的技术方案如下：
该触觉传感器包括力检测模块和自校准模块。所述触觉传感器中的力检测模块为两种不同类型的硅梁，分别是测量z轴应力的硅梁和测量x/y轴应力的硅梁，测量x/y轴应力的硅梁在x/y轴方向正交排列，两种不同类型的硅梁皆为两端固定的模式。
所述的测量x/y轴应力的硅梁中间部分在x/y轴方向呈圆弧状，在受到特定方向应力时，可以产生大的机械应变，此时压敏电阻阻值增加/减少，在受到相反的应力作用时，产生的机械应变基本相同，但压敏电阻阻值的变化趋势相反，从而可以判断应力的方向性。
所述的测量z轴应力的硅梁为传统的直梁，在受到z轴方向应力时产生的机械应变远大于x/y轴应力，具有良好的解耦能力。
所述的两种不同类型的硅梁在外力作用下产生微小的机械应变，机械应变通过硅梁上方的压敏电阻将力信号转换为电信号，最终通过放大电路输出。
所述触觉传感器中的自校准模块包括压电材料和电极两个部分。所述的压电材料分别位于两种不同类型的硅梁上方，利用逆压电效应驱动硅梁产生机械应变，以实现触觉传感器的自校准功能。所述的外力为施加在触觉传感器表面的z轴应力或者x轴应力或者y轴应力。
本发明采用压阻式的传感原理，分别在测量z轴应力的硅梁的上表面和测量x/y轴应力的硅梁的上表面和侧壁通过热扩散法进行磷离子掺杂，形成厚约100nm的压阻层，压敏电阻通过金属引线连接成惠斯通电桥电路，将力信号转换成电信号输出。为实现触觉传感器方向性检测功能，假设触觉传感器受到x/y轴正方向应力，此时电桥的电阻变化量输出为正，当x/y轴应力变为负方向时，电桥的电阻变化量输出则会变为负。
本发明利用了压电材料的逆压电效应，通过对压电材料的预极化处理，可以使得该材料在特定方向施加电场时产生机械应变，且机械应变随着电场的消失也随之消失。所选用的压电材料为PZT，该材料具有驱动精度高、功耗低、体积小等优点，可以很好地与触觉传感器结合，满足触觉传感器在机器人手中的实际应用需求，实现自校准功能。
本发明利用PZT的压电驱动功能，从而实现触觉传感器的自校准。经过预极化的PZT薄膜，在PZT薄膜的整个上电极施加电压时，硅梁将实现垂直于PZT方向的振动，而在PZT的上电极分区域施加电压，以两块电极为例，对两块电极并联，在电极上分别施加大小相同符号相反的电压时，硅梁将实现平行于PZT方向的振动。将压敏电阻通过PZT振动产生的电阻变化量和通过外力作用产生的电阻变化量进行对比，电阻变化量一致则说明该器件工作良好，无需校准，电阻变化量不一致则说明器件受外界因素影响产生一定误差，可通过初始状态中力与输出的关系和电压与输出的关系对触觉传感器进行补偿，从而实现触觉传感器的自校准功能。
更进一步的，所述的硅梁分为两种类型，其中一种类型的硅梁呈扁平状，宽50μm，高20μm，用于测量z轴应力，另外一种硅梁的宽度远小于厚度，宽10μm，高20μm，正交排布在x/y轴方向，用于测量x/y轴应力。测量x/y轴应力的硅梁设计为圆弧状，在相同应力作用下可以产生更大的机械应变，而面对相反方向应力，圆弧梁产生的应变基本相同，但输出趋势则完全相反，从而可以实现方向性检测。
更进一步的，两种不同类型的硅梁的表面和侧面通过磷离子掺杂形成压敏电阻，触觉传感器表面沉积的Au层进行图案化，作为引线连接各个压敏电阻，形成惠斯通电桥电路，用于检测外力作用下电阻的变化量。掺杂层上方通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方法沉积一层绝缘层，其目的在于将掺杂层与Pt层绝缘，使压敏电阻不受Pt电极的影响，同时为PZT的生长提供条件。两种不同类型的硅梁上方生长一层PZT薄膜，通过PZT的逆压电效应实现器件的自校准功能，所述的PZT薄膜上方生长一层Pt电极，电极图案化后施加不同的电压，在不同电压的驱动下可以实现梁不同方向的运动。
实施例：
图1为触觉传感器结构示意图，A区为自校准模块(该模块的具体结构未画出，仅标明在触觉传感器的具体位置)。触觉传感器仅包含力检测模块，自校准模块位于A区。该触觉传感器由四个相对独立的检测单元组成，分别是2对用于测量z轴应力的硅梁，1个用于测量x轴应力的硅梁，1个用于测量y轴应力的硅梁。
图2为触觉传感器中测量z轴应力的硅梁的自校准结构示意图，B区为测量z轴应力的硅梁放大后的横截面示意图，硅梁的上方为自校准模块，自校准模块由PZT和上下电极组成。1a是弹性体(PDMS)，作为物体与触觉传感器之间的软接触。2a、2b、2c是触觉传感器的单晶硅部分，2b、2c形成硅梁，硅梁长400um，宽50um，其上方生长的PZT可实现硅梁的自校准功能，2a形成硅衬底，固定硅梁的两端的同时为芯片提供支撑作用。3a、3b为压敏电阻，在硅梁的上表面通过磷离子掺杂形成压敏电阻。4a、4b、4c为绝缘层，其中4b、4c为压敏电阻层与自校准模块中下电极之间的绝缘层，其目的在于PZT施加电压对器件进行校准时，保证压敏电阻不受该电压的影响，可以有效测量出在特定电压驱动下压敏电阻的电阻变化量。5a、5b、5c、5d为PZT的驱动电极，其中5a、5d作为PZT的下电极接地，5b、5c作为PZT的上电极，可接0-20V的电压。6a、6b为PZT层，在PZT的上下表面施加电压可驱动PZT实现z轴方向的运动，根据输出的电阻变化量与施加的电压的关系表达式可实现测量z轴应力的硅梁的自校准功能。7a、7b为触觉传感器的引线部分，将沉积的金属层图案化，引线通过特定的连接方式连接两个压敏电阻，同时外接两个固定电阻形成惠斯通电桥，四个电阻阻值相同，在压敏电阻与固定电阻的相交处接地和接电源，在两个压敏电阻和两个固定电阻的中间进行输出，可以得到硅梁受外力形变下的电阻变化量。
图3为z轴自校准电极分布示意图，自校准模块位于测量z轴应力的硅梁的上方，PZT薄膜长度为测量z轴应力的硅梁的一半，宽度与测量z轴应力的硅梁相同，利用PZT的逆压电效应，PZT的下电极接地，在PZT的上电极施加正电压，压电材料带动硅梁向下运动，此时由PZT逆压电效应产生的运动趋势与触觉传感器在z轴应力作用下的运动趋势相同。
图4为触觉传感器中测量x/y轴应力的硅梁的自校准结构示意图，C区为测量x/y轴应的硅梁放大后的横截面示意图，同样的，自校准模块位于测量x/y轴应力的硅梁的上方，自校准模块由PZT和上下电极组成。1b是弹性体(PDMS)，作为物体与触觉传感器之间的软接触。2d、2e、2f是触觉传感器的单晶硅部分，2e、2f为硅梁，硅梁长350um，宽10um，中间呈圆弧状，通过硅梁产生的机械应变趋势可以对触觉传感器的应力进行方向检测。圆弧梁的设计可以在相同外力作用下可以产生更大的机械应变，从而扩大触觉传感器的灵敏度。其上方生长的PZT薄膜可实现硅梁的自校准功能，2d为硅衬底，固定硅梁的两端的同时为芯片提供支撑作用。3c、3d为压敏电阻，在硅梁的上表面和侧壁通过磷离子掺杂形成压敏电阻。4d、4e、4f为绝缘层。5e、5f、5g、5h、5i为PZT的驱动电极，其中5f、5g作为PZT的下电极接地，5e、5h、5i作为PZT的上电极，可接0-±20V的电压，C区中5h、5i两块Pt电极将硅梁划分为两块并联的硅梁，两块电极上施加的电压大小相同符号相反。6c、6d为PZT层，在PZT的上下表面施加电压可驱动PZT实现x/y轴方向的平动，根据输出的电阻变化量与施加的电压的关系表达式可实现x/y轴梁的自校准功能。7c、7d为触觉传感器的引线部分。
图5为x/y轴自校准电极分布示意图，D区为测量x/y轴应力的硅梁横截面示意图，硅梁的上方为自校准模块，PZT长度为测量x/y轴应力的硅梁的一半，宽度与测量x/y轴应力的硅梁相同，利用PZT的逆压电效应，PZT的下电极接地，PZT的上电极均匀的划分为两块电极，此时可看作两根并联的硅梁，分别向两块电极施加大小相同，符号相反的电压，压电材料带动硅梁产生平动(x/y轴运动)，此时由PZT逆压电效应产生的运动趋势与触觉传感器在x/y轴应力作用下的运动趋势相同。
图6为x/y轴方向性检测原理示意图，E区、F区为压敏电阻位置分布示意图，其工作原理如下：当触觉传感器不受外力作用时，触觉传感器的输出为0，此时两个压敏电阻阻值相同，假设触觉传感器受到x/y轴正方向应力，两根硅梁(从左往右)一个受力压缩，阻值减小，另一个受力拉伸，阻值增大，此时电桥的电压输出减小，总的电阻变化减小。当x/y轴应力变为负方向时，两根硅梁(从左往右)一个受力拉伸，阻值增大，另一个受力压缩，阻值减小，电桥的电压输出增加，总的电阻变化也增加。换句话说，触觉传感器可以通过输出的变化趋势判断所受外力的方向。
本实例中触觉传感器进行自校准的工作原理：当采用压电驱动模拟外力时，具有自校准模块的硅梁产生与对应外力作用下相同的运动趋势，在外力作用下硅梁产生的变形由压敏电阻通过电桥电路转换为电阻变化量输出。将两个电阻变化量进行比较，从而判定触觉传感器是否因环境等外围因素产生误差。假设两个电阻变化量不同，可通过触觉传感器初始状态下的电压与电阻变化量的对应关系(自校准模块)和力与电阻变化量的对应关系(力检测模块)对触觉传感器的输出进行补偿，从而实现自校准的功能。
图7为所设计的一种具有自校准功能的触觉传感器中硅梁部分的加工工艺流程图，具体工艺流程如下所述：
(a)准备一块上层硅厚度为20um、下硅层厚度为300um、中间氧化层厚度为2um的p型SOI晶片，并清洗干净。使用KOH腐蚀液对上层硅减薄至合适厚度；
(b)利用等离子体反应离子刻蚀(ICP-RIE)，刻蚀出用于侧壁掺杂的孔，直接约70um；
(c)利用热扩散法在SOI的上表面和侧壁形成n型压敏电阻，采用的离子为磷离子，掺杂层厚度约为100nm；
(d)在晶片正面沉积金属层，形成掩膜图案，用作触觉传感器引线，沉积的金属选择Au,金属层厚度约为50nm；
(e)利用PECVD沉积绝缘层，将PZT电极与掺杂层隔离开，再依次沉积PZT三明治结构，分别是下电极、PZT、上电极，其中PZT的电极采用的金属是Pt。
(f)依次刻蚀上电极、PZT、下电极，形成可用于硅梁的自校准结构，其中PZT与下电极共用一张掩模版；
(g)利用ICP-RIE刻蚀上层硅形成梁结构，同时刻蚀了绝缘层和Au层形成引线，形成惠斯通电桥电路；
(h)在芯片的上表面沉积第二层绝缘层，目的在于将芯片的引线和PZT的电极全部从顶层引出；
(i)在绝缘层中引线和电极对应的位置刻蚀出通孔，通孔形状为圆形最佳，直径约几微米左右；
(j)沉积顶层金属并图案化，沉积的金属将通孔填满，并对Au和Pt进行电气连接，沉积的金属采用Au，金属层厚度约为50nm；
(k)采用深离子反应从背面刻蚀底层硅，利用HF蒸汽刻蚀二氧化硅层，释放梁结构；
本实例中，沉积的金属层分为Au层和Pt层，Au层可作为触觉传感器的引线，而Pt仅能作为PZT的电极。所述的触觉传感器芯片采用SOI晶片制作而成，利用SOI硅片的中间氧化硅层可以实现DRIE刻蚀的自停止腐蚀，精准实现各敏感部分的尺寸。
综上所述，选用触觉传感器具有高灵敏度、小型化、自解耦的特点，通过输出的变化趋势可以判断所受外力的方向。为扩大触觉传感器的灵敏度，x/y轴硅梁设计为圆弧状，使其受到外力作用时更容易产生机械应变。同时为满足机器人领域在复杂环境下对触觉传感器的应用需求，该触觉传感器增加了自校准功能，通过PZT的逆压电效应驱动硅梁产生机械应变，对触觉传感器进行自校准并且在产生一定误差时对触觉传感器进行补偿。
Claims (6)
1.一种具有自校准功能的带方向性检测的触觉传感器，包括力检测模块和位于力检测模块内的自校准模块，其特征在于：
所述力检测模块为两种不同类型的硅梁，分别是测量z轴应力的硅梁和测量x/y轴应力的硅梁，其中测量x/y轴应力的硅梁在x/y轴方向正交排列；
所述的测量x/y轴应力的硅梁中间部分在x/y轴方向呈圆弧状，在受到某个方向应力时，产生机械应变，此时压敏电阻阻值增加/减少；在受到相反方向的应力作用时，产生机械应变，但压敏电阻阻值的变化趋势相反，从而判断应力的方向性；
所述的测量z轴应力的硅梁为直梁，在受到z轴方向应力时产生的机械应变远大于x/y轴方向应力，具有解耦能力；
所述的两种不同类型的硅梁在外力作用下产生机械应变，机械应变通过硅梁上方的压敏电阻将力信号转换为电信号，最终通过放大电路输出；
所述自校准模块包括压电材料和电极；所述的压电材料分别位于两种不同类型的硅梁上方，利用逆压电效应驱动硅梁产生机械应变，以实现触觉传感器的自校准。
2.根据权利要求1所述的一种具有自校准功能的带方向性检测的触觉传感器，其特征在于：两种不同类型的硅梁皆为两端固定的模式。
3.根据权利要求1所述的一种具有自校准功能的带方向性检测的触觉传感器，其特征在于：所述的压电材料采用PZT。
4.根据权利要求3所述的一种具有自校准功能的带方向性检测的触觉传感器，其特征在于：硅梁上的PZT为薄膜形式，其与硅梁之间存在有绝缘层，该PZT薄膜长度为硅梁的一半，宽度与硅梁相同。
5.根据权利要求1、3或4所述的一种具有自校准功能的带方向性检测的触觉传感器，其特征在于：所述的电极包括上电极和下电极，其中测量z轴应力的硅梁上的上电极有一块，测量x/y轴应力的硅梁上的上电极有两块。
6.根据权利要求5所述的一种具有自校准功能的带方向性检测的触觉传感器，其特征在于：测量x/y轴应力的硅梁上的两块上电极所施加的电压大小相同符号相反。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310618959.0A CN116952442A (zh) | 2023-05-29 | 2023-05-29 | 一种具有自校准功能的带方向性检测的触觉传感器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310618959.0A CN116952442A (zh) | 2023-05-29 | 2023-05-29 | 一种具有自校准功能的带方向性检测的触觉传感器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116952442A true CN116952442A (zh) | 2023-10-27 |
Family
ID=88446883
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310618959.0A Pending CN116952442A (zh) | 2023-05-29 | 2023-05-29 | 一种具有自校准功能的带方向性检测的触觉传感器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116952442A (zh) |
-
2023
- 2023-05-29 CN CN202310618959.0A patent/CN116952442A/zh active Pending
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