一种具有针状结构的高灵敏度阵列式触觉传感器

1.本发明涉及触觉传感器技术领域，尤指一种在“直拉直压”模式下拥有高灵敏度的触觉传感结构。


背景技术：

2.随着机器人技术的发展，可广泛应用于智能传感技术、人机交互系统，具有高精度的触觉传感器逐渐受到重视。为实现自然的交互体验，触觉传感器获取的外部环境信息是至关重要的，机器人可根据获得的复杂多样的触觉信息做出对应的行为决策，包括但不限于压力、温度、湿度、滑移等。
3.机器人技术中触觉感知被定义为可变接触力的连续感知，这些信息可用于帮助机器人判断是否与物体接触、抓取是否稳定、识别物体信息以及对于控制力的反馈等，通过触觉传感器获得的触觉信息分析物体操作任务，可以进一步提高机器人的多功能性，所以触觉传感器对于机器人具备灵巧的操作是必不可少的。滑动摩擦力主要由传感器通过压力映射的变化来检测判断物体的位移，同时与滑动检测、材料识别、滑动粗糙度识别密切相关。近年来，各种新型的压阻式、电容式、压电式、磁导式等传感器结构被开发出来，相比于电容式传感器，压阻式的传感器设计规则简单，小型化，但是具有较低的灵敏度，同时传感技术的机械感应方向主要集中在法向力上，无法实现三维力的测量，从而限制了在触觉互动中的应用。
4.在现有技术中，基于mems的触觉传感器能够实现对于触觉信息的检测，比如滑动摩擦力。2021年日本东京大学提出的一种基于mems防摔倒的局部滑动传感器。该传感器芯片由用于剪切应力传感的侧壁掺杂的硅梁和用于法向应力传感的表面掺杂的硅梁组成，同时硅梁的响应不仅与所施加的应力大小成正比，且不受其余应力的干扰，具有无需解耦的特点。芯片由弹性材料(如pdms)完全覆盖，硅梁的两端固定，且梁的下方不存在气腔，这种设计将大大的减小传感器的灵敏度。
5.相比于人类指尖触觉，上述传感器虽然可以帮助机器人实现对物体触觉信息的感知，但是传感器关于灵敏度这一指标仍有很大的进步空间。


技术实现要素：

6.针对现有技术的不足，本发明提供一种在能够测量多种触觉信息的前提条件下，基于高灵敏度的检测原理，并且传感器不使用弹性体(或聚合物)，减小弹性体对力的损耗，仅通过硅微机械结构实现。
7.为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：
8.本发明包括金属电极、敏感单元、硅梁、压敏电阻和芯片框架；
9.所述的敏感单元采用针状接触器，芯片框架内的多个接触器间距排列，用于模拟人类指纹横截面；
10.所述的芯片框架为敏感单元和硅梁提供支撑作用，同时也作为压敏电阻检测电路
的支撑平台。
11.所述的金属电极位于硅芯片框架表面，用于与压敏电阻连接并形成惠斯通电桥；
12.所述的压敏电阻位于硅梁上，每个敏感单元的纵向和横向运动分别由单独的压敏电阻连接成惠斯通电桥电路检测；
13.所述的硅梁分为两组，一组由两根横向侧梁组成，以水平排列的方式分布于敏感单元顶端的两侧，另一组由四根微梁组成，微梁之间两两一组排列在质量块同侧的上下两端，其中微梁一端与芯片框架连接，另一端与质量块连接，所述质量块位于所述的敏感单元顶部；
14.所述的微梁在受力过程中其变形为轴向拉伸或压缩，用于法向应力传感；
15.所述的侧梁在受力过程中其变形为扭转，用于剪切应力传感。
16.优选地，所述的接触器之间的间距为500μm，接近人类皮肤平均指纹间隙。
17.优选地，所述的接触器顶端设计为针尖状，用于减小敏感单元与物体的接触面积，扩大可检测的物体范围，增大传感器的分辨率。
18.优选地，所述的压敏电阻通过在硅梁上表面掺杂得到。
19.优选地，所述的微梁宽为3μm，长为60μm，每根微梁上有一个压敏电阻，压敏电阻长为40μm，厚为100nm。
20.优选地，所述的侧梁宽为10μm，长为180μm，每根侧梁也有一个压敏电阻，压敏电阻长为150μm，厚为100nm。
21.优选地，质量块上的两组微梁之间间隔30μm。
22.本发明的有益效果：采用具有支撑结构的质量块连接接触器顶部与微梁结构达到检测和分离垂直作用力与横向作用力的效果。采用微梁结构，改变原有扭转变形，通过直拉直压模式，将绝大部分的应力应变集中于梁上，贡献于压敏电阻的检测，与传统的压阻式传感器相比，很大程度的提高了传感器的灵敏度。采用压阻原理对摩擦力、压力等触觉力进行测量，法向力与剪切力的测量皆采用梁结构，在相同的负载下，相比于电容式传感器，在以不损耗灵敏度的前提下，实现芯片的小型化。
附图说明
23.图1为本发明结构示意图。
24.图2为所述传感器的单个阵列单元示意图。
25.图3为所述传感器的微梁结构细节放大示意图。
26.图4为所述传感器的侧梁结构细节放大示意图。
27.图5为一种具有针状结构的触觉传感器阵列单元受到法向力时工作示意图。
28.图6为微梁结构受力细节放大示意图。
29.图7为触觉传感器阵列单元受到切向力时工作示意图。
30.图8为触觉传感器中微梁的加工工艺流程图。
具体实施方式
31.本发明所述的传感器主要包括6个长度相同、排列整齐的类似针状的尖锐接触器、硅梁结构和芯片框架。接触端制成针尖状，以相同的间隔排列，组成传感阵列，以获得更大
分辨率的触觉信号。梁结构包括微梁和侧梁两种，采用小尺寸的梁结构可以从扭转变形变为直拉直压变形，将应力集中，提高传感器的灵敏度。
32.本发明采用压阻式传感原理，芯片由6个相同长度的针状接触器、12对微梁(共24根)、6对水平排列的侧梁(共12根)、芯片框架组成。采用的微梁结构在受力过程中其变形为轴向拉伸/压缩，绝大部分应力均匀分布在梁结构中，从而可认作绝大部分的应变贡献于压敏电阻的检测。侧梁位于接触器的顶端，用于剪切应力传感，微梁通过质量块与接触器连接，用于法向应力传感。梁结构通过深离子反应技术刻蚀得到，压敏电阻采用离子注入工艺在soi的上层硅上形成表面掺杂的压阻条，接触器的运动由集成在芯片框架上的惠斯通电桥电路检测。
33.本发明中作为与物体产生直接接触的微结构，接触器以间隔500μm间距整齐排列,接近人类皮肤平均指纹间隙，同时顶端设计为针尖状，其目的在于获取更细微的触觉信息。接触器顶端设计为一组横向的侧梁。在扫掠过程中，接触器尖端发生扭转，带动横向侧梁产生变形，其形变量通过表面掺杂的压敏电阻的变化量得到。接触器上方连接两对微梁，微梁尺寸设计为小于横向的侧梁，其末端在受力过程中发生轴向变形，且应力应变可集中于微梁部分。与侧梁产生的扭转变形不同的是，微梁产生的是一种“直拉直压”的效果，在接触器竖直运动的作用下，微梁轴向拉伸/压缩，形成应力差，压敏电阻变化量同样通过惠斯通电桥输出电压的变化量得到。
34.本发明通过大幅度的减小微梁结构的尺寸，改变其变形模式，在力的作用下，从弯曲变形转换为微梁产生的直拉直压的轴向变形，这种变形将分散的应力集中在微梁上，一根微梁轴向拉伸，一根微梁轴向压缩，形成应力差，此时压敏电阻阻值变化受力达到最大。
35.本发明采用惠斯通电桥作为测量电路，惠斯通电桥是mems压阻式压力传感器中用于检测压敏电阻变化的检测方式。将压敏电阻连接成惠斯通电桥以实现检测压敏电阻阻值变化大小的目的，全桥具有可提供满量程输出、减小零点温漂等优点。接触器在力的作用下，一根微梁直拉时另一根微梁直压，压敏电阻的阻值产生相同的δr，最后通过电桥电路转换为电压信号进行输出。
36.以下结合附图对本发明的实施例进行说明：
37.本实施例包括金属电极、敏感单元、硅梁、压敏电阻、芯片框架五个部分组成。所述的硅梁分为两组，一组由2根宽10μm的横向侧梁组成，以水平排列的方式分布于接触器顶端的两侧，一组由4根长60μm的微梁组成，两两一组以30μm间隔整齐排列在质量块同侧，一端与芯片框架连接，一端通过质量块连接针状结构顶部。所述的敏感单元包含6个长度相同的针状接触器，接触器以间隔500μm间距整齐排列，接近人类皮肤平均指纹间隙，其目的是用来模拟人类指纹横截面，同时顶端设计为针尖状，其目的在于减小敏感单元与物体的接触面积，扩大可检测的物体范围，增大传感器的分辨率。所述的芯片框架为接触器和硅梁提供支撑作用，同时也作为压敏电阻检测电路的支撑平台。所述的金属电极位于硅芯片框架表面，用于与压敏电阻连接并形成惠斯通电桥。所述的压敏电阻位于硅梁上，表面掺杂可通过离子扩散工艺得到，每个接触器的纵向和横向运动分别由单独的压敏电阻连接成惠斯通电桥电路检测。
38.如图1为一种具有针状结构的阵列式触觉传感器结构示意图，其中a区为微梁结构细节放大示意图，b区为侧梁结构细节放大示意图，图2为传感器单个阵列单元示意图。1a、
1b、1c、1d、1e、1f、1g、1h、1i、1j、1k、1l、1m、1n、1o、1p是固定金属电极，与压敏电阻连接构成惠斯通电桥电路。2a、2b、2c、2d、2e、2f是传感器的敏感单元(接触器)，6个接触器以500μm的间距排列，其目的在于模拟人类指纹间隙，同时接触器做成针尖状，其目的在于增加传感器与物体的可接触范围。3a、3b、3c、3d、3e、3f、3g、3h、3i、3j、3k、3l为微梁结构，微梁结构细节放大示意图如图3所示，微梁宽3μm，长60μm，连接质量块和芯片框架，右侧为微梁的放大图，c为微梁上的压敏电阻，每根微梁对应一个压敏电阻，压敏电阻长40μm，厚100nm，位于梁结构的中心。4a、4b、4c、4d、4e、4f为侧梁，侧梁结构细节放大示意图如图4所示，侧梁宽10μm，长180μm，c为侧梁上的压敏电阻，每根侧梁对应一个压敏电阻，压敏电阻长150μm，厚100nm，同样位于梁结构的中心。5a、5b、5c、5d、5e、5f为质量块。6为芯片框架。侧梁随着接触器的横向运动产生扭转变形，通过压敏电阻的变化检测传感器敏感部分受到的摩擦力，微梁随着接触器的竖直运动产生“直拉直压”变形，通过压敏电阻的变化检测传感器敏感部分受到的正压力。一个阵列单元包括2对微梁，1对侧梁，3对压敏电阻(其中2对位于微梁表面，1对位于侧梁表面)，传感器包括6个阵列单元，一共18对压敏电阻，其中12对压敏电阻(位于微梁表面)两两一组形成惠斯通电桥用于检测正压力，6对压敏电阻(位于侧梁表面)两两一组用于检测横向作用力。
39.图5为一种具有针状结构的触觉传感器阵列单元受到法向力时工作示意图。
40.图6为所述的触觉传感器上的微梁结构受力细节放大示意图。
41.本实例中受到法向力的工作原理如图5所示：接触器受到法向力作用时，带动顶部的质量块运动产生一定的位移，最终在微梁处产生轴向变形。其中d区放大示意图如图6所示，为微梁结构的工作原理。微梁的左端为固定端，右端为活动端。微梁的长度设计为远大于其宽度和厚度，在这种特性的作用下，受力后微梁在质量块的带动下产生轴向变形，将产生的绝大部分应变集中于微梁上。一根梁轴向拉伸，一根梁轴向压缩，长度变化均为δl，两根梁上形成应力差，最终导致掺杂的压敏电阻阻值发生变化。
42.图7为一种具有针状结构的触觉传感器阵列单元受到切向力时工作示意图。
43.本实例中受到切向力的工作原理：接触器的针状结构与物体表面接触，物体与接触点接触并产生反作用力，力信号通过接触器上的梁结构进行放大处理。受到切向作用力时，接触器产生一定角度的偏转，带动上方的侧梁变形形成应力差，压敏电阻位于侧梁中心，产生的变形和应力差通过电桥电路输出得到电压与电阻的线性关系。
44.图8为所设计的一种具有针状结构的阵列式触觉传感器中微硅梁的加工工艺流程图，具体工艺流程如下所述：
45.(a)准备一块上层硅厚度为20um、下硅层厚度为20um、中间氧化层厚度为10um、背面氧化层厚度为10um的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；
46.(b)高温氧化，光刻形成梁结构区。采用淡硼离子扩散工艺制作压敏电阻，然后进行热退火工艺；
47.(c)利用淡硼离子扩散再分布时形成氧化硅作为掩模覆盖压阻条，其余区域进行浓硼离子扩散工艺；
48.(d)在晶片正面溅射薄膜，形成掩膜图案，采用rie刻蚀工艺技术制作可移动结构；
49.(e)采用聚酰亚胺保护正面结构，在晶片背面厚涂光刻胶形成图案，采用drie刻蚀工艺技术蚀刻可移动传感器结构，用氢氟酸溶液蚀刻二氧化硅层，释放可移动结构。
50.本实例中，传感器采用的绝缘体上硅(soi)可以获得其他工艺难以得到的均匀结构以及高精度的材料参数，例如薄膜厚度，弹性系数，掺杂特性等，例如利用soi硅片的中间氧化硅层可以实现drie刻蚀的自停止腐蚀，精确确定结构各部分尺寸。
51.综上所述，该传感器具有高灵敏度、小型化、串扰小，可分离垂直作用力与切向作用力的特点，通过调节传感器微梁的位置、大小可以更有效的减小力与力之间的串扰问题和应力集中问题，采用的微梁结构集中了绝大部分的应力应变贡献于压敏电阻的检测，使该传感器具有更高的灵敏度。最后采用的针状接触器在减小接触面积的同时对力信号进行放大，增大传感器的分辨率，同时扩大可检测的物体范围。

技术特征：
1.一种具有针状结构的高灵敏度阵列式触觉传感器，其特征在于：包括金属电极、敏感单元、硅梁、压敏电阻和芯片框架；所述的敏感单元采用针状接触器，芯片框架内的多个接触器间距排列，用于模拟人类指纹横截面；所述的芯片框架为敏感单元和硅梁提供支撑作用，同时也作为压敏电阻检测电路的支撑平台；所述的金属电极位于硅芯片框架表面，用于与压敏电阻连接并形成惠斯通电桥；所述的压敏电阻位于硅梁上，每个敏感单元的纵向和横向运动分别由单独的压敏电阻连接成惠斯通电桥电路检测；所述的硅梁分为两组，一组由两根横向侧梁组成，以水平排列的方式分布于敏感单元顶端的两侧，另一组由四根微梁组成，微梁之间两两一组排列在质量块同侧的上下两端，其中微梁一端与芯片框架连接，另一端与质量块连接，所述质量块位于所述的敏感单元顶部；所述的微梁在受力过程中其变形为轴向拉伸或压缩，用于法向应力传感；所述的侧梁在受力过程中其变形为扭转，用于剪切应力传感。2.根据权利要求1所述的一种具有针状结构的高灵敏度阵列式触觉传感器，其特征在于：所述的接触器之间的间距为500
µ
m，接近人类皮肤平均指纹间隙。3.根据权利要求1所述的一种具有针状结构的高灵敏度阵列式触觉传感器，其特征在于：所述的接触器顶端设计为针尖状，用于减小敏感单元与物体的接触面积，扩大可检测的物体范围，增大传感器的分辨率。4.根据权利要求1所述的一种具有针状结构的高灵敏度阵列式触觉传感器，其特征在于：所述的压敏电阻通过在硅梁上表面掺杂得到。5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种具有针状结构的高灵敏度阵列式触觉传感器，其特征在于：所述的微梁宽为3
µ
m，长为60
µ
m，每根微梁上有一个压敏电阻，压敏电阻长为40
µ
m，厚为100nm。6.根据权利要求5所述的一种具有针状结构的高灵敏度阵列式触觉传感器，其特征在于：所述的侧梁宽为10
µ
m，长为180
µ
m，每根侧梁也有一个压敏电阻，压敏电阻长为150
µ
m，厚为100nm。7.根据权利要求6所述的一种具有针状结构的高灵敏度阵列式触觉传感器，其特征在于：质量块上的两组微梁之间间隔30
µ
m。

技术总结
本发明公开了一种具有针状结构的高灵敏度阵列式触觉传感器。本发明包括金属电极、敏感单元、硅梁、压敏电阻和芯片框架；本发明采用具有支撑结构的质量块连接接触器顶部与微梁结构达到检测和分离垂直作用力与横向作用力的效果。采用微梁结构，改变原有扭转变形，通过直拉直压模式，将绝大部分的应力应变集中于梁上，贡献于压敏电阻的检测，与传统的压阻式传感器相比，很大程度的提高了传感器的灵敏度。采用压阻原理对摩擦力、压力等触觉力进行测量，法向力与剪切力的测量皆采用梁结构，在相同的负载下，相比于电容式传感器，在以不损耗灵敏度的前提下，实现芯片的小型化。实现芯片的小型化。实现芯片的小型化。


技术研发人员：董林玺 钟妤馨 黄一马 刘超然 颜海霞 杨伟煌
受保护的技术使用者：杭州电子科技大学
技术研发日：2023.01.04
技术公布日：2023/9/23