[發(fā)明專利]一種三維解耦力觸覺傳感器及MEMS制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110499184.0
• 申請(qǐng)日: 2021-05-08
• 公開（公告）號(hào): CN113280967B
• 公開（公告）日: 2022-04-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉超然;陸稞;董林璽;車錄鋒;王高峰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 杭州電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G01L5/165
• 分類號(hào): G01L5/165;B81C1/00;B81B7/02
• 代理公司: 浙江千克知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33246
• 代理人: 周希良

1.一種三維解耦力觸覺傳感器，其特征在于，包括玻璃基底和設(shè)于玻璃基底上的敏感塊；

以敏感塊的中心為原點(diǎn)、長寬高作為XYZ軸，敏感塊的X軸正向方和Y軸正方向均設(shè)有位移電極組件，敏感塊的X軸負(fù)方向和Y軸負(fù)方向均設(shè)有支撐組件；敏感塊的Z軸正方向設(shè)有頂電極；

位移電極組件包括位移基板、兩個(gè)彈性梁和U形支撐側(cè)臺(tái)，位移基板設(shè)有上電極；兩個(gè)彈性梁分別設(shè)于位移基板相對(duì)的兩側(cè)；其中一個(gè)彈性梁與敏感塊連接，另一個(gè)彈性梁與U形支撐側(cè)臺(tái)連接；

玻璃基底內(nèi)與位移電極組件相應(yīng)的位置均設(shè)有下電極，與頂電極相應(yīng)的位置設(shè)有底電極；

上電極與相應(yīng)的下電極、頂電極與底電極形成平行板電容器；

敏感塊受力可改變平行板電容器的電容值；

所述位移基板為格柵狀，上電極鋪設(shè)于位移基板的每個(gè)格柵上表面；

所述下電極由梳齒狀的第一電極薄板和第二電極薄板相互交錯(cuò)構(gòu)成，上電極與第一電極薄板的正對(duì)面積等于上電極與第二電極薄板的正對(duì)面積；所述頂電極與底電極正對(duì)面積始終保持不變。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維解耦力觸覺傳感器，其特征在于，彈性梁呈十字狀，包括兩個(gè)豎梁和設(shè)于兩個(gè)豎梁之間的相對(duì)的兩個(gè)U形硅懸臂梁。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維解耦力觸覺傳感器，其特征在于，所述位移電極組件還包括限位塊，所述限位塊包括兩個(gè)水平限位塊和一個(gè)垂直限位塊，所述水平限位塊分別設(shè)于位移基板未設(shè)彈性梁的另外兩側(cè)，用于限制位移電極組件在水平限位塊所設(shè)一側(cè)的位移；垂直限位塊設(shè)于與敏感塊連接的彈性梁的Z軸負(fù)方向，用于限制位移電極組件在Z軸方向上的位移。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維解耦力觸覺傳感器，其特征在于，所述位移基板寬度小于敏感塊寬度，所述位移基板的每個(gè)格柵間距均相等；所述第一電極薄板和第二電極薄板的每個(gè)梳齒的間距均相等。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維解耦力觸覺傳感器，其特征在于，所述彈性梁的最大形變量不超過第一電極薄板單個(gè)梳齒的寬度的二分之一。

6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的一種三維解耦力觸覺傳感器，其特征在于，平行板電容器的電容值的計(jì)算公式為：

其中，ε₀為真空介電常數(shù)，ε_r為相對(duì)介電常數(shù)，S為上電極與對(duì)應(yīng)下電極的第一電極薄板或第二電極薄板的正對(duì)面積，或S為頂電極與底電極的正對(duì)面積，d為上電極與下電極或頂電極與底電極形成的平行板電容器的極間距。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種三維解耦力觸覺傳感器，其特征在于，傳感器的輸入信號(hào)為：Input＝[F_X，F(xiàn)_Y，F(xiàn)_Z]，其中F_X為敏感塊受到X方向的力，F(xiàn)_Y為敏感塊受到Y(jié)方向的力；F_Z為敏感塊受到的Z方向的力；

輸出信號(hào)為：其中為X方向的上電極與其正對(duì)的下電極的第一電極薄板之間形成的平行板電容器的電容值的變化量，為X方向的上電極與其正對(duì)的下電極的第二電極薄板之間形成的平行板電容器的電容值的變化量，為Y方向的上電極與其正對(duì)的下電極的第一電極薄板之間形成的平行板電容器的電容值的變化量,為Y方向的上電極與其正對(duì)的下電極的第二電極薄板之間形成的平行板電容器的電容值的變化量，為頂電極與底電極之間形成的平行班電容器的電容值的變化量。

8.一種三維解耦力觸覺傳感器MEMS制備方法，其特征在于，制備如權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的一種三維解耦力觸覺傳感器，步驟如下，

玻璃基底內(nèi)的下電極的制備如下：

步驟1)、選取厚度為200μm的玻璃片，清洗；

步驟2)、在玻璃片的背面濺射鋁，鋁的厚度為2μm；

步驟3)、玻璃背面涂膠，烘干，對(duì)玻璃背面的鋁進(jìn)行光刻；

步驟4)、濕法腐蝕掉部分鋁；

步驟5)、去除光刻膠并清洗；

敏感塊、位移電極組件和支撐組件的制備如下：

步驟101)、選取雙拋光、厚度為400μm的四寸硅片，清洗

步驟102)、在硅片背面涂膠，烘3分鐘，對(duì)硅片背面進(jìn)行；

步驟103)、干法刻蝕，將未被保護(hù)的硅片部分減薄至390～395μm；

步驟104)、去膠并清洗硅片；

步驟105)、硅片背面涂厚膠，烘3分鐘，對(duì)硅片背面進(jìn)行光刻；

步驟106)、干法刻蝕，將未被保護(hù)的硅片部分減薄至160～200μm；

步驟107)、去膠并清洗硅片；

步驟108)、硅片背面涂厚膠，控制前烘、后烘時(shí)間，對(duì)硅片背面進(jìn)行光刻；

步驟109)、干法刻蝕，采用深反應(yīng)離子刻蝕方法刻蝕硅，并刻透；厚膠的厚度根據(jù)減薄后的硅片的刻蝕需要確定；

步驟110)、去膠，在硅片的表面形成2um的二氧化硅氧化層；

步驟111)、在硅片的正面濺射鋁，對(duì)硅片正面的鋁進(jìn)行光刻；

步驟112)、濕法腐蝕鋁，然后去膠清洗；

步驟113)、在硅片的背面干法刻蝕掉二氧化硅，清洗；

步驟114)、硅片背面和玻璃正面進(jìn)行靜電鍵合；清洗鍵合片，分片。