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

一種三維解耦力觸覺傳感器，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、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，Z軸負(fù)方向設(shè)有底電極；位移電極組件包括位移基板、兩個彈性梁、U形支撐側(cè)臺和限位塊，位移基板設(shè)有上電極；玻璃基底內(nèi)設(shè)有下電極；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。本發(fā)明的傳感器體積小，通過受力時平行板電容器組電容值的改變值的不同，測量和確定所受力的大小和方向，靈敏度高，能夠?qū)崿F(xiàn)輸入與輸出的解耦。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及觸覺傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及三維力與其對應(yīng)輸出的變化電容的結(jié)構(gòu)解耦及傳感器的MEMS方法。

背景技術(shù)

隨著智能機(jī)器人和智能假肢技術(shù)的發(fā)展，觸覺傳感器以其適應(yīng)復(fù)雜表面結(jié)構(gòu)和實時傳感的優(yōu)勢受到了廣泛的關(guān)注。在實際生活中，智能機(jī)器人、生物醫(yī)療等方面的一些具體應(yīng)用場景對觸覺傳感器提出了三維力檢測的要求。

目前，現(xiàn)有的三維力觸覺傳感器在平衡測量范圍和靈敏度感知方面仍有改善空間，需要設(shè)計新型結(jié)構(gòu)，以在一定測力范圍內(nèi)實現(xiàn)三維接觸力高靈敏檢測。

三維力傳感器由于機(jī)械加工精度，結(jié)構(gòu)設(shè)計原理等原因，維間耦合是普遍存在的，即力信號與對應(yīng)的輸出信號之間存在著較強(qiáng)的耦合作用。想要提高三維力傳感器的測量精度，消滅維間耦合是至關(guān)重要的。

減小維間耦合通常采用解耦算法來實現(xiàn)，常用的解耦算法有：線性靜態(tài)校準(zhǔn)和解耦方法，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的解耦方法，基于極限學(xué)習(xí)機(jī)器算法的解耦方法。但這些算法存在著解耦準(zhǔn)確度不高，計算過于復(fù)雜等缺點。

因此，迫切需要研制出一種體積小、靈敏度高、解耦力度大的三維解耦力觸覺傳感器。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種體積小、靈敏度高、解耦力度大，分辨率高，能對輸入——力、輸出——變化的電容，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)解耦的電容式三維解耦力觸覺傳感器。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種三維解耦力觸覺傳感器，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、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、兩個彈性梁和U形支撐側(cè)臺，位移基板設(shè)有上電極；兩個彈性梁分別設(shè)于位移基板相對的兩側(cè)；其中一個彈性梁與敏感塊連接，另一個彈性梁與U形支撐側(cè)臺連接；

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；

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。

優(yōu)選的，所述位移基板為格柵狀，上電極鋪設(shè)于位移基板的每個格柵上表面。

優(yōu)選的，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構(gòu)成，上電極與第一電極薄板的正對面積等于上電極與第二電極薄板的正對面積。所述頂電極與底電極正對面積始終保持不變。

優(yōu)選的，所述彈性梁呈十字狀，包括兩個豎梁和設(shè)于兩個豎梁之間的相對的兩個U形硅懸臂梁。

在傳感器受到平行于豎梁方向的力時，所述U形硅懸臂梁可發(fā)生一定的形變量，在保證彈性梁韌性的同時可增大其形變面積；在受到垂直于豎梁方向的力時，彈性梁的形變由豎梁承擔(dān)，豎梁長度越長，受到相同大小的力是，其彎曲角度越小，韌性越好。在受到三維方向的合力時，豎梁同樣能將平行于豎梁方向的力傳遞至U形硅懸臂梁，使其產(chǎn)生相應(yīng)的形變。