[发明专利]一种三维解耦力触觉传感器及MEMS制备方法

说明书

一种三维解耦力触觉传感器，包括玻璃基底和设于玻璃基底上的敏感块；以敏感块的中心为原点、长宽高作为XYZ轴，敏感块的X轴正向方和Y轴正方向均设有位移电极组件，敏感块的X轴负方向和Y轴负方向均设有支撑组件；敏感块的Z轴正方向设有顶电极，Z轴负方向设有底电极；位移电极组件包括位移基板、两个弹性梁、U形支撑侧台和限位块，位移基板设有上电极；玻璃基底内设有下电极；上电极与相应的下电极、顶电极与底电极形成平行板电容器；敏感块受力可改变平行板电容器的电容值。本发明的传感器体积小，通过受力时平行板电容器组电容值的改变值的不同，测量和确定所受力的大小和方向，灵敏度高，能够实现输入与输出的解耦。

技术领域

本发明涉及触觉传感器技术领域，具体涉及三维力与其对应输出的变化电容的结构解耦及传感器的MEMS方法。

背景技术

随着智能机器人和智能假肢技术的发展，触觉传感器以其适应复杂表面结构和实时传感的优势受到了广泛的关注。在实际生活中，智能机器人、生物医疗等方面的一些具体应用场景对触觉传感器提出了三维力检测的要求。

目前，现有的三维力触觉传感器在平衡测量范围和灵敏度感知方面仍有改善空间，需要设计新型结构，以在一定测力范围内实现三维接触力高灵敏检测。

三维力传感器由于机械加工精度，结构设计原理等原因，维间耦合是普遍存在的，即力信号与对应的输出信号之间存在着较强的耦合作用。想要提高三维力传感器的测量精度，消灭维间耦合是至关重要的。

减小维间耦合通常采用解耦算法来实现，常用的解耦算法有：线性静态校准和解耦方法，基于BP神经网络的解耦方法，基于极限学习机器算法的解耦方法。但这些算法存在着解耦准确度不高，计算过于复杂等缺点。

因此，迫切需要研制出一种体积小、灵敏度高、解耦力度大的三维解耦力触觉传感器。

发明内容

本发明的目的是为了弥补现有技术的不足，提供一种体积小、灵敏度高、解耦力度大，分辨率高，能对输入——力、输出——变化的电容，实现结构解耦的电容式三维解耦力触觉传感器。

为实现上述目的，本发明提供一种三维解耦力触觉传感器，包括玻璃基底和设于玻璃基底上的敏感块；

以敏感块的中心为原点、长宽高作为XYZ轴，敏感块的X轴正向方和Y轴正方向均设有位移电极组件，敏感块的X轴负方向和Y轴负方向均设有支撑组件；敏感块的Z轴正方向设有顶电极；

位移电极组件包括位移基板、两个弹性梁和U形支撑侧台，位移基板设有上电极；两个弹性梁分别设于位移基板相对的两侧；其中一个弹性梁与敏感块连接，另一个弹性梁与U形支撑侧台连接；

玻璃基底内与位移电极组件相应的位置均设有下电极；

上电极与相应的下电极、顶电极与底电极形成平行板电容器；

敏感块受力可改变平行板电容器的电容值。

优选的，所述位移基板为格栅状，上电极铺设于位移基板的每个格栅上表面。

优选的，所述下电极由梳齿状的第一电极薄板和第二电极薄板相互交错构成，上电极与第一电极薄板的正对面积等于上电极与第二电极薄板的正对面积。所述顶电极与底电极正对面积始终保持不变。

优选的，所述弹性梁呈十字状，包括两个竖梁和设于两个竖梁之间的相对的两个U形硅悬臂梁。

在传感器受到平行于竖梁方向的力时，所述U形硅悬臂梁可发生一定的形变量，在保证弹性梁韧性的同时可增大其形变面积；在受到垂直于竖梁方向的力时，弹性梁的形变由竖梁承担，竖梁长度越长，受到相同大小的力是，其弯曲角度越小，韧性越好。在受到三维方向的合力时，竖梁同样能将平行于竖梁方向的力传递至U形硅悬臂梁，使其产生相应的形变。