[发明专利]一种高灵敏度的三维力和力矩解耦触觉传感器结构

权利要求书

1.一种三维力和力矩解耦触觉传感器结构，其结构特征在于：包括中心质量块和围绕在中心质量块周围的电容检测单元；

所述的中心质量块作为受力单元，将施加在触觉传感器上的力和力矩传递给相应的电容检测单元进行检测，所述中心质量块与玻璃衬底上的固定金属电极形成一个平行板电容用于检测Z轴法向力；

其中用于检测X方向和Y方向切向力的力检测单元位于传感器质量块中间位置，在中心轴线上，每个方向上存在一对检测电容；力检测单元由上层硅电极和下层固定金属电极组成，上层硅电极为栅型结构，下层固定金属电极为梳齿结构，上下电极之间形成一对差分电容对；触觉传感器在未受力状态时，差分电容输出值为零；在受到切向力时，上下极板发生相对位移，差分电容值发生改变，从而实现切向力的检测；

其中用于检测X轴和Y轴方向力矩的力矩检测单元位于中心质量块的四周，在力检测单元的两侧位置，力矩检测单元是通过倾斜极板的变间距原理实现检测的，在触觉传感器受到力矩作用时，中心质量块带动力矩检测单元的上层硅电极发生旋转，产生位移。

2.根据权利要求1所述的一种三维力和力矩解耦触觉传感器结构，其特征在于：所述触觉传感器通过一根U型支撑梁连接方式将力检测单元的上层硅电极与中心质量块连接起来，用于减小外力作用时上层硅电极的位移，从而提高力检测范围；所述触觉传感器通过另一根U型支撑梁连接方式将力检测单元的上层硅电极与固定锚点相连，固定锚点固定在玻璃衬底上。

3.根据权利要求1所述的一种三维力和力矩解耦触觉传感器结构，其特征在于：所述力检测单元的上层硅电极两侧还存在限位挡板，当触觉传感器受到X方向力时，X方向力检测单元的上层硅电极沿X轴平移，此时Y方向力检测单元的上层硅电极发生扭转，限位挡板的存在用于限制Y方向力检测单元上层硅电极的扭转，使得Y方向力检测单元无输出。

4.根据权利要求2所述的一种三维力和力矩解耦触觉传感器结构，其特征在于：所述力检测单元与质量块之间的U型支撑梁下方设置一个限位块，限位块是U型支撑梁的一部分，限位块与玻璃衬底之间存在一定间隙；沿Z轴施加法向力时，中心质量块下移带动U型支撑梁与力检测单元的上层硅电极下移，由于限位块接触到玻璃衬底后会受到玻璃衬底的支撑作用，会限制力检测单元上层硅电极的法向位移，消除法向力对切向的力检测单元的耦合作用。

5.根据权利要求1所述的一种三维力和力矩解耦触觉传感器结构，其特征在于：所述中心质量块作为Z轴法向力检测单元的上层硅电极，玻璃衬底上的固定金属电极为正方形平面电极，该固定金属电极的尺寸要小于中心质量块的尺寸；当对触觉传感器施加法向力时，中心质量块与玻璃衬底上的固定金属电极之间的距离发生变化导致电容值改变，从而实现法向力检测。

6.根据权利要求1所述的一种三维力和力矩解耦触觉传感器结构，其特征在于：用于检测X轴的力矩检测单元在X方向上有四个，用于检测Y轴的力矩检测单元在Y方向上有四个，每个力矩检测单元均由上层硅电极和下层固定金属电极组成。

7.根据权利要求6所述的一种三维力和力矩解耦触觉传感器结构，其特征在于：力矩检测单元中的上层硅电极为栅型结构，下层固定金属电极也是栅型结构；上层硅电极栅条的长度和宽度均大于下层固定金属电极栅条的长度和宽度，且两电极的栅型条数相同；所述的触觉传感器通过一字梁连接方式将力矩检测单元的上层硅电极与中心质量块连接起来。

8.根据权利要求6所述的一种三维力和力矩解耦触觉传感器结构，其特征在于：力矩检测单元中的上层硅电极为栅型结构，下层固定金属电极为矩形平面电极；下层固定金属电极的长度大于上层硅电极的总长度，宽度小于固定金属电极的总宽度；所述的触觉传感器通过一字梁连接方式将力矩检测单元的上层硅电极与中心质量块之间连接起来。

9.根据权利要求1所述一种三维力和力矩解耦触觉传感器结构，其特征在于：中心质量块的厚度大于上层硅电极的厚度；力检测单元与力矩检测单元上表面与中心质量块上表面位于同一平面上，便于电极引出。