[发明专利]一种柔性电容式触觉传感器的制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种柔性电容式触觉传感器的制作方法，属于柔性微机电系统MEMS技术领域。

背景技术

目前MEMS微机电系统传感器技术由于微加工技术不断进步也得到了迅速的发展，但是大多数传感器是基于常规微加工技术，在玻璃、硅、石英等刚性衬底上制作的。然而在实际应用中，随着对可贴附在任意高曲率物体表面的柔性结构传感器需求日益增长，刚性衬底微加工技术难以满足诸如机器人敏感皮肤、肢体修补技术、可折叠电子器件和可穿戴电子系统等特殊应用需求，这需要不断开发各种柔性MEMS技术来满足高曲率物体表面的温度、压力、硬度、热导等物理量的测量需要。与硅基MEMS传感器技术发展相比，柔性MEMS技术起步相对比较晚。早在1985年，BarthP.W.Barth，S.L.Bernard，J.B.Angell.IEEE Transducers Electron.Device，1985，ED-32(7)：1202等人报道了有关一维柔性硅二极管温度传感器阵列结构，这种柔性结构的温度传感器可以植入患者的肿瘤部位进行高温治疗。但这种柔性器件的特点是其硅岛利用各向同性腐蚀形成，硅岛边缘容易破坏而导致电路出现故障。1994年Beebe和DentonD.J.Beebe，D.D.Denton.，Sensors and Actuators，1994，A(44)：57利用相似的方法提出改善柔性聚酰亚胺皮肤的坚固性和可靠性想法，但并没有制作出相关的器件，直到2000年Fukang JiangF.K.Jiang，G.B.Lee，Y.C.Tai，et al，Sensors and Actuators，2000，A(79)：194等人采用各向异性干法刻蚀形成许多类似“三明治”结构的硅岛，然后用柔性聚酰亚胺薄膜将这些的独立硅岛包覆起来形成三维的柔性剪应力传感器阵列，而且该传感器已成功实现了无人驾驶飞行器的三角机翼气体分离情况的即时探测，由于采用各向异性腐蚀形成硅岛，大大提高了整个柔性器件的结构强度，这种先进的柔性剪切力传感器技术的发明为柔性MEMS技术发展开辟了新的前景。

众所周知，触觉是机器人实现与外界环境直接作用的不可缺少的媒介，触觉传感系统的发展是机器人传感器技术领域的一个必不可少的部分，通过与外界环境的接触，一个完整的触觉信息包括法向力，切向力，硬度、温度、滑移等信息量的融合。而触觉力传感器系统由于其广泛应用一直备受研究人员的关注，尤其在机器人触觉传感器系统和生物机械传感器系统中智能皮肤、肢体修补技术等应用非常广泛。关于触觉力传感器的报道较多，但大多数结构仅限于法向力或者切向力的单向力感知，有些结构，如Kane和Cutkosky(Kane，B.J.，Cutkosky，M.R.，and Kovacs，G.T.A.，Sensors andActuators 1996，A(54)：511～516)等人研制的高分辨率触觉力传感器，虽然该传感器能同时探测到切向力和法向力的分布，但由于器件是非柔性刚性结构，不适合于曲面接触力的测量。Zhu和SpronckF.Zhu，J.W.Spronck.Sensors andActuators 1992，A(31)：115～120研究的柔性触觉力传感器只能同时探测到正向力和一维切向力的分布，然而在机器人传感器系统中往往需要探测两个方向的切向力分布情况，上述各种情况都不足以全面精确评价表面接触情况。最近Santos等学者R.F.Santos，P.F.Rocha，et al.EEE ISIE 2005，June 20-23，2005，Dubrovnik，Croatia，1539～1544)报道了一种能同时测量三向力的柔性触觉力传感器，该传感器尺寸比较大，而且制造工艺与MEMS加工技术不兼容，很难实现批量生产。

总之，一个理想触觉力传感器，应该能同时捕捉到被接触物体切向力和法向力多个方向力的分布情况，而且器件结构柔性好，结构轻薄，持久耐用，抗过载能力强，制造工艺简单，成本低廉，并能与当前的微加工技术兼容，可批量生产，而且可方便与其他传感器集成在一起。智能皮肤与人体皮肤相差甚远，将尽可能多的触觉信息融合在一起的柔性皮肤触觉传感器技术是未来柔性MEMS皮肤技术发展的重要方向。

发明内容

本发明弥补了普通电容式触觉传感器制作方法的许多不足之处，提供了一种能低成本、高成品率的制造出柔韧、轻薄的电容式触觉传感器的方法。与硅基触觉传感器相比，采用本发明所述方法制作的柔性电容式触觉传感器可贴附在任意复杂几何形状物体表面同时感受法向力和切向力的大小。