[发明专利]一种三维解耦力触觉传感器及MEMS制备方法

权利要求书

1.一种三维解耦力触觉传感器，其特征在于，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，与顶电极相应的位置设有底电极；

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；

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；

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。

2.根据权利要求1所述的一种三维解耦力触觉传感器，其特征在于，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。

3.根据权利要求1所述的一种三维解耦力触觉传感器，其特征在于，所述位移电极组件还包括限位块，所述限位块包括两个水平限位块和一个垂直限位块，所述水平限位块分别设于位移基板未设弹性梁的另外两侧，用于限制位移电极组件在水平限位块所设一侧的位移；垂直限位块设于与敏感块连接的弹性梁的Z轴负方向，用于限制位移电极组件在Z轴方向上的位移。

4.根据权利要求1所述的一种三维解耦力触觉传感器，其特征在于，所述位移基板宽度小于敏感块宽度，所述位移基板的每个格栅间距均相等；所述第一电极薄板和第二电极薄板的每个梳齿的间距均相等。

5.根据权利要求1所述的一种三维解耦力触觉传感器，其特征在于，所述弹性梁的最大形变量不超过第一电极薄板单个梳齿的宽度的二分之一。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种三维解耦力触觉传感器，其特征在于，平行板电容器的电容值的计算公式为：

其中，ε₀为真空介电常数，ε_r为相对介电常数，S为上电极与对应下电极的第一电极薄板或第二电极薄板的正对面积，或S为顶电极与底电极的正对面积，d为上电极与下电极或顶电极与底电极形成的平行板电容器的极间距。

7.根据权利要求6所述的一种三维解耦力触觉传感器，其特征在于，传感器的输入信号为：Input＝[F_X，F_Y，F_Z]，其中F_X为敏感块受到X方向的力，F_Y为敏感块受到Y方向的力；F_Z为敏感块受到的Z方向的力；

输出信号为：其中为X方向的上电极与其正对的下电极的第一电极薄板之间形成的平行板电容器的电容值的变化量，为X方向的上电极与其正对的下电极的第二电极薄板之间形成的平行板电容器的电容值的变化量，为Y方向的上电极与其正对的下电极的第一电极薄板之间形成的平行板电容器的电容值的变化量,为Y方向的上电极与其正对的下电极的第二电极薄板之间形成的平行板电容器的电容值的变化量，为顶电极与底电极之间形成的平行班电容器的电容值的变化量。

8.一种三维解耦力触觉传感器MEMS制备方法，其特征在于，制备如权利要求1-7任一项所述的一种三维解耦力触觉传感器，步骤如下，

玻璃基底内的下电极的制备如下：

步骤1)、选取厚度为200μm的玻璃片，清洗；

步骤2)、在玻璃片的背面溅射铝，铝的厚度为2μm；

步骤3)、玻璃背面涂胶，烘干，对玻璃背面的铝进行光刻；

步骤4)、湿法腐蚀掉部分铝；

步骤5)、去除光刻胶并清洗；

敏感块、位移电极组件和支撑组件的制备如下：

步骤101)、选取双抛光、厚度为400μm的四寸硅片，清洗

步骤102)、在硅片背面涂胶，烘3分钟，对硅片背面进行；

步骤103)、干法刻蚀，将未被保护的硅片部分减薄至390～395μm；

步骤104)、去胶并清洗硅片；

步骤105)、硅片背面涂厚胶，烘3分钟，对硅片背面进行光刻；

步骤106)、干法刻蚀，将未被保护的硅片部分减薄至160～200μm；

步骤107)、去胶并清洗硅片；

步骤108)、硅片背面涂厚胶，控制前烘、后烘时间，对硅片背面进行光刻；

步骤109)、干法刻蚀，采用深反应离子刻蚀方法刻蚀硅，并刻透；厚胶的厚度根据减薄后的硅片的刻蚀需要确定；

步骤110)、去胶，在硅片的表面形成2um的二氧化硅氧化层；

步骤111)、在硅片的正面溅射铝，对硅片正面的铝进行光刻；

步骤112)、湿法腐蚀铝，然后去胶清洗；

步骤113)、在硅片的背面干法刻蚀掉二氧化硅，清洗；

步骤114)、硅片背面和玻璃正面进行静电键合；清洗键合片，分片。