[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

说明书

本发明涉及一种高灵敏度的三维力和力矩解耦触觉传感器结构。本发明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；本发明选择栅型电容作为触觉传感器的力检测单元，通过差分检测方式实现力的检测，具有更高的灵敏度和更好的线性度；选择栅型电容作为触觉传感器的力矩检测单元，通过倾斜极板电容原理实现力矩检测；通过设计不同的电极结构和尺寸，实现了多维力与力矩的解耦，具有更小的维间串扰。

技术领域

本发明涉及三维力和力矩解耦触觉传感器领域，具体是一种结构解耦的、高灵敏度的、多自由度检测的三维力和力矩触觉传感器。

背景技术

触觉传感器是用于检测接触、压觉、滑觉和冷热觉等物理特征量的一类传感器，广泛应用于电子产品、机器人工业和康复医疗等领域。触觉传感器在智能机器人领域主要用于机器人皮肤和机械手，通过检测接触物体的压力、滑移、温度等信息，提取接触物体的刚度、形状和大小信息，实现对操作目标的检测和识别功能，目前已经有许多的成果诞生并投入到实际应用中。

触觉传感器依据检测原理可以分为电容式、压阻式、压电式、光电式、磁敏式、超声式等，其中，电容式和压阻式是当前被研究最多的两大类触觉传感器。压阻式触觉传感器具有高灵敏度和高分辨率，缺点是受温度影响大，与之相比，电容式传感器具有更好的温度稳定性、动态响应好而且功耗低，因此应用更为广泛。

电容式触觉传感器是通过外力作用使电容值发生改变来实现检测的。电容式触觉传感器从检测原理来看分为三种：一种是通过改变平行板电极之间的正对面积S使电容值发生改变，第二种是通过改变平行板电极之间的距离d，第三种是通过改变电极之间介质的相对介电常数，其中变面积式电容传感器和变间距电容传感器应用比较广泛。变间距式电容传感器灵敏度高，适用于微米级别的较小位移的测量，但存在线性误差，除此之外杂散电容对灵敏度和精确度也有一定影响。变面积式电容传感器线性度高，但与变间距式传感器相比，在相同的位移下电容变化量更小，灵敏度较低，适用于较大的直线位移或者角位移的测量。

除了平行板电容以外，还有一种倾斜极板电容可用于实现力或位移的检测。当传感器受到外力作用时，平行极板的一侧发生倾斜，另一侧固定不动，导致两个极板由平行状态变为倾斜状态。倾斜极板电容的计算问题是个难点，在国内外研究过程中，研究人员通常是用比较复杂的积分算法来计算电容，除此之外还可以通过倾斜角计算电容变化值。

多维触觉传感器维间耦合问题是指传感器在某一维上施加外力，由于受到传感器结构布局和加工工艺的影响，其它维度也有输出。现有的MEMS触觉传感器大都只实现了三维力检测，且存在比较明显的维间串扰现象，使触觉传感器的测量精度受到影响。因此，消除多维触觉传感器的维间耦合对提高传感器性能具有很大意义。

消除耦合的方法分为两种，一种是通过解耦算法进行消除，比如最小二乘法、BP神经网络算法等：另一种是从根源消除解耦，即通过优化传感器结构和提高加工工艺的方法实现。相比解耦算法，结构解耦实现起来是比较复杂的。

在MEMS传感器中，一种常用的力检测方式是通过检测梳齿电容或栅型电容的变化量，采用这种检测方式最典型的传感器是电容加速度计。一般梳齿电容检测方式是通过变间距原理来实现的，而栅型电容则是通过变面积原理实现检测的，栅型电容通常设计为差分结构：一个上层硅电极与玻璃衬底上的两个固定梳齿电极组成差分电容对，在受到外力作用时，质量块发生位移导致差分电容值发生变化。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种高灵敏度的三维力和力矩解耦触觉传感器，它采用栅型电极结构，可以精确检测X、Y方向的切向力和Z方向的法向力，同时可以检测X、Y轴的力矩，实现了多个自由度受力信息的检测。

本发明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；