用于人工指尖触觉感应的柔性MEMS电容式压力传感器研究

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基于柔性材料的微型压力传感器对机器人手指的触觉建立是近年来的热门研究领域,在满足人类指尖触觉分辨率的前提下,如何进一步改善指尖触觉场景中微型压力传感器的灵敏度和线性度是当前国内外的研究焦点之一。为克服传统指尖触觉传感器的灵敏度低和线性度差等问题,本文提出了一种用于指尖触觉感应的柔性MEMS电容式压力传感器。传感器基于柔性的聚酰亚胺材料构建,采用柔性极板和倒凸形空腔的设计,改变了敏感薄膜的受力形变特征,极大地优化了线性度和灵敏度,且空间分辨率达到亚毫米级。此外,利用有限元软件针对传感器的线性度和灵敏度,进行了结构搭建、工作机制和可靠性分析。根据仿真结果,完成了传感器工艺流程及掩模版图的设计,设计了与之匹配的微小电容检测电路。论文的主要研究工作和创新点如下:(1)设计了一种新型的柔性MEMS电容式压力传感器结构,可消除传统接触式电容压力传感器由非接触状态到接触状态高度非线性的过渡区,使得传感器响应具有两段连续的高线性区间。且传感器的灵敏度很高,在人类指尖的压力感受范围内,通过仿真分析,在接触压力为0~15 k Pa和15~120 k Pa区间,灵敏度分别为4.17 f F/k Pa和0.28 f F/k Pa。(2)设计的柔性MEMS电容式压力传感器能够适应不同厚度的人工指尖真皮环境,在厚度为0~400μm时,其两段线性响应灵敏度范围分别为4.17~2.01 f F/k Pa和0.28~0.20 f F/k Pa,量程由120 k Pa扩展至180 k Pa。提供了一种灵活的触觉单元实现方法。(3)通过有限元仿真工具进行应力分析和谐响应分析,该传感器结构具有良好的应力分布和频率带宽。此外,设计了传感器的制备工艺流程,并且以8×8的触觉阵列为例设计了对应的掩模版图,具有实用性和参考价值。(4)针对该传感器的电容量很小这一特点,基于交流电桥设计了飞法级的微电容检测电路,仿真结果显示,该检测电路具有良好的线性、稳定性以及4.36 m V/f F的高测量灵敏度。
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