申请/专利权人：杭州电子科技大学

申请日：2021-09-01

公开（公告）日：2024-04-19

公开（公告）号：CN113916433B

主分类号：G01L5/165

分类号：G01L5/165

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.19#授权;2022.01.28#实质审查的生效;2022.01.11#公开

摘要：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。

主权项：1.一种三维力和力矩解耦触觉传感器，其特征在于：包括中心质量块、围绕在中心质量块周围的电容检测单元、U型支撑梁结构、限位挡板和限位块；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；所述电容检测单元用于检测Z轴法向力、X轴方向切向力、Y轴方向切向力、X轴方向力矩和Y轴方向力矩；其中，用于检测Z轴法向力的所述电容检测单元由位于所述中心质量块上的上层硅电极与位于玻璃衬底上的固定金属电极形成的一个平行板电容组成，该玻璃衬底上的固定金属电极的尺寸小于中心质量块上的上层硅电极的尺寸，当对触觉传感器施加Z轴法向力时，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Z轴法向力检测；其中，用于检测X轴方向切向力的电容检测单元由位于中心质量块X轴方向的中心轴线上且分别位于中心质量块两侧的一对电容检测单元组成，用于检测Y轴方向切向力的电容检测单元由位于中心质量块Y轴方向的中心轴线上且分别位于中心质量块两侧的一对电容检测单元组成；用于检测X轴方向和Y轴方向切向力的每个电容检测单元均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，上层硅电极和下层固定金属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，差分电容对的输出值为零；在受到X轴方向和或Y轴方向切向力时，上层硅电极和下层固定金属电极发生相对位移，差分电容对的输出值发生改变，从而实现X轴方向和或Y轴方向切向力检测；其中，用于检测X轴方向力矩的电容检测单元由位于中心质量块X轴方向的中心轴线两侧且分别位于用于检测X轴方向切向力的一对电容检测单元两侧的两对电容检测单元组成，用于检测Y轴方向力矩的电容检测单元由位于中心质量块Y轴方向的中心轴线两侧且分别位于用于检测Y轴方向切向力的一对电容检测单元两侧的两对电容检测单元组成，用于检测X轴方向和Y轴方向力矩的每个电容检测单元均是通过倾斜极板的变间距原理实现检测的，其上层硅电极和下层固定金属电极均为栅型结构，并且其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，在触觉传感器受到X轴方向和或Y轴方向的力矩作用时，中心质量块带动用于检测X轴方向和或Y轴方向力矩的电容检测单元的上层硅电极发生旋转，产生位移；所述U型支撑梁分别设置于用于检测X轴方向和Y轴方向力矩的电容检测单元的上层硅电极与固定锚点的连接处，用于检测X轴方向和Y轴方向切向力的电容检测单元的上层硅电极与中心质量块及固定锚点的连接处，用于减小外力作用时对应上层硅电极的位移；所述限位块是位于用于检测X轴方向和Y轴方向切向力的电容检测单元的U型支撑梁底部的一块凸起，用于限制X轴方向和Y轴方向切向力的电容检测单元的上层硅电极的Z轴法向位移，消除Z轴法向力对检测X轴方向和Y轴方向切向力的电容检测单元的耦合作用；所述限位挡板位于用于检测X轴方向和Y轴方向切向力的电容检测单元的上层硅电极的两侧，使得触觉传感器受到X轴方向Y轴方向切向力时，检测X轴方向Y轴方向切向力的电容检测单元的上层硅电极沿X轴方向Y轴方向平移，同时限制检测Y轴方向X轴方向切向力的电容检测单元的上层硅电极的扭转，使得检测Y轴方向X轴方向切向力的电容检测单元无输出。

全文数据：

权利要求：

百度查询： 杭州电子科技大学 一种高灵敏度的三维力和力矩解耦触觉传感器结构

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