1.一种二维解耦力矩触觉传感器,其特征在于,包括玻璃基底和设于玻璃基底上的敏感块;
敏感块水平的四个侧面均依次设有角传感基板、弹性梁和支撑侧台,角传感基板的水平上表面设有上电极;
玻璃基底内与上电极相应的位置均设有底部电极;上电极与相应的底部电极形成平行板电容器;
支撑侧台与玻璃基底固定连接;
敏感块受力矩可使角传感基板发生角度偏移,从而改变平行板电容器的电容值;
敏感块位于整个传感器的中心位置;
所述角传感基板为格栅状,上电极铺设于角传感基板的每个格栅上表面;
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,εr为相对介电常数,S为上电极与对应底部电极的第一电极薄板或第二电极薄板的正对面积,d为上电极与底部电极形成的平行板电容器的极间距;
以敏感块的中心为原点,长宽高为XYZ轴,
传感器的输入信号为:Input=[MX,MY],MX其中为敏感块受到X方向的力矩,MY为敏感块受到Y方向的力矩;
输出信号为: 其中 为Y正方向的上电极与其正对的底部电极的之间形成的平行板电容器的电容值的变化量, 为Y负方向的上电极与其正对的底部电极之间形成的平行板电容器的电容值的变化量, 为X正方向的上电极与其正对的底部电极之间形成的平行板电容器的电容值的变化量, 为X负方向的上电极与其正对的底部电极之间形成的平行板电容器的电容值的变化量;
当受到X正方向的力矩时,敏感块绕X轴从Y正方向向Z正方向发生角度偏移,带动角传感基板同样发生从Y正方向向Z正方向发生角度偏移;设于X方向上的两个上电极与其对应底部电极的正对面积不发生改变,平均极间距不变,即 的值相同;设于Y正方向的上电极与其对应的底部电极之间的平均极间距增大,正对面积减小;设于Y负方向的上电极与其对应的底部电极之间的平均极间距减小,正对面积减小,即 的值不同,前者小于后者的;
当受到Y正方向的力矩时,敏感块绕Y轴从X负方向向Z正方向发生角度偏移,带动角传感基板同样发生从X负方向向Z正方向发生角度偏移;设于Y方向上的两个上电极与其对应底部电极的正对面积不发生改变,平均极间距不变,即 的值相同;设于X负方向的上电极与其对应的底部电极之间的平均极间距增大,正对面积减小;设于X负方向的上电极与其对应的底部电极之间的平均极间距减小,正对面积减小,即的值不同,前者大于后者;
通过四个上电极与其对应的底部电极之间形成的四个平行板电容器的电容值的变化量 的具体数值及其大小关系实现传感器对力矩大小的测量和方向的判别: 时,传感器受到X正向的力矩, 时,传感器受到X负向的力矩, 时,传感器未受到X方向的力矩, 时,传感器受到Y负向的力矩, 时,传感器受到Y正向的力矩, 时,传感器未受到Y方向的力矩。
2.根据权利要求1所述的一种二维解耦力矩触觉传感器,其特征在于,所述底部电极为长方形,敏感块为正方形,角传感基板的宽度等于敏感块的边长。
3.根据权利要求1所述的一种二维解耦力矩触觉传感器,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。
4.根据权利要求1所述的一种二维解耦力矩触觉传感器,其特征在于,所述上电极通过弹性梁和支撑侧台与外部电连接。
5.根据权利要求1所述的一种二维解耦力矩触觉传感器,其特征在于,所述弹性梁的最大形变量不超过角传感基板的格栅间距的十分之一。
6.一种二维解耦力矩触觉传感器MEMS制备方法,其特征在于,制备如权利要求1‑5任一项所述的一种二维解耦力矩触觉传感器,步骤如下,玻璃基底内的底部电极的制备如下:
步骤1)、选取厚度为400μm的玻璃片,清洗;
步骤2)、在玻璃片的正面溅射铝,铝的厚度为2μm;
步骤3)、玻璃正面涂胶,烘干,对玻璃正面的铝进行光刻;
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、角传感基板、弹性梁和支撑侧台的制备如下: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100‑120μm;
步骤104)、去胶并清洗硅片;
步骤105)、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106)、干法刻蚀,采用深反应离子刻蚀方法腐蚀硅,并刻透;光刻胶厚度根据减薄后硅片的刻蚀需要确定;
步骤107)、去胶,在硅片的表面形成2μm的二氧化硅氧化层;
步骤108)、在硅片的正面溅射铝,对硅片正面的铝进行光刻;
步骤109)、湿法腐蚀铝,然后去胶清洗;
步骤110)、干法刻蚀掉硅片背面的二氧化硅,清洗;
步骤111)、将硅片背面和玻璃正面进行静电键合;清洗键合片,分片。