一种多功能类皮肤型传感器

摘要

一种用于测量机械手手爪接触面上受力情况的多功能类肤型传感器，它属于机器人传感器领域。该传感器包括敏感阵列和信息处理系统，敏感阵列由表面覆盖层、敏感单元阵列、传力阵列、保护阵列和基板构成；信息处理系统由控制放大单元和数据转换处理机构成；传感器信号采用双重解耦，利用半导体工艺和微机械加工技术，在硅片上制成４×８三维力敏阵列，辅以高速、多路数据采集信息解释与融合技术，获得触觉、滑觉、压觉、力觉信息。

主权项

1.一种多功能类皮肤型传感器，包括敏感阵列和信号处理系统，敏感阵列为一扁平长方体，由表面覆盖层，敏感单元阵列、敏感元件、传力阵列、保护阵列和基板构成，表面覆盖层粘贴有可反映实际受力分布的柔性橡胶膜片，敏感单元阵列由32个对法向、切向三个力分量均具有力敏特性的敏感单元以4×8阵列方式构成，传力阵列由安装在各敏感单元中心的32个传力柱组成，保护阵列安装在敏感阵列下面起过载保护作用，基板是敏感阵列的安装结构板，在上面印制了镀金引线电极，用于敏感阵列的内部和外部引线；信号处理系统由控制放大单元和数据转换处理机构成；其特征在于：所述的敏感元件为硅掺杂电阻，利用半导体工艺中的离子注入、光刻，在相应位置上制作多个电阻，并采用各向异性腐蚀技术在硅片上刻蚀出一定的”E”形膜片，腐蚀液为33％KOH，温度76℃，电阻按一定规律构成桥路，形成敏感单元的基本结构，反映出作用在”E”形膜上多方向力的变化；”E”形膜片在结构设计中a＝0.5mm、b＝1.5mm、t＝80um，弹性膜量E＝1.67×10N11/m2，泊松比σ＝0.3按方块图所示位置和接线可以组成三组单独的电阻网络，它们的输出电压变化量分别与法向力Fz和两个切向力Fx.Fy 相对应，其中切向力信息获取采用了非弯矩方式，这些力信号通过信号处理系统处理，转换成所需的力觉、接触觉、压觉和滑觉信息；所述的E型膜片在敏感结构设计与加工实验中，E形膜片的最佳厚度为65～70μm.在受到法向力和切向力作用时，其应力、应变、和变形有如下关系：法向力 Fn＝2N时：径向应力σr/r＝a＝80MPa sr/r＝b＝-127MPa切向应力st/r＝a＝24MPa st/r＝b＝-38MPa径向应变sr/r＝a＝438×10-6 er/r＝b＝-699×10-6 切向力 Ft＝0.4N时：最大应力σmax＝48MPa，中心转角θ＝0.38×10rad；所述的硅掺杂电阻，工艺采用离子注入技术实现，其工艺参数为：方阻RS＝300Ω/□，方块数＝10；掺杂元素为B+，注入剂量5.5×1014/cm2，束流100uA，能量10kev，时间35秒，注入后在920℃下通氮气150分钟，氧气20分钟，使结深达1μm左右。