MEMS触觉传感器综述.docx

MEMS触觉传感器综述.docx

《MEMS触觉传感器综述.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《MEMS触觉传感器综述.docx（35页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

MEMS触觉传感器综述

摘要

微小型化是当今技术领域发展的重要趋势之一，微电子机械系统（MicroElectroMechanicalSystem，简称MEMS）正是顺应这一趋势而应运而生的一门新学科。

传感器技术是现代科学技术发展水平的重要标志，它与通信技术、计算机技术构成现代信息产业的三大支柱，其对人类社会具有革命性影响，是关系国民经济建设和国家安全保障的战略高科技。

触觉与视觉一样，都是模拟人的感觉，是机器人实现与环境直接作用的必需媒介。

常用触觉传感器有压阻式触觉传感器、光传感式触觉传感器、压电式触觉传感器、电容式触觉传感器等。

其中压阻式触觉传感器是利用硅的良好机械和电学性能，通过扩散或离子注入的方法将力敏电阻注入到感压薄膜中实现感压元件和转换电路的集成，具有输入和输出间良好线性关系，制作工艺简单等优点。

触觉传感技术是实现智能机器人技术的关键因素之一，触觉传感器的发展对智能机器人具有相当重要的意义。

其广泛应用一直备受学者们的关注，尤其在生物医药、食品加工、及微外科学等应用非常广泛。

因此，世界上许多国家均不同程度地花费大量人力、物力和财力从事触觉传感器的研究。

本文首先介绍了微电子机械系统、触觉等相关概念，然后叙述了触觉传感技术研究现状和发展趋势，再详细总结了常见类型触觉传感器性能特点及研究现状，最后简单介绍有限元方法在传感器设计中的应用。

关键字：

微电子机械系统，触觉传感器，压阻式，智能机器人，设计

ABSTRACT

Microminiaturizationisthecurrentdevelopmenttrendofnowadaystechnicalfield,yetMEMShasalsocreated.Sensortechnologyisacriticalcriterioninjudgingthelevelofdevelopmentofthemodernscience,whichwilleffectnationaleconomyandstatesecurity.Sensortechnology,communicationtechnology,computertechnologymakeupthethreemainstaysofthemoderninformationindustry.

Touchisthenecessarymediumtorealizethedirectactionofrobotandsurroundings.Thecommontactiletypesensorincludespiezoresistivetactilesensor、lightsensortypetactilesensor、piezoelectrictactilesensor、capacitivetouchsensorandsoon.Piezoresistivetactilesensorbringabouttheintegrationofsensingelementandswitchcircuitbysilicic’sexcellentelectricalandmechanicalproperties,whichhaswelllinearrelationbetweeninputandoutput.

Tactilesensingtechnologyisoneofthecrucialfactorsofrealizingintelligentrobottechnology.Thedevelopmentoftactilesensor,tointelligencerobot,hasquiteimportantsense.Itswidelyapplication,especiallyinBiomedicine、Foodprocessing、Microsurgeryandsoon,haslongbeenamajorconcernamongthescholars.Therefore,manycountriesaroundtheworldspendmuchinvest,agreatamountofmoney,stuff,andmanpoweronstudyingtactilesensor.

Inthefirst,thetextintroducestherelatedconceptofthesubject,thennarrateinvestigatedactualityanddevelopment’strendoftactilesensortechnology,summarizethecommontypesoftactilesensors’performanceandinvestigatedactuality,finallygiveanoutlineofthefiniteelementapplicationinsensordesign.

KeyWords:

MEMS,Tactilesensor,piezoresistive,intelligencerobot,design

一、绪论

1.1微电子机械系统

近年来，人们对微小现象有着很浓厚的兴趣，器件的微小型化正变得越来越可能，世界各国对微小技术越来越重视。

微小技术所制作的微小器件能完成许多大系统无法完成的工作。

当尺寸小到一定程度，会有许多意想不到的惊喜现象出现。

微电子机械系统（MicroElectroMechanicalSystem，简称MEMS）[1]正是顺应这一趋势而应运而生的一门新学科。

1.兴起及特点

MEMS是微电子技术和微机械技术发展结合的产物，其中包括微电子和微机械两部分。

微电子技术的发展至今已相当成熟，可以制造出功能强大且体积微小的专用集成电路，主要用来制作测量传感器输出量的接口电路；微机械电子技术是近二十年来兴起的新技术，它是通过微电子技术的平面和其它一些特殊工艺，如LIGA技术、牺牲层技术、各向异性腐蚀技术、深刻蚀等，在硅片、玻璃等材料上制作尺度在微米级到毫米级的微型传感器或执行器。

MEMS具有对外部世界的感知和执行功能，还具有信号处理、存储和传输功能[2]。

与MEMS一词同时流行的还有MicroMachine（微机械）和MicroSystem（微系统）。

它们都以微小为特征，前者强调机械，后者强调系统，但目前都简称为MEMS[3]。

MEMS技术自20世纪80年底末开始受到世界各国的广泛重视，其主要技术途径有三种：

（1）以美国为代表的、以集成电路加工技术为基础的硅基微加工技术；

（2）以德国为代表发展起来的LIGA技术；

（3）以日本为代表发展的精密加工技术。

MEMS技术是随着半导体集成电路、微细加工技术和超精密机械加工技术发展而发展的。

它涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、化学、生物等多学科交叉，并融合当今科学技术发展成果，是一个多学科、高技术的新兴领域[4]。

当前对MEMS的需求主要来自汽车工业、通信领域（全光网络、无线通信）、生物医学（生物芯片和微流量计部件）和军事应用（惯性制导、分布传感与控制、信息技术）[5][6]。

现在MEMS研究已逐步从实验室走向市场。

典型MEMS系统构成及相关技术和应用领域如图1-1[7]所示。

图1-1典型的MEMS系统构成及相关技术和应用领域

Figure1-1ThecompositionandrelatedtechnologyofthetypicalMEMSsystem

作为一个多学科交叉的前沿研究领域，MEMS技术具有如下特点[8]：

（1）微型化：

MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。

其体积可达亚微米以下，尺寸精度达纳米级，重量可至纳克；

（2）机械电器性能优良：

以硅为主要材料，硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度与铝类似，热传导率接近钼和钨；

（3）适于批量生产：

用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微机械部件或完整的MEMS器件，因此产品成本可大大降低；

（4）工作效率高：

由于MEMS器件体积小、重量轻，因此其能耗低、灵敏度和工作效率高，很多微机械装置所消耗的能量远小于传统机械的十分之一，但却能以十倍以上的速度来完成同样的工作；

（5）集成化：

可把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。

微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性高的MEMS产品。

（6）多学科交叉：

MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科，并集成当今科学技术发展的许多尖端成果[8][9]。

1.研究及前景

目前全世界在MEMS进行深入研究的方面主要有[8]:

（1）传感器类MEMS

目前主导MEMS市场的传感器已形成产业，现已形成产品和正在研究中的微型传感器有：

压力、温度、湿度、加速度、角速度、微陀螺、光学、位置、电量、磁场、质量流量、气体成分、PH值、离子浓度和生物浓度、触觉传感器等。

（2）射频MEMS

射频MEMS研究目标是把半导体有源器件、微加工元件等集成，实现单芯片上的射频系统，完成信息获取、传输、处理和执行等功能，使许多产品集成化、微型化、智能化，成倍提高器件和系统功能密度、信息密度和互连密度，大幅度节能降耗。

射频MEMS是当前研究的热点，无源MEMS器件包括微机械传输线、电感、滤波器和涡合器；有源MEMS器件包括开关、调谐器、可变电容。

当前基于MEMS开关、滤波器、可变电容、等射频元器件已取得实质性进展。

（3）光学MEMS

信息技术、光通信技术的发展，使微型光机电系统（MOEMS）成为当前研究热点。

光电微机械芯片通常是指包含一个以上的微机械元件光系统或光电子系统。

利用MEMS技术制作的新型光器件，插入损耗小，光路间相互串扰极低，对光的波长和偏振不敏感，并且通常采用硅为主要材料，从而器件的光学、机械、电气性能优良。

采用模块化设计，方便扩展应用。

目前在研制MOEMS光通信器件有诸如全光网络用光开关、OADM（光分插复用器）、可调光衰减器、可调谐激光器、可调光滤波器、光波长变换器、再生器。

其中，部分MEMS器件如光交叉开关、光衰减器、波分复用器件、可调谐光纤光栅已见商业应用报道[8]。

（4）流体和生物化学MEMS类

使用生物芯片或微型生物化学芯片组成的微型生物化学分析系统，是在很小几何尺度的衬底上，集成样品预处理器、混合器、微反应器、微分离管道、微检测器等微型生物化学功能器件、微电子器件和微流量器件的集成系统。

微型生物化学分析系统除了体积小以外，还具有样品消耗少，能耗低，效率高、集成、并行和快速检测的优点，已成为21世纪生物医学工程的前沿科技，可广泛用于临床、环境临测、工业实时控制。

采用微加工技术制造的各种微小器件适合于操作生物细胞和生物大分子，具有可进入很小的器官组织和能自动地进行细微精确操作的特点，又可大大提高介入治疗精度，降低医疗风险[10]。

（5）其它MEMS类

其它研究热点有微型执行器（微马达、微电机、微谐振器、微开关、微阀、微泵等）及微能源、微机器人、微飞行器、微纳皮卫星等系统[8]。

MEMS有着广阔的应用前景，主要有以下几个方面：

（1）军事国防

MEMS发展的最初动力的一个重要方面是来自军事科技的需求。

事实上，MEMS技术在飞行器的电子设备、微型飞行器、微型引线保险与解除保险安全装置、微型敌我识别装置、微惯性导航系统、军用微型电池能源系统等方面已有重要应用。

如图1-2是AD公司的硅微加速度计。

利用MEMS技术首先是提高了武器的智能程度，如微电机技术能在一个硅晶片上置放100万个微型机器，每台机器都有电子控制系统，构成极小的微电机系统。

将这种装置镶在头盔、服装或武器里，一是不仅可以监测和传输一个士兵的重要标记和位置，而且还能监测和传输附近敌人的任何活动；二是改善了武器装备的隐身性能；三是提高了武器的安全性。

如目前车载机载的电子战系统浓缩至可单兵携带，隐蔽性更好，安全性更高；四是进一步提高武器的信息化程度，使武器装备控制系统信息获取速度大大加快，侦察监视精度大大提高；五是使武器的生产周期缩短，成本降低[10]。

图1-2硅微加速度计图1-3微机械射频开关

Figure1-2SiliconMicroAccelerometerFigure1-3MicroMechanicalRFswitch

（2）射频通讯、光学

射频MEMS用于从低频直到毫米波频段信号的产生与处理微型化和可集成器件，可减小体积和重量，降低动耗，提高可靠性和多功能化。

因而包括美国朗讯公司在内的一些公司和大学正在研究全光通信网用的微系统及无线通信用射频微系统。

如图1-3是微机械射频开关示意图。

利用微纳米制造技术，现已开发出许多用于传感、通讯及显示系统分立使或阵列式微型光学器件。

包括光纤传感器、光开关、光显示器、光调制器、光学对准器、光度头、变焦距反射镜、微光谱仪及微干涉器等。

美国TexasInstruments公司早在20世纪80年代初就着手研究用于投影装置的数字驱动微镜阵列芯片，它可应用于彩色投影仪、电视显示等[8]。

（3）汽车行业

汽车行业是MEMS传感器技术的重要市场。

在轮速测量、冷却系统压力、发动机油压力和刹车压力测量方面，人们正在考虑或已经开始用基于MEMS技术的传感器来取代原有的产品。

此外，人们还在尝试将MEMS器件应用于汽车的智能型低污染发动机系统、智能型活动底盘系统、智能型安全与导航系统中。

如图1-4所示的整个汽车防撞传感器系统就是由许多MEMS传感器组成[10]。

图1-4防撞传感系统图1-5医用纳米直升机

Figure1-4Anti-collisionSensorSystemFigure1-5MedicalNanoHelicopters

（4）生物医学技术

生物芯片已经在基因排序上引起极大的反应。

通过微型生物机电技术合成MEMS传感器和致动器，可创造出具有更强大功能的新一代生物芯片。

综合起来讲MEMS在生物医学领域应用主要是三个方面：

临床化验分析、基因分析与遗传诊断、介入治疗。

如图1-5是美国康奈尔大学的科学家利用ATP酶作为分子马达，研制出的一种可以进入人体细胞的纳米机电设备——纳米直升机[8]。

实际上作为一门方兴未艾的新技术，MEMS前途不可限量，正如业内的一位专业人士所说的：

MEMS，Theonlylimitationisyourimagination!

世界各国特别是发达国家，纷纷制订计划，投入大量经费，争夺这一科技的制高点。

当前美国、日本、德国等科研强国在MEMS领域走在世界的前列。

我国从80年代末开始了MEMS的研究，以跟踪国外为主，十年来研究队伍逐步扩大，90年代末已形成40多个单位的50多个研究小组，在新原理微器件、通用微器件、以及初步应用等方面取得了较大进展。

但是我国的微加工技术跟世界强国相比还有较大差距，成为制约我国MEMS发展的瓶颈[11]。

1.2触觉

1.定义

触觉是生物体获取外界信息的一种重要知觉形式，是机器人获取环境信息的一种仅次于视觉的重要知觉形式，是机器人实现与外界环境直接作用的必须媒介。

触觉与视觉一样基本上是模拟人的感觉[12]。

与视觉不同，触觉本身有很强的敏感能力，可直接测量对象和环境的多种性质特征。

因此触觉不仅只是视觉的一种补充[13]。

关于触觉的研究有广义和狭义之分：

广义的触觉包括接触觉、压觉、力觉、滑觉、冷热觉等与接触有关的感觉；狭义的触觉是指机械手与对象接触面上的力感觉。

.2主要任务

触觉的主要任务是获取对象与环境信息和为某种作业任务而对机器人与对象、环境相互作用时的一系列物理特征量进行检测或感知。

通过触觉可获知目标物体的多种物理信息，如目标物的形状、表面硬度、粗糙度、纹路、抖动等信息，因此相关触觉传感器的研究一直是各国相关学术界和工业界广泛关注的重点。

传感器

传感器系统

传感器是仪器仪表和测量系统的核心部件，是过程控制系统的首要环节，是机器人的“五官”，是自动获得信息的重要装置，是推广和普及计算机应用必不可少的器件。

传感器的重要性己经为人们所认识，己经成为研究和开发的热点。

传感器是一种能将物理量、化学量、生物量等转换成电信号的器件。

输出信号有不同形式，如电压、电流、频率、脉冲等，能满足信息传输、处理、记录、显示和控制要求，是自动检测和控制系统中不可缺少的元件，如图1-6所示。

图1-6传感器工作原理

Figure1-6Theoperatingprincipleofthesensors

图1-72008年世界传感器市场的发展（工业市场细化）

Figure1-7Developmentoftheworldmarketforsensorsuntil2008

从宇宙探索到海洋开发，从生产过程的控制到现代文明生活，几乎每项现代科学技术都离不开传感器，尤其是国防、航空、航天、能源等领域的需要。

如阿波罗10号飞船就使用了大量的传感器对3295个测量参数进行监测[14]，因此，传感器技术的应用及其发展十分惊人。

世界主要应用领域中传感器市场的份额分布如图1-7所示，图中纵坐标单位为10亿美元[15]。

随着微加工技术和纳米技术的进步，传感器将不断地微型化。

半导体技术中的加工方法有氧化、光刻、扩散、沉积、平面电子工艺、各向异性腐蚀及蒸镀、溅射薄膜等，这些都已引入传感器制造。

因而产生了各种新型传感器，如利用半导体技术制造出硅微传感器，利用薄膜工艺制造快速响应的气敏、湿敏传感器等。

传感器不仅可以检测静态量，也可用来检测动态量，相应的静态特性和动态特性也就成了人们对传感器深入研究的重点。

目前国内外对传感器静态特性的研究己经趋于成熟，对其动态特性的研究相对较少。

但是，随着生产生活和科技的发展，研究传感器动态特性已经体现出它的重要性：

（1）人们愈来愈多地要求测量动态非电量，以把握信号的瞬变信息，不可避免地要用到具有良好动态性能的传感器；

（2）传感器广泛应用于生产过程的自动检测，这就要求它能准确、迅速地反映被测参数的变化，而传感器的动态性能是其中的关键；

（3）传感器作为机器人的“五官”，其动态品质的优劣，直接影响到机器人功能的发挥；

（4）在一些特定领域里，譬如在各类武器研制中，动态测试技术的应用与日俱增，人们对传感器动态性能提出了很高的要求。

于是，针对传感器动态特性的研究也相继展开，并在传感器动态建模和补偿方面取得了较大的进展。

1.3.2MEMS传感器

半导体传感器具有体积小、重量轻、精度高、温度特性好等特点。

特别是传感器的制造工艺与半导体集成电路平面工艺兼容，这就满足了传感器向智能化方向发展的要求[16]。

目前用于制作半导体传感器的材料主要有SiC，Si等，但是由于SiC材料远没有Si材料成熟，传感器的成本较高。

MEMS（MicroElectroMechanicalSystem）传感器由于其体积小、成本低、灵敏度高等优点，在军事和民用等各个领域应用日趋广泛，如MEMS加速度计、振动传感器和陀螺等。

在这些传感器中，MEMS敏感结构输出信号主要采用电容式、压阻式、隧道电流式等电检测方式[17]。

提高MEMS传感器性能的具体措施：

（1）改进敏感材料

常规产品技术难以满足表面微机械密集排列阵列器件的要求，而表面微机械压阻传感器采用多晶硅压阻时会遇到灵敏度低和稳定性欠佳的问题。

为解决现实与需求的矛盾，采用一种金属诱导再结晶的工艺来制造敏感电阻，在绝缘膜片上制造出了类似于单晶的电阻条。

这样显著提高了压力灵敏度和温度稳定性[18]，满足了微流体测量的需要。

（2）改进器件结构

例如为减小表面微机械麦克风中敏感膜片应力对灵敏度降低，同时避免因采用波纹膜片释放应力时产生膜片刚度提高的负面影响，文献[19]用一种深盆腔膜片结构。

释放了薄膜应力，减小了膜片本征刚性，实现了较高的声音灵敏度。

（3）改进现有工艺

为解决压阻式传感器非线性问题，梁-膜-岛结构是很好的选择。

但正面加工梁区将不利于正面压阻光刻。

另外希望有较小质量的岛（较薄的岛）来减小惯性灵敏度和提高频响。

文献[20]中介绍的一种在普通各向异型腐蚀基础上发明的掩模-无掩模两步腐蚀方法，可在一个光刻图形之下腐蚀实现多层立体微结构。

用该技术制作的传感器实现了高灵敏度和高线性度[21]。

同样利用无掩模腐蚀还实现了正交复合梁结构的压阻式微陀螺[22]。

因此对制作工艺的改进可实现多种器件并改善器件特性。

（4）改进工作原理

传统的微机械压阻加速度传感器往往采用梁弯曲获得应力实现敏感输出，这样加速度带来的应力总是只有小部分被压阻条检测出来，因此传感器灵敏度往往较低。

如果靠减小微机械梁刚度来提高灵敏度，往往有使频率带宽降低很多。

因此输出灵敏度和自由振动频率乘积作为一种综合性能参数，在没有重要技术突破下很难得到提高。

一种新的设计是微梁直拉直压的加速度传感器[23]。

三梁结构传感器的可动质量块动能绝大部分反映到直拉或直压微梁的应力势能中，用整个微梁作为压敏电阻，从而提高了输出灵敏度和自由振动频率乘积达一个量级以上。

再如MEMS谐振器，往往由于一些驱动技术限制造成振动幅度不够，影响了器件的工作特性。

文献[24]提出了一种两自由度（2-DOF）谐振器，通过巧妙的参数设计，使谐振器的力学灵敏度大大提高。

将该技术应用到谐振式微陀螺中，可以提高角速度检测信号幅度，有利于提高测量分辨力。

使用同样的技术，使MEMS谐振器的驱动问题得到了很好的解决。

该种MEMS谐振器可对质量的测量趋近和达到原子级分辨力。

二、触觉传感技术研究现状及发展趋势

触觉传感系统的发展是机器人传感器技术领域中一个必不可少的部分[25]。

经过多年发展，关于触觉传感技术研究已取得较大进步，但仍面临诸多困难。

第一，测试原理方面：

该方面几乎没有新突破，尽管学术界对人的触觉感知及皮肤特性有了更深入了解，但人类触觉不是简单的将物理特性转换为神经信号，而是综合复杂的过程，所以模仿有相当难度；

第二，新型敏感材料方面的发明、发现方面：

极少数研究成果大多还停留在实验室阶段，实际应用和商用化明显滞后，所以近年来基本没有可靠耐用、通用性强的触觉传感器问世[13]。

触觉敏感是传感器和外部物体之间有物理接触的敏感，而敏感单元是触觉传感器的核心，对于目前对类皮肤多维触觉传感器有迫切需求的仿生物机器人来说，既要求触觉传感器能够敏感准确地感知环境[26]，又要求足够柔软使得机器人能足够灵活的运动，多年来研究人员都在寻求一种简单而有效的解决办法，却始终没有实质上的突破[27][28]。

尽管目前国内外专家学者根据各自的需要，研制了压敏式、压电式、电容式、电导式、磁敏式、光波导式和超声式等多种多维触觉传感器[29][30][31][32][33]，但这些传感器各有优缺点，均不具有明显的优势，尚未能完全满足当前各领域应用需求。

2.1发展历程

半导体传感器的发展可以分为四个阶段[34]：

（1）发明阶段（1947-1960）：

主要以1947年双极性晶体管的发明为标志。

此后半导体及设备特性得到广泛应用。

史密斯于1945年发现了硅和锗的压阻效应，即当有机械力作用于半导体材料时，其电阻发生变化。

（2）基础技术发展阶段（1960-1970）：

即商业和市场发展的阶段，为提高传感器的性能，应变片被直接