一种MEMS电容式触觉压力传感器及其制备方法与流程

一种mems电容式触觉压力传感器及其制备方法技术领域1.本发明涉及微机电系统（mems）领域，具体涉及一种mems电容式触觉压力传感器及其制备方法。背景技术：2.触觉压力传感器是一类用于机器人模仿人类触觉功能的传感器，它是仿生学领域最基本的元器件之一，在机器人、人机交互等领域应用前景广阔。得益于mems技术的微型化、高精度和可批量生产等特点，mems触觉压力传感器具有高灵敏度、高可靠性、高精度、微型化和低成本等优点，具有广阔的发展前途。常见的mems触觉压力传感器包括mems压阻式触觉压力传感器和电容式mems触觉压力传感器等类型。mems压阻式触觉压力传感器的优点是线性度高，但由于压阻系数和电阻率易受温度影响，其环境适应性不佳。常见的mems电容式触觉压力传感器的优点是受环境温度影响小，但是其存在灵敏度低、线性度差等缺点，并导致相应的接口电路设计难度较高。技术实现要素：3.为了解决本领域触觉压力传感器存在的一些问题，本发明提出一种mems电容式触觉压力传感器及其制备方法，它具有结构和制备简单、灵敏度高以及线性度好等优点。4.具体地，本发明所提出的技术方案如下：一种mems电容式触觉压力传感器，所述mems电容式触觉压力传感器包括：衬底；绝缘层，所述绝缘层设置在所述衬底上；电极，所述电极设置在所述绝缘层上；电介质层，所述电介质层设置在所述绝缘层上并覆盖所述电极；触觉敏感体，所述触觉敏感体设置在所述电介质层上；其中，所述触觉敏感体构成所述mems电容式触觉压力传感器的可动电极。5.进一步地，所述触觉敏感体与所述电介质层接触的下表面为弧形。6.进一步地，所述触觉敏感体的材料为弹性导电复合材料。7.进一步地，所述触觉敏感体的材料为pedot:pss/pdms。8.进一步地，所述触觉敏感体与所述电极正对设置。9.进一步地，所述触觉敏感体具有1μm‑100μm的高度。10.相应地，本发明还提出一种mems电容式触觉压力传感器的制备方法，包括以下步骤：选择衬底，在所述衬底上形成绝缘层；在所述绝缘层上形成电极；在所述衬底上形成电介质层，所述电介质层覆盖所述电极；在所述电介质层上形成牺牲层；刻蚀所述牺牲层，形成触觉敏感体的形状；在所述牺牲层的上表面形成弹性导电复合材料；去除所述牺牲层，释放所述触觉敏感体。11.进一步地，所述触觉敏感体的形状为弧形。12.进一步地，所述牺牲层为铝牺牲层。13.进一步地，所述弹性导电复合材料为pedot：pss/pdms。14.1、本发明的一种mems电容式触觉压力传感器主要依赖电容电极间的面积变化来响应触觉压力的变化，相比于现有的通过电极间距变化来响应触觉压力变化的mems触觉压力传感器，本发明的传感器具有高线性度的优点。15.2、此外，对于现有的通过电极间距变化来响应触觉压力变化的mems触觉压力传感器，为了防止触觉压力导致电容电极发生接触及其引起的传感器过载问题，电容电极往往保持较大的间距，这造成现有传感器初始电容偏小及灵敏度偏低的问题；而对于本发明的mems电容式触觉压力传感器主要依赖电容电极间的面积变化来响应触觉压力的变化，电容电极的间距可保持较小值，这有助于提升传感器的初始电容及灵敏度。16.3、本发明的一种mems电容式触觉压力传感器可采用mems加工工艺进行高精度、高一致性、低成本、批量化和微型化的制备。附图说明17.图1是本发明其中一实施例的一种mems触觉压力传感器的剖面结构示意图。18.图2是本发明其中一实施例的一种mems触觉压力传感器的制备方法； 其中：1为触觉敏感体，2为电介质层，3为电极，4为绝缘层，5为衬底。具体实施方式19.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。20.实施例1参见图1，本发明提出一种mems电容式触觉压力传感器，该mems电容式触觉压力传感器包括：衬底5；绝缘层4，所述绝缘层4设置在所述衬底5上；电极3，所述电极3设置在所述绝缘层4上；电介质层2，所述电介质层2设置在所述绝缘层4上并覆盖所述电极3；触觉敏感体1，所述触觉敏感体1设置在所述电介质层2上；其中，所述触觉敏感体1构成所述mems电容式触觉压力传感器的可动电极。21.进一步地，该衬底5为刚性基底或柔性基底，包括硅片、玻璃、不锈钢、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷（pdms）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（pet）中的任意一种或几种，厚度在20μm‑5000μm。22.进一步地，所述绝缘层4设置在衬底5的上表面，绝缘层4的材料例如为二氧化硅或氮化硅的至少一种，厚度为100nmꢀ‑1000nm；绝缘层4用于实现电极3与衬底5的电隔离。23.进一步地，所述电极3设置在绝缘层4的上表面，电极3的材料为金属，优选为al、ti、au、cu、pt的至少一种，厚度为50nm‑500nm；电极3作为mems电容式触觉压力传感器的固定电极。24.进一步地，所述电介质层2设置在绝缘层4的上表面并覆盖电极3，电介质层2的材料为二氧化硅或氮化硅的至少一种，厚度为50nm‑500nm；电介质层2作为mems电容式触觉压力传感器的电介质层。25.进一步地，所述触觉敏感体1的下表面（即与电介质层2接触的那一面）呈弧形，高度在1μm‑100μm；所述触觉敏感体1的宽度由传感器所需的量程和分辨率确定，宽度越大，传感器的量程越大，但另一方面，宽度越大，传感器的分辨率也越低；所述触觉敏感体1设置在电介质层2的上表面，并正对下方的电极3；所述触觉敏感体1的材料为弹性导电复合材料，优选为pedot:pss（聚(3,4‑乙撑二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐)）/pdms；所述触觉敏感体1构成mems电容式触觉压力传感器的可动电极。26.本发明所提出的一种mems电容式触觉压力传感器的工作原理如下：触觉敏感体1、电介质层2和电极3构成mems电容触觉压力传感器的敏感电容。在触觉压力的作用下，触觉敏感体1发生形变，导致触觉敏感体1与电介质层2的接触面积增大，并造成敏感电容的可动电极与固定电极的有效相对面积增加，进而引起电容值发生变化。触觉压力越大，触觉敏感体1的形变量越大，与电介质层2的接触面积越大，两电极的有效面积也越大，相应的电容值也越大，从而实现触觉压力到电信号的转换。由上可知，本发明的mems电容式触觉压力传感器主要通过电容电极间的相对面积的变化来响应触觉压力的变化，因为电容值与电极间相对面积呈正比，所以本发明的传感器具有高线性度。27.实施例2参见图2，本发明还提出一种mems触觉压力传感器的制备方法，包括以下步骤：s1：选择衬底，s2：在所述衬底上形成绝缘层；s3：在所述绝缘层上形成电极；s4：在所述衬底上形成电介质层，所述电介质层覆盖所述电极；s5：在所述电介质层上形成牺牲层；s6：刻蚀所述牺牲层，形成触觉敏感体的形状；s7：在所述牺牲层的上表面形成弹性导电复合材料；s8：去除所述牺牲层，释放所述触觉敏感体。28.其中，具体地：选择衬底，例如是选用300μm厚的n型（100）单晶硅片作为衬底5，采用等离子体化学气相沉积（pecvd）的方式在衬底5的上表面形成约200nm的二氧化硅作为绝缘层4；当然，绝缘层4的材质也可以包括本领域其它适用的材质，例如氮化硅等。29.通过在绝缘层4的上表面进行电子束蒸发和剥离技术制备约200nm厚的电极，该电极例如采用pt。30.例如采用等离子体化学气相沉积（pecvd）技术在绝缘层4的上表面形成约50nm的氮化硅作为电介质层2；在电介质层2的上表面例如通过热蒸发形成约1μm厚的牺牲层，该牺牲层例如为al，并通过光刻以及h3po4溶液各向同性湿法刻蚀，在al牺牲层中形成触觉敏感体1所需的形状；例如为弧形。31.在al牺牲层的上表面通过旋涂和加热干燥形成弹性导电复合材料，该弹性导电复合材料例如是pedot:pss/pdms；使用h3po4溶液选择性去除al牺牲层及其附着在al牺牲层上方的弹性导电复合材料，形成触觉敏感体1并最终完成器件的制备。32.与现有技术相比，本发明具有以下优点：1、本发明提出的一种mems电容式触觉压力传感器主要依赖电容电极间的面积变化来响应触觉压力的变化，相比于现有的通过电极间距变化来响应触觉压力变化的mems触觉压力传感器，本发明的传感器具有高线性度的优点。33.2、此外，对于现有的通过电极间距变化来响应触觉压力变化的mems触觉压力传感器，为了防止触觉压力导致电容电极发生接触及其引起的传感器过载问题，电容电极往往保持较大的间距，这造成现有传感器初始电容偏小及灵敏度偏低的问题；而对于本发明的mems电容式触觉压力传感器主要依赖电容电极间的面积变化来响应触觉压力的变化，电容电极的间距可保持较小值，这有助于提升传感器的初始电容及灵敏度。34.3、本发明提出的一种mems电容式触觉压力传感器可采用mems加工工艺进行高精度、高一致性、低成本、批量化和微型化的制备。35.以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。