一种增强触觉传感器性能的纯刚性封装设计方法

本发明涉及触觉传感器封装，更具体地说，涉及一种关于阵列的mems压阻式触觉传感器封装结构的设计及制造方法。

背景技术：

1、近几十年来，基于mems的多维力触觉传感器已被开发应用到许多机械设备，特别是智能家具设备以及机器人系统设备中。随着基于mems的触觉传感器技术的发展，人们已经提出了各种类型的触觉传感器，根据其工作机制不同，可以将其分类为压阻、压电、电容以及光学传感器。

2、压阻型触觉传感器与其它类型的触觉传感器相比，其具有高灵敏度、适于集成、成熟的制造技术和简单的后处理电路。通常，人们对压阻式触觉传感器的封装设计方法是将压阻硅元件嵌入到保护性弹性体中，比如聚二甲基硅氧烷材料。聚二甲基硅氧烷能够实现压阻式触觉传感器的压阻结构与外部施加力间接的软接触作用，并且能够防止脆弱的触觉传感器破裂。据调查显示，基于mems的压阻传感元件可以小型化到几微米，并且能够测量微牛顿量级的精细力。然而，一旦将压阻式触觉传感器嵌入到弹性体内部，那么传感器的压阻结构的变形将受到周围弹性体的极大限制，因此，传感器的灵敏度将会大大地降低。除此之外，由于弹性体本身的一些化学性质，比如弹性模量、随时间老化以及掺杂不均匀等问题，将会使得传感器的线性度降低。

3、因此，本发明设计了一种由力传递微结构盖帽、可产生变形的刚性结构以及玻璃基板三个基本组件组成的阵列的mems压阻式触觉传感器封装设计及制造方法。通过力传递微结构盖帽可以将外部作用力聚集地施加在阵列的mems压阻式触觉传感器敏感元件上，使每个敏感元件发生极大的形变，实现了最大化地将外部力信号传递到阵列的mems压阻式触觉传感器上，故极大地提高了阵列的mems压阻式触觉传感器的灵敏度。

技术实现思路

1、本技术的主要目的是提供一种增强触觉传感器性能的纯刚性封装设计方法，旨在提高阵列的mems压阻式触觉传感器的灵敏度和线性度，并且所设计出的封装结构对阵列的mems压阻式触觉传感器具有一定的防护作用，以解决长期存在的关于阵列的mems压阻式触觉传感器封装的问题。

2、为实现上述目的，本技术提供了一种增强触觉传感器性能的纯刚性封装设计方法，包括以下步骤：

3、对阵列的mems压阻式触觉传感器上表面封装设计，具体是：通过玻璃-硅键合工艺，将阵列的mems压阻式触觉传感器上表面倒贴于封闭结构的玻璃基板上表面，对阵列的mems压阻式触觉传感器上表面进行防护；

4、在完成对阵列的mems压阻式触觉传感器上表面封装设计之后，对阵列的mems压阻式触觉传感器下表面封装设计，具体是：通过硅-硅键合工艺，将阵列的mems压阻式触觉传感器与阵列的mems压阻式触觉传感器下表面封装结构进行对准键合，使阵列的mems压阻式触觉传感器与外部作用力实现间接软接触。

5、所述的玻璃基板、阵列的mems压阻式触觉传感器下表面封装结构以及阵列的mems压阻式触觉传感器均是通过传统的mems工艺制造。

6、进一步说，玻璃基板由中心空腔、凸台以及通孔构成；中心空腔位于阵列的mems压阻式触觉传感器敏感元件区域，设计为中心对称的正方形，使得所有阵列的mems压阻式触觉传感器中的敏感元件能在中心空腔内发生形变，实现阵列的mems压阻式触觉传感器上的硅压阻元件的阻值发生变化。

7、进一步说，在中心空腔的四周设计数个等间距、等大小的通孔，并且为每个通孔填入实心的、导电的金属材料。填入金属材料的通孔不但能使阵列的mems压阻式触觉传感器与玻璃基板下集成的asic芯片电气连接，还能使玻璃基板形成封闭结构对阵列的mems压阻式触觉传感器上表面进行防护。

8、进一步说，通孔的四周往外设计出一定高度的所述凸台，相比于通孔高度，凸台高度比通孔高度高出20um，用于玻璃基板和阵列的mems压阻式触觉传感器对准键合。

9、进一步说，阵列的mems压阻式触觉传感器下表面封装结构是由力传递微结构盖帽、固定框架以及可产生变形的刚性结构构成，其中力传递微结构盖帽是由矩形力传递微结构和外部作用力接触平台组成；矩形力传递微结构是由128根矩形柱子组成，每根所述矩形柱子固定连接在所述外部作用力接触平台的下表面，并且每根所述矩形柱子的下表面对齐并悬挂在每个敏感元件中心位置的上方，将外部作用力聚集地施加在阵列的mems压阻式触觉传感器敏感元件的中心位置上，使每个敏感元件发生极大的形变，极大地提高了阵列的mems压阻式触觉传感器的灵敏度。

10、进一步说，矩形力传递微结构、外部作用力接触平台、可产生变形的刚性结构以及固定框架均采用硅材料；该刚性材料可使外部作用力在传递的过程中减少失真，极大地减少了力传递过程中的削弱，进而提高了阵列的mems压阻式触觉传感器的线性度。

11、进一步说，外部作用力接触平台，其整体为中心对称的正方形平台，起着让每根矩形柱子有悬挂支撑点的作用，同时使得外部作用力施加到阵列的mems压阻式触觉传感器上的接触平台。

12、进一步说，力传递微结构盖帽往外设计出可产生变形的刚性结构，其由四个细而长的u型梁组成，u型梁环绕并且固定连接在力传递微结构盖帽的四边；由于u型梁在力的作用下，易发生变形，故可使连接在可产生变形的刚性结构上的力传递微结构盖帽实现上下、左右移动，实现了阵列的mems压阻式触觉传感器和外部作用力之间的间接软接触。

13、进一步说，可产生变形的刚性结构往外设计出固定框架，用于将固定框架内的所述力传递微结构盖帽和可产生变形的刚性结构悬挂在阵列的mems压阻式触觉传感器上方，并且固定在阵列的mems压阻式触觉传感器的边缘区域上。

14、本发明具有以下有益效果：

15、1、与传统的阵列的mems压阻式触觉传感器封装设计相比，比如将触觉传感器完全嵌入聚二甲基硅氧烷弹性材料的封装设计，由于该封装设计中的矩形力传递微结构中的每根矩形柱子放置在每个阵列的mems压阻式触觉传感器敏感元件的中心位置上方，于是矩形力传递微结构可以将外部作用力集聚且精准地施加到阵列的mems压阻式触觉传感器的敏感元件上，以此增大了阵列的mems压阻式触觉传感器的灵敏度。而不会像触觉传感器完全嵌入聚二甲基硅氧烷弹性材料的封装设计，外部作用力施加在整个聚二甲基硅氧烷封装表面上，在外部作用力传递的过程中，外部作用力发生四周扩散，极大地削弱了传递到触觉传感器敏感元件上的力作用。

16、2、在该封装设计中力传递微结构盖帽采用是刚度远远大于弹性材料的硅材料，与传统的弹性材料微结构相比，可使外部作用力在传递的过程中减少失真，极大地减少了力传递过程中的削弱。除此之外，与传统的外部力作用与传感器的间接软接触相比，在该封装设计中通过可产生变形的刚性结构实现外部作用力与阵列的mems压阻式触觉传感器之间的间接软接触，可增大力传递的线性度。通过上述设计方案，极大地增强了阵列的mems压阻式触觉传感器的线性度。

17、3、在该封装设计中，玻璃基板、力传递微结构盖帽、可产生变形的刚性结构以及固定框架均是由刚性材料制造，并且任何一个封装组件都未嵌入到阵列的mems压阻式触觉传感器敏感元件中，与传统的将阵列的mems压阻式触觉传感器嵌入到弹性材料封装设计相比，任何一个封装组件不会限制阵列的mems压阻式触觉传感器敏感元件的形变。并且，在该封装设计中，为阵列的mems压阻式触觉传感器中每个敏感元件的形变保留出了极大空间。而不像传统的封装设计，将阵列的mems压阻式触觉传感器敏感元件的四周完全被嵌入的弹性材料包裹，极大限制了敏感元件的形变。故该封装设计方案，提高了阵列的mems压阻式触觉传感器的灵敏度。

18、4、与传统的外部力作用与阵列的mems压阻式触觉传感器接触区域的开窗设计相比，该封装设计结构类似于三明治结构，在玻璃基板对阵列的mems压阻式触觉传感器阵上表面密封以及力传递微结构盖帽对阵列的mems压阻式触觉传感器敏感元件区域覆盖，同时使力传递微结构盖帽可以将外部作用力施加到阵列的mems压阻式触觉传感器敏感元件上。解决了封装需要对阵列的mems压阻式触觉传感器进行防护作用，同时又需要将外部作用力施加到阵列的mems压阻式触觉传感器敏感元件上的问题。

19、5、该封装设计中出现的力传递微结构盖帽、可产生变形的刚性结构、玻璃基板三个主体部分均采用传统的mems工艺制作完成，上层封装结构和下层封装结构与阵列的mems压阻式触觉传感器结合均采用传统的键合工艺。mems工艺技术成熟，不需要开发新的制造工艺，从而简化了制造方案，节约了时间以及经济成本。