[0054] 下面结合附图对本发明做进一步的说明：
[0055] 图1是三维解耦力触觉传感器的整体结构。
[0056] 图2是三维解耦力触觉传感器的下电极和玻璃基底。
[0057] 图3是三维解耦力触觉传感器的上电极与正对的下电极的水平投影关系。
[0058] 图4是三维解耦力触觉传感器的顶电极与正对的底电极的水平投影关系。具体实施例
[0059] 以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0060] 实施例：
[0061] 如图1、2、3所示的一种三维解耦力触觉传感器，包括玻璃基底1和设于玻璃基底1上的敏感块2；
[0062] 以敏感块2的中心为原点、长宽高作为XYZ，敏感块2的X轴正向方和Y轴正方向均设有位移电极组件，敏感块2的X轴负方向和Y轴负方向均设有支撑组件；敏感块2的Z轴正方向设有顶电极3。
[0063] 敏感块2、位移电极组件、支撑组件是通过MEMS制备方法在硅上制备的一个整体。
[0064] 位移电极组件包括位移基板4、弹性梁5、U形支撑侧台6和限位块，位移基板4设有上电极7；两个弹性梁5分别设于位移基板相对的两侧；其中一个弹性梁5与敏感块2连接，另一个弹性梁5与U形支撑侧台连接6。
[0065] 位移基板4、与U形支撑侧台6连接的弹性梁5的水平上表面均溅射铝。U形支撑侧台在弹性梁5的延伸方向上的水平上表面溅射铝。
[0066] 玻璃基底1内与位移电极组件相应的位置均设有下电极8，与顶电极3相应的位置设有底电极9。上电极7与相应的下电极8、顶电极3与底电极9形成平行板电容器。
[0067] 敏感块2受力可以改变平行电容器组的电容值。
[0068] 所述支撑组件包括支撑弹性梁10和支撑柱11，所述支撑弹性梁10与弹性梁5的结构和尺寸相同，支撑柱11与玻璃基底1固定连接。
[0069] 所述位移基板4为格栅状，上电极7铺设于位移基板4的每个格栅上表面。位移基板4为格栅状可以减少阻尼。
[0070] 所述位移基板4由平行且间隔相同的七个长方体R1和两个相互平行且垂直于长方体R1的长方体R2组成，长方体R2连接七个长方体R1。
[0071] 所述上电极7为格栅状，由平行且间隔相同的七个长方形M1和两个相互平行且垂直于长方形M1的长方形M2组成。上电极7远离敏感块2的最外侧的长方形M1始终不与下电极8正对，可以降低与U形支撑侧台6连接的弹性梁5上表面所溅射铝的影响，以提高传感器的灵敏度和精确度。
[0072] 所述顶电极3为长方形，所述底电极9为一个长方形N1和另一个细长的长方形N2组成的组合图形，长方形N1的一条宽边与长方形N2的一条长边连接。所述顶电极3与底电极9在敏感块上的投影呈十字形，即顶电极3与底电极9正对面积始终保持不变。
[0073] 如图4所示，所述下电极8由梳齿状的第一电极薄板12和第二电极薄板13相互交错构成但未触碰，上电极7与第一电极薄板12的正对面积等于上电极7与第二电极薄板13的正对面积。第一电极薄板12由六个平行且间隔相同的长方形M3和一个垂直于长方形M3的长方形M4组成，长方形M4连接六个长方形M3。第二电极薄板13均由六个平行且间隔相同的长方形M5和一个垂直于长方形M5的长方形M6组成，长方形M6连接六个长方形M5。第一薄板电极12和第二薄板电极13为梳齿状，可以大大提高传感器的灵敏度和对所受力的方向的判别。
[0074] 传感器不受力时，上电极7的长方形M1的两个长边所在直线的水平投影分别垂直平分第一薄板电极12的长方形M3的宽边和与长方形M3相邻的第二薄板电极13长方形M5的宽边。
[0075] 所述弹性梁5呈十字状，包括两个竖梁14和设于两个竖梁14之间的相对的两个U形硅悬臂梁15。
[0076] 在传感器受到平行于竖梁14方向的力时，所述U形硅悬臂梁15可发生形变量，在保证弹性梁5韧性的同时可增大其形变面积；在受到垂直于竖梁14方向的力时，弹性梁5的形变由竖梁承担，竖梁14长度越长，受到相同大小的力是，其弯曲角度越小，韧性越好。在受到三维方向的合力时，竖梁14同样能将平行于竖梁14方向的力传递至U形硅悬臂梁15，使其产生相应的形变。
[0077] 所述限位块包括两个水平限位块16和一个垂直限位块17，所述水平限位块16分别设于位移基板4的未设弹性梁5的两侧，用于限制位移电极组件在水平限位块16所设一侧的位移；垂直限位块17设于与敏感块2连接的弹性梁5的Z轴负方向，用于限制位移电极组件在Z轴方向上的位移。水平限位块16与支撑侧台6之间留有间隙，间隙越小，解耦度越高。
[0078] 位移基板4宽度小于敏感块2宽度，位移基板4的每个格栅的宽度和间距均相等，且格栅间距等于格栅宽度。第一电极薄板12和第二电极薄板13的每个梳齿的宽度和间距均相等，梳齿间距等于1.5倍梳齿宽度。
[0079] 当敏感块2与玻璃基底1的距离为传感器受到Z方向所能承受的最大力时弹性梁5在Z方向上的形变量。且该形变量与玻璃基底1的厚度的比值越大，传感器在Z方向上的灵敏度越大。
[0080] 设于X方向上的弹性梁5在X方向上的最大形变量不超过第一电极薄板12的梳齿的宽度的二分之一，对于设于Y方向上的弹性梁5同理。支撑弹性梁10与弹性梁5具有相同性能。
[0081] 敏感块2、位移基板4、弹性梁5、支撑侧台6的上表面在同一水平面上。
[0082] 平行板电容器的电容值的计算公式为：
[0083]
[0084] 其中，ε0为真空介电常数，εr为相对介电常数，S为上电极7与对应下电极8的第一电极薄板12或第二电极薄板13的正对面积，或S为顶电极3与底电极9的正对面积，d为上电极7与下电极8或顶电极3与底电极9形成的平行板电容器的极间距。
[0085] 传感器的输入信号为：Input＝[FX，FY，FZ]，其中FX为敏感块2受到X方向的力，FY为敏感块2受到Y方向的力；FZ为敏感块2受到的Z方向的力；
[0086] 输出信号为： 其中 为X方向的上电极7与其正对的下电极8的第一电极薄板12之间形成的平行板电容器的电容值的变化量， 为X方向的上电极7与其正对的下电极8的第二电极薄板13之间形成的平行板电容器的电容值的变化量， 为Y方向的上电极7与其正对的下电极8的第一电极薄板12之间形成的平行板电容器的电容值的变化量, 为Y方向的上电极7与其正对的下电极8的第二电极薄板
13之间形成的平行板电容器的电容值的变化量， 为顶电极3与底电极9之间形成的平行班电容器的电容值的变化量。
[0087] 当传感器受到X方向正向的力时，敏感块2沿X正向方向移动，敏感块2压缩位移基板4所连接的弹性梁5，从而使X方向上的位移基板4沿X正方向发生移动，则X方向上的位移基板4上的上电极7与其正对的下电极8的第一电极薄板12的正对面积减小，与其正对的下电极8的第二电极薄板13的正对面积增大，则 的值减小， 的值增大。
[0088] 当传感器受到X方向负向的力时，敏感块2沿X负向方向移动，敏感块2拉伸位X方向上的移基板4所连接的弹性梁5，从而使X方向上的位移基板4沿X负向方向发生移动，则X方向上的位移基板4上的上电极7与其正对的下电极8的第一电极薄板12的正对面积增大，与其正对的下电极8的第二电极薄板13的正对面积减小，则 的值增大、 的值减小。
[0089] 当传感器受到Y方向正向或负向的力时，设于X方向的位移基板4受到其水平限位块16在Y方向上的限制而不发生位移，设于X方向的上电极7与其对应的下电极8的第一电极薄板12和第二电极薄板13的正对面积均不发生改变， 的值均不变。
[0090] 当传感器受到Z方向正或负向的力时，由于受到垂直限位块17的限制，位移基板4不发生Z方向上的移动，上电极7与其正对的下电极8的第一电极薄板12和第二电极薄板13之间的极间距均不发生改变， 的值均不变。
[0091] 同理，对于输出 传感器受到Y方向、X方向和Z方向的力时，结果与传感器受到X方向、Y方向和Z方向的力时，输出 的结果相同。
[0092] 对于输出 当传感器收到X方向或Y方向的力时，由于顶电极3与底电极9在敏感块2上的投影呈十字形，即顶电极3与底电极9正对面积始终保持不变， 的值始终不变。
[0093] 当传感器受到Z负方向的力时，敏感块2带动顶电极3沿Z负方向移动，顶电极3与底电极9的极间距减小， 的值增大。
[0094] 本实施例的传感器体积小，对于三维力的检测的灵敏度高。
[0095] 本实施例的传感器下电极8为梳齿状结构，不受力时，位移基板4与下电极8的第一电极薄板12和第二电极薄板13的正对面积相等。通过受力时的因位移基板4的位移造成平行板电容器组电容值的改变值的不同，测量和确定所受力的大小和方向，能够实现输入Input＝[FX,FY,FZ]与输出 的解耦，不仅能测三维力的大小，还能确定三维力的方向。
[0096] 实施例2：
[0097] 一种如上述三维解耦力触觉传感器MEMS制备方法，步骤如下，
[0098] 玻璃基底1内的下电极8的制备如下：
[0099] 步骤1)、选取厚度为200μm的玻璃片，清洗；
[0100] 步骤2)、在玻璃片的背面溅射铝，铝的厚度为2μm；
[0101] 步骤3)、玻璃背面涂胶，烘干，对玻璃背面的铝进行光刻；
[0102] 步骤4)、湿法腐蚀掉部分铝；
[0103] 步骤5)、去除光刻胶并清洗；
[0104] 敏感块2、位移电极组件和支撑组件的制备如下：
[0105] 步骤101)、选取双抛光、厚度为400μm的四寸硅片，清洗
[0106] 步骤102)、在硅片背面涂胶，烘3分钟，对硅片背面进行；
[0107] 步骤103)、干法刻蚀，将未被保护的硅片部分减薄至390～395μm；
[0108] 步骤104)、去胶并清洗硅片；
[0109] 步骤105)、硅片背面涂厚胶，烘3分钟，对硅片背面进行光刻；
[0110] 步骤106)、干法刻蚀，将未被保护的硅片部分减薄至160～200μm；
[0111] 步骤107)、去胶并清洗硅片；
[0112] 步骤108)、硅片背面涂厚胶，控制前烘、后烘时间，对硅片背面进行光刻；
[0113] 步骤109)、干法刻蚀，采用深反应离子刻蚀方法刻蚀硅，并刻透；厚胶的厚度根据减薄后的硅片的刻蚀需要确定；
[0114] 步骤110)、去胶，在硅片的表面形成2μm的二氧化硅氧化层；
[0115] 步骤111)、在硅片的正面溅射铝，对硅片正面的铝进行光刻；
[0116] 步骤112)、湿法腐蚀铝，然后去胶清洗；
[0117] 步骤113)、在硅片的背面干法刻蚀掉二氧化硅，清洗；
[0118] 步骤114)、硅片背面和玻璃正面进行静电键合，保证硅片背面没有二氧化硅，两键合面干净；清洗键合片，分片。
[0119] 实施例3：
[0120] 由实施例2方法制备的其余与实施例1相同的一种三维解耦力触觉传感器。
[0121] 具体尺寸比例如下，其中d为单位尺寸。
[0122] 玻璃基底1的长为77d，宽为77d，高为2.5d。
[0123] 敏感块2的长为23d，宽为23d，高为2d。
[0124] 顶电极3的长为23d，宽为15d。
[0125] 位移基板4内的长方体R1的长为17d，宽为d，长方体R2的长为13d，宽为d。位移基板4的格栅间距为d。位移基板4的高为2d。
[0126] 弹性梁5内的竖梁14长为4d，宽为2d，两个相对U形硅悬臂梁15的组成的整体长为8d，宽为2d。弹性梁5的高为2d。弹性梁5在Z轴方向上的形变量为2.5d，在X和Y方向上的形变量为0.4d。
[0127] U形支撑侧台6由两个U形臂长方体U1和一个U形底部长方体U2组成。长方体U1长为25d，宽为3d，U形底部的长方体U2长为26d，宽为3d。U形支撑侧台高为5d。
[0128] 上电极7内的长方形M1的长为17d，宽为d，长方形M2的长为13d，宽为d。上电极7的格栅间距为d。
[0129] 下电极8内第一电极薄板12的长方形M3和第二电极薄板13的长方形M5的长为22.2d，宽为0.8d，第一电极薄板12的长方形M4的宽为0.5d。第一电极薄板12内的长方形M3的间距为1.2d，第二电极薄板内的长方形M5的间距为1.2d。第一电极薄板12和第二电极薄板13相互交错后，长方形M3和相邻的长方形M5的间距为0.2d，长方形M3和长方形M6的间距为0.2d，长方形M4和长方形M5的间距为0.2d。
[0130] 底电极9内的长方形N的长为20d，宽为12d，长方形N2宽为d。
[0131] 支撑柱11的长为8d，宽为3d，高为5d。
[0132] 水平限位块16的长为3.9d，宽为d，高为2d。垂直限位块17的长为2d，宽为d，高为2.9d。
[0133] 本实施例传感器的尺寸仅作参考，实际可以有所改变。
[0134] 以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求保护范围内。
