面向觸覺感知的全柔性大面積MEMS三軸力傳感器

MEMS 2026-07-07 07:11

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汽車電子、消費電子、機器人和假肢等越來越多的應用開始需要更復雜的觸覺感知功能。在此背景下，柔性三軸力傳感器正變得日益重要，其能夠實現更直觀的觸覺應用、更安全的人機交互以及更豐富的功能性。

觸覺反饋能夠模擬實體按鍵所提供的自然力反饋，已成為下一代技術的主要目標之一。這些觸覺反饋功能通常通過微機械超聲換能器（MUT）技術實現。現有技術要么采用壓電薄膜材料層，形成壓電式微機械超聲換能器（PMUT），要么基于電容式換能原理，即電容式微機械超聲換能器（CMUT）。PMUT和CMUT均已證明與平板顯示器制造工藝兼容，并具備實現大面積全柔性拼接的特性。

目前通過標準的微加工工藝制造的電容式三軸力傳感器，是基于集成有CMOS技術的單片式Si-MEMS（硅基微機電系統）構建的。然而，這類傳感器具有剛性，通常安裝在剛撓結合印制電路板（PCB）上或集成于剛性基板上，導致其覆蓋面積比和空間靈敏度受限；其缺乏足夠的柔性，無法用于曲面共形覆蓋。由于制造工藝的限制，其壓力靈敏度和剪切靈敏度分別被限制在10?1 pF/kPa和10?2 pF/kPa量級。實際上，盡管可以通過利用導電鍵合焊盤和硅通孔（TSV）將Si-MEMS與CMOS電子器件進行晶圓級鍵合來構建傳感電容器，但所能制造的最小電容器間隙被限制在1 μm量級，從而導致傳感性能受限。

據麥姆斯咨詢介紹，比利時微電子研究中心（imec）的研究團隊近期開發了一種基于電容式MEMS的全柔性大面積三軸力傳感器，并且，該傳感器兼容平板顯示器制造工藝。該技術為低成本批量生產高靈敏柔性三軸力傳感器提供了全新方案。相關研究成果已經以“Fully flexible large-area MEMS-based triaxial force sensor compatible with flat panel display manufacturing”為題，發表于Microsystems & Nanoengineering期刊。

全柔性大面積MEMS三軸力傳感器的設計和制造

該研究提出的全柔性大面積MEMS三軸力傳感器，可兼容標準的平板顯示器制造工藝。該傳感器由獨立的微型力傳感器件（研究人員稱為微像素傳感單元，類似于圖像傳感器中的像素）排布在柔性箔片（即貼片）上構成，這些像素嵌入了MEMS結構，可獨立檢測壓力和剪切力。

圖1a展示了傳感器貼片，包括不同組件和材料。該器件由排列的微像素傳感單元組成（見圖1b的細節），具備三軸力檢測功能，制作在柔性聚酰亞胺（PI）箔片上。微像素傳感單元集成了電容式MEMS結構，由氮化硅（Si?N?）蝶形板構成，懸浮在四個橋臂上，并帶有集成的鈦/鉑（Ti/Pt）頂部電極。此外，光敏有機環氧永久性材料置于層狀板頂部，形成一個中心凸點，該層的作用是捕捉面內力。

圖1 柔性MEMS三軸力傳感器示意圖，主要組件、材料及特征尺寸

圖1c、d展示了電容式MEMS傳感結構的剖面視圖。四個獨立的Ti/Pt底部電極與頂部電極共同構成懸浮蝶形板中的集成結構，并形成四個獨立的電容器，即C??、C??、C??、C??。需要注意的是，該系統具有雙對稱性，保證了面內響應的各向同性。

圖2 柔性MEMS三軸力傳感器制造工藝流程

圖3a展示了映射在玻璃晶圓上的傳感器貼片，突出顯示了兩種貼片尺寸，即2.7?×?2.7?cm2和2?×?1?cm2。在這兩種考量情況下，傳感像素面積分別為1.7?×?1.7?cm2和2?×?0.5?cm2，貼片的剩余面積則被用于后續電子集成的電氣連接。值得注意的是，基于聚酰亞胺的堆疊結構幾乎透明。

圖3 全堆疊傳感器貼片，主要組件和尺寸說明

傳感器貼片設有分配像素的感應區域，以及專門用于與外部電子設備電連接的外圍區域。將其從玻璃基板上切割并剝離，以獲得不同尺寸的貼片。同時，在其側面鍵合了市售的68針柔性印刷電路（FPC），作為與下游電子設備的柔性電連接，如圖4a所示。

值得注意的是，得益于與平板顯示器制造工藝的兼容性，可采用薄膜晶體管（TFT）顯示技術中使用的標準連接方式與外部電子元件相連。該工藝的處理結果如圖4b所示，其中2.7?×?2.7?cm2傳感器貼片四邊均粘有柔性連接器；而圖4c則展示了一個2?×?1?cm2傳感器貼片，其僅配備一個柔性連接器。

圖4 所制備的全柔性傳感器貼片，主要組件及尺寸說明

圖5 傳感像素模型示意圖

數值模擬與實驗結果

研究人員通過機械、電學及陣列層面的系統測試，對所提出的柔性MEMS三軸力傳感器進行了全面驗證。所構建的三維有限元（3D FEM）模型能夠準確預測器件因制造殘余應力產生的初始形變，并在點載荷、電靜力、壓力和剪切力測試中與實驗結果保持高度一致。

實驗表明，該柔性MEMS三軸力傳感器的歸一化壓力靈敏度達到0.0013 kPa?1，歸一化剪切靈敏度達到2.6 × 10?3 kPa?1，均顯著優于現有電容式柔性三軸力傳感器。同時，器件在約1.1億次動態循環測試后仍保持穩定性能，驗證了其優異的長期可靠性。

初步陣列測試進一步證明了該設計具備良好的陣列擴展能力，以及與平板顯示器制造工藝兼容的大面積集成潛力，為電子皮膚、機器人觸覺感知等高性能柔性觸覺傳感應用奠定了基礎。以面積為1?cm2的29 × 29陣列為例，每個獨立電容器單元的預測初始電容為640 pF，對應的壓力靈敏度和差分剪切靈敏度分別為0.841 pF/kPa和2.859 pF/kPa。