一种高分辨率的单片集成压阻式MEMS双轴力/扭矩传感器及其封装方法

《Sensors and Actuators A: Physical》：A high-resolution monolithically integrated piezoresistive MEMS two-axis force/torque sensor and packaging method

本文提出一种基于MEMS工艺和SOI-CMOS技术的单芯片压阻式两轴力/扭矩传感器，集成模拟信号处理电路并采用高精度金属封装扩展测量范围。测试显示，芯片Fz灵敏度为24.67 mV/N，分辨率0.0028% F.S.，Mz灵敏度为30.53 mV/N·mm，交叉耦合小于4.56%。封装后测量范围扩大28倍，Fz分辨率0.0085% F.S.，Mz为0.035% F.S.，并具备优异稳定性和环境适应性，适用于机器人、高精度仪器等领域。

　　

Xincheng Zhu|Xueliang Wang|Cong Lin|Jiahao Miao|Yang Zhong|Zhanxuan Zhou|Xiaomei Yu

北京大学集成电路学院，中国北京

摘要

本文提出了一种单片集成的压阻式双轴力/扭矩传感器，并采用了一种坚固的封装方法来扩展其测量范围。该集成传感器包含八个单晶硅压阻器，这些压阻器被配置成两个惠斯通电桥，用于同时检测法向力（Fz）和Z轴方向的扭矩（Mz）。压阻器的排列和连接方式考虑了Fz和Mz作用下的不同应力分布。为了实现高速和高信噪比（SNR）的读出，每个电桥都配备了模拟信号处理电路。该集成传感器芯片通过将MEMS工艺集成到标准CMOS工艺中制造而成。制备的传感器芯片具有24.67 mV/N的Fz灵敏度，分辨率为0.0028%满量程（F.S.）；Mz灵敏度为30.53 mV/N·mm，分辨率为0.0078%满量程，且各维度之间的耦合系数小于4.56%。为了扩大测量范围以适应更广泛的应用场景，该传感器芯片采用了高精度金属结构进行封装。封装后的传感器实现了0.282 mV/N的Fz灵敏度，测量范围超过200 N；Mz灵敏度为0.039 mV/N·mm，测量范围为350 N·mm，耦合系数保持在7.45%以内。在保持高分辨率（Fz为0.0085% F.S.，Mz为0.035% F.S.）的同时，测量范围扩展了28倍以上。封装后的传感器还表现出优异的长期稳定性和环境适应性。这种传感器在机器人、高精度仪器和其他先进技术领域具有广泛的应用前景。

引言

人形机器人和机器人辅助操作等技术的快速发展，使得对现实世界中力和扭矩复杂组合的感知变得尤为重要。对外部载荷的不可靠检测会妨碍精确操作的执行，甚至可能损坏被操纵的物体[1]，[2]。多轴力/扭矩传感器对于获取多维力/扭矩信息反馈至关重要[3]，[4]。在人形机器人领域，多轴力/扭矩传感器被集成到机器人的灵巧手、手腕、脚踝和关节等部位[5]，[6]，[7]，这有助于实现人机交互和精确抓取，提高机器人操作的准确性和安全性。在医疗场景中，这些传感器通常安装在末端执行器上，以提供来自生物组织的接触信息，从而提高机器人辅助手术的可靠性[8]，[9]。能够同时检测力和扭矩的双轴力/扭矩传感器在机器人关节和末端执行器中得到广泛应用。现有的大多数双轴力/扭矩传感器基于应变片、电容式和磁致伸缩传感原理[10]，[11]，[12]，[13]，[14]，[15]，[16]。Qin等人[12]提出了一种基于应变片的灯笼形测力计，用于测量不同切削条件下的工具轴向力和扭矩。结果表明，该传感器有助于实现高精度和智能化的加工，但精度仍有提升空间。Xu等人[14]，[15]开发了一种微型双轴力/扭矩传感器，用于测量针灸过程中的提升-推力（Fz）和扭转扭矩（Mz），其耦合误差小于2%。

上述双轴力/扭矩传感器存在体积庞大、分辨率有限和精度不足等缺点，不适合需要小型化和高精度的未来应用。一些研究人员发表了关于基于MEMS的双轴力/扭矩传感器的研究[17]，[18]，[19]，[20]。Thanh-Vinh等人[17]设计了一种MEMS双轴力传感器，用于直接测量滑动水滴的接触力（Fz和Fx）。他们的传感器对法向力和剪切力的分辨率分别约为6.0 nN和19.2 nN。Takahashi等人[18]开发了一种力板，能够检测细胞施加的X轴和Z轴牵引力，力分辨率小于0.05 μN。Tiwari等人[20]提出了一种MEMS微夹具，可以测量两个轴上的夹持力，灵敏度达到9 mN，分辨率为20 μN。这些传感器表现出优异的灵敏度和精度，能够测量微牛顿级别的力。然而，它们脆弱的MEMS结构缺乏有效的保护，限制了其在需要超低力检测的应用场景（如细胞操作）中的使用。现有的大多数MEMS多轴力传感器都是通过将整个芯片嵌入PDMS或环氧树脂等聚合物中来进行封装的[21]，[22]，[23]，[24]，[25]。虽然这种方法易于实现，但测量范围有限，机械稳定性较差。一些研究使用刚性树脂形成保护壳来封装芯片[26]，[27]，[28]。这种方法提供了适度的测量范围和良好的机械稳定性，但重量较大，仍有改进空间。此外，大多数研究主要集中在检测法向力和一个剪切力（Fx或Fy）上，而对力和扭矩的同时测量关注较少。上述传感器都采用离散的外围读出电路进行信号处理，这可能会引入额外的噪声，从而降低传感器的信噪比和分辨率。

为了解决这些问题，本文提出了一种单片集成的压阻式MEMS双轴力/扭矩传感器，用于检测法向力Fz和扭矩Mz，并采用坚固的封装方法来扩展测量范围。片上信号处理电路的集成使得传感器具有高灵敏度和高分辨率。实验结果表明，该传感器芯片在灵敏度和分辨率方面表现出优异的性能。将传感器芯片封装在高精度金属封装后，其测量范围扩展了28倍以上，同时保持了高分辨率。

设计及制造过程

图1(a)和(b)展示了所提出的单片集成MEMS双轴力/扭矩传感器的整体架构和关键尺寸，该传感器由力/扭矩感应单元和信号处理单元组成。外部载荷作用于力/扭矩感应单元，相应的双通道输出模拟信号被传输到模拟电路中。为了防止信号相互干扰，力/扭矩感应模块被布置在...

实验系统设置

在表征制备的传感器芯片时，设计了一个力/扭矩加载柱并将其粘接到力接触接口上。完整的测试系统如图7所示，包括一个定制的微/纳米机械测试平台、一个可移动的显微镜和一个Z轴位移台。该微/纳米机械测试平台具有超高的三轴位移精度，可以精确地将力探头移动到显微镜下的目标位置。

结论

在这项工作中，我们提出了一种基于SOI-CMOS技术的单片集成压阻式MEMS双轴力/扭矩传感器及其封装方法。集成传感器芯片的测试结果显示，峰峰值噪声小于5 μV，使得传感器具有高分辨率；Fz灵敏度为24.67 mV/N，分辨率为0.0028%满量程；Mz灵敏度为30.53 mV/N·mm，分辨率为0.0078%满量程。

作者贡献声明

Xincheng Zhu：撰写 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、可视化、验证、方法论设计、概念化。Xueliang Wang：软件开发、数据管理。Cong Lin：验证、方法论设计。Jiahao Miao：可视化处理、资源准备。Yang Zhong：资源协调、实验研究。Zhanxuan Zhou：资源管理。Xiaomei Yu：撰写 – 审稿与编辑、项目监督、实验管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本项目得到了国家关键研发计划（项目编号：2024YFF1500700）的支持和资助。

Xincheng Zhu是北京大学集成电路学院的博士生。他于2022年在中国电子科技大学获得本科学位。他的研究兴趣包括力传感器和六轴力/扭矩传感器。