微型六轴力/力矩传感器在机器人触觉感知、微创手术以及其它狭小空间操作等领域具有广阔的应用前景。目前大多数商用传感器由于尺寸过大难以满足这些应用需求。采用硅微加工技术制造的硅基微机电系统（MEMS）六轴力/力矩传感器具有微型化和批量制造的优势，为解决尺寸大、成本高等问题提供了理想的方案。
据麦姆斯咨询报道，近期，西安交通大学赵立波教授、韩香广助理教授团队开发出一种基于电容检测原理的三明治结构MEMS六轴力/力矩传感芯片。该芯片采用解耦结构，将S形梁、梳状电容和平行板电容按对称层状排列，实现了全方向力/力矩的高精度解耦检测。相关研究成果以“Miniaturized silicon-based capacitive six-axis force/torque sensor with large range, high sensitivity, and low crosstalk”为题发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。
现有的硅基电容式MEMS六轴力/力矩传感芯片较少对所有串扰误差进行系统分析和测试评估。由于解耦结构设计和解耦理论的复杂性，大多数芯片存在严重的串扰问题。在这项研究工作中，研究团队设计、制造并测试了一款尺寸仅为9.3 mm × 9.3 mm × 0.98 mm的电容式MEMS六轴力/力矩传感芯片。该芯片采用三明治解耦结构，S形梁、梳状电容和平行板电容呈对称层状排列。通过建立考虑偏心和非线性效应的解耦理论，实现了低轴向串扰。创新设计的S形梁经应力优化后获得了较大的测量范围。耦合多物理场有限元仿真结果与理论分析结果高度吻合。
图1 本研究提出的MEMS六轴力/力矩传感芯片及其调理电路
图2 六轴力/力矩的解耦原理
图3 位移敏感度的优化
图4 S形梁的优化
图5 有限元仿真结果
图6 芯片制造过程
为了测试MEMS六轴力/力矩传感芯片的性能，研究团队搭建了标定设备，通过六轴力/力矩加载测试获得了该芯片的基本性能参数。测试结果表明，该芯片能够实现六轴力/力矩的独立检测，具有优异的解耦性能，所有串扰误差均低于2.59%FS。其力和力矩测量范围分别达到2.5 N和12.5 N·mm，力和力矩检测灵敏度分别达到0.52 pF/N和0.27 pF/(N·mm)。
图7 芯片的负载测试
图8 矩阵拟合六轴力/力矩解耦输出的测试曲线
综上所述，这项研究开发了一种具有S形梁、梳状电容和平行板电容的微型电容式MEMS六轴力/力矩传感芯片，实现了全方向力/力矩的高精度解耦检测。通过优化设计，所开发的小型传感芯片实现了大量程、高灵敏度和低串扰的出色性能，在机器人触觉感知和生物医学等领域具有广阔的应用前景。
论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41378-024-00831-0
