面向触觉感知的全柔性大面积MEMS三轴力传感器
2026-07-04 20:54:56 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

比利时微电子研究中心（imec）的研究团队近期开发了一种基于电容式MEMS的全柔性大面积三轴力传感器，并且，该传感器兼容平板显示器制造工艺。

汽车电子、消费电子、机器人和假肢等越来越多的应用开始需要更复杂的触觉感知功能。在此背景下，柔性三轴力传感器正变得日益重要，其能够实现更直观的触觉应用、更安全的人机交互以及更丰富的功能性。

触觉反馈能够模拟实体按键所提供的自然力反馈，已成为下一代技术的主要目标之一。这些触觉反馈功能通常通过微机械超声换能器（MUT）技术实现。现有技术要么采用压电薄膜材料层，形成压电式微机械超声换能器（PMUT），要么基于电容式换能原理，即电容式微机械超声换能器（CMUT）。PMUT和CMUT均已证明与平板显示器制造工艺兼容，并具备实现大面积全柔性拼接的特性。

目前通过标准的微加工工艺制造的电容式三轴力传感器，是基于集成有CMOS技术的单片式Si-MEMS（硅基微机电系统）构建的。然而，这类传感器具有刚性，通常安装在刚挠结合印制电路板（PCB）上或集成于刚性基板上，导致其覆盖面积比和空间灵敏度受限；其缺乏足够的柔性，无法用于曲面共形覆盖。由于制造工艺的限制，其压力灵敏度和剪切灵敏度分别被限制在10⁻¹ pF/kPa和10⁻² pF/kPa量级。实际上，尽管可以通过利用导电键合焊盘和硅通孔（TSV）将Si-MEMS与CMOS电子器件进行晶圆级键合来构建传感电容器，但所能制造的最小电容器间隙被限制在1 μm量级，从而导致传感性能受限。

据麦姆斯咨询介绍，比利时微电子研究中心（imec）的研究团队近期开发了一种基于电容式MEMS的全柔性大面积三轴力传感器，并且，该传感器兼容平板显示器制造工艺。该技术为低成本批量生产高灵敏柔性三轴力传感器提供了全新方案。相关研究成果已经以“Fully flexible large-area MEMS-based triaxial force sensor compatible with flat panel display manufacturing”为题，发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。

全柔性大面积MEMS三轴力传感器的设计和制造

该研究提出的全柔性大面积MEMS三轴力传感器，可兼容标准的平板显示器制造工艺。该传感器由独立的微型力传感器件（研究人员称为微像素传感单元，类似于图像传感器中的像素）排布在柔性箔片（即贴片）上构成，这些像素嵌入了MEMS结构，可独立检测压力和剪切力。

图1a展示了传感器贴片，包括不同组件和材料。该器件由排列的微像素传感单元组成（见图1b的细节），具备三轴力检测功能，制作在柔性聚酰亚胺（PI）箔片上。微像素传感单元集成了电容式MEMS结构，由氮化硅（Si₃N₄）蝶形板构成，悬浮在四个桥臂上，并带有集成的钛/铂（Ti/Pt）顶部电极。此外，光敏有机环氧永久性材料置于层状板顶部，形成一个中心凸点，该层的作用是捕捉面内力。

柔性MEMS三轴力传感器示意图，主要组件、材料及特征尺寸

图1 柔性MEMS三轴力传感器示意图，主要组件、材料及特征尺寸

图1c、d展示了电容式MEMS传感结构的剖面视图。四个独立的Ti/Pt底部电极与顶部电极共同构成悬浮蝶形板中的集成结构，并形成四个独立的电容器，即C₁₁、C₁₂、C₂₁、C₂₂。需要注意的是，该系统具有双对称性，保证了面内响应的各向同性。

柔性MEMS三轴力传感器制造工艺流程

图2 柔性MEMS三轴力传感器制造工艺流程

图3a展示了映射在玻璃晶圆上的传感器贴片，突出显示了两种贴片尺寸，即2.7 × 2.7 cm²和2 × 1 cm²。在这两种考量情况下，传感像素面积分别为1.7 × 1.7 cm²和2 × 0.5 cm²，贴片的剩余面积则被用于后续电子集成的电气连接。值得注意的是，基于聚酰亚胺的堆叠结构几乎透明。

全堆叠传感器贴片，主要组件和尺寸说明

图3 全堆叠传感器贴片，主要组件和尺寸说明

传感器贴片设有分配像素的感应区域，以及专门用于与外部电子设备电连接的外围区域。将其从玻璃基板上切割并剥离，以获得不同尺寸的贴片。同时，在其侧面键合了市售的68针柔性印刷电路（FPC），作为与下游电子设备的柔性电连接，如图4a所示。

值得注意的是，得益于与平板显示器制造工艺的兼容性，可采用薄膜晶体管（TFT）显示技术中使用的标准连接方式与外部电子元件相连。该工艺的处理结果如图4b所示，其中2.7 × 2.7 cm²传感器贴片四边均粘有柔性连接器；而图4c则展示了一个2 × 1 cm²传感器贴片，其仅配备一个柔性连接器。

所制备的全柔性传感器贴片，主要组件及尺寸说明

图4 所制备的全柔性传感器贴片，主要组件及尺寸说明

传感像素模型示意图

图5 传感像素模型示意图

数值模拟与实验结果

研究人员通过机械、电学及阵列层面的系统测试，对所提出的柔性MEMS三轴力传感器进行了全面验证。所构建的三维有限元（3D FEM）模型能够准确预测器件因制造残余应力产生的初始形变，并在点载荷、电静力、压力和剪切力测试中与实验结果保持高度一致。

实验表明，该柔性MEMS三轴力传感器的归一化压力灵敏度达到0.0013 kPa⁻¹，归一化剪切灵敏度达到2.6 × 10⁻³ kPa⁻¹，均显著优于现有电容式柔性三轴力传感器。同时，器件在约1.1亿次动态循环测试后仍保持稳定性能，验证了其优异的长期可靠性。

初步阵列测试进一步证明了该设计具备良好的阵列扩展能力，以及与平板显示器制造工艺兼容的大面积集成潜力，为电子皮肤、机器人触觉感知等高性能柔性触觉传感应用奠定了基础。以面积为1 cm²的29 × 29阵列为例，每个独立电容器单元的预测初始电容为640 pF，对应的压力灵敏度和差分剪切灵敏度分别为0.841 pF/kPa和2.859 pF/kPa。

全柔性大面积MEMS三轴力传感器阵列表征