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Miniaturized silicon-based capacitive six-axis force/torque sensor with large range, high sensitivity, and low crosstalk

电容感应 扭矩 解耦(概率) 电容器 炸薯条 材料科学 去耦电容器 多物理 串扰 光电子学 声学 有限元法 电子工程 电气工程 物理 电压 工程类 结构工程 控制工程 热力学
作者
Renjie Tan,Yong Xia,Xiangguang Han,Linya Huang,Wendi Gao,Jia Chen,Ping Yang,Qijing Lin,Shujiang Ding,Chenying Wang,Libo Zhao
出处
期刊:Microsystems & Nanoengineering [Springer Nature]
卷期号:10 (1) 被引量:2
标识
DOI:10.1038/s41378-024-00831-0
摘要

Abstract Miniaturized six-axis force/torque sensors have potential applications in robotic tactile sensing, minimally invasive surgery, and other narrow operating spaces, where currently available commercial sensors cannot meet the requirements because of their large size. In this study, a silicon-based capacitive six-axis force/torque sensing chip with a small size of 9.3 × 9.3 × 0.98 mm was designed, fabricated, and tested. A sandwich decoupling structure with a symmetrical layered arrangement of S-shaped beams, comb capacitors, and parallel capacitors was employed. A decoupling theory considering eccentricity and nonlinear effects was derived to realize low axial crosstalk. The proposed S-shaped beams achieved a large measurement range through stress optimization. The results of a coupled multiphysics field finite-element simulation agreed well with those of theoretical analyses. The test results show that the proposed sensing chip can detect six-axis force/torque separately, with all crosstalk errors less than 2.59%FS. Its force and torque measurement ranges can reach as much as 2.5 N and 12.5 N·mm, respectively. The sensing chip also has high sensitivities of 0.52 pF/N and 0.27 pF/(N·mm) for force and torque detection, respectively.
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