视触觉传感器的制作方法

1.本技术涉及传感器领域，具体涉及一种视触觉传感器。


背景技术：

2.触觉感知是设备获取外部信息的重要组成部分，赋予机器人触觉对于机器人的操作技能学习具有非常重要的意义。国内外设计了许多不同的触觉传感与感知系统，用于机器人感知和操作任务，比如物体特性识别、滑动检测、抓取稳定性评估、机械手的灵巧操作等。其中的视触觉传感器可以获得高分辨率的触觉信息，是通过图像感知元件捕捉压力层的形变，从而计算出触觉数据。
3.现有的视触觉传感器，精度较差，不够灵敏，同时体积较大且工艺复杂。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术中存在的缺陷，本技术提供了一种视触觉传感器，以提升准确率和精简工艺、减小体积。
5.本技术提供的视触觉传感器，包括阵列排布的多个传感单元；
6.所述传感单元包括沿竖直方向依次设置的接触层、弹性体层、超透镜、间隔层和图像传感器；所述接触层设置有能够随接触层位移或形变的标志物；
7.其中，所述超透镜包括基底和阵列排布于所述基底表面的结构单元，所述结构单元由周期性排布的纳米结构组成，以及
8.其中，所述超透镜基于纳米结构的相位分布配置为：将所述标志物成像于对应的图像传感器，以使图像传感器检测所述标志物的位移或形变。
9.优选地，所述传感单元还包括支撑层，用于支撑所述弹性体层。
10.优选地，所述支撑层为丙烯酸平板。
11.优选地，所述超透镜为会聚超透镜。
12.优选地，所述结构单元为正六边形，所述正六边形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。
13.优选地，所述结构单元为正方形，所述正方形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。
14.优选地，所述标志物为网格、矩形、六边形或三角形图案形式的呈阵列或无规则分布的色块。
15.优选地，所述标志物包括混杂排列的黑白色块。
16.优选地，所述纳米结构具体为纳米圆柱、纳米环柱、纳米圆孔、纳米环孔中的一种或多种组合。
17.优选地，所述纳米结构之间设置有填充物。
18.优选地，所述超透镜在波长λ下的相位满足：
[0019][0020]
其中，f为超透镜焦距。
[0021]
优选地，所述超透镜、间隔层和图像传感器通过键合封装，且超透镜与对应的间隔层及图像传感器同轴。
[0022]
优选地，所述接触层、超透镜及图像传感器之间的距离满足：
[0023][0024]
其中，h为接触层与超透镜的距离，l为超透镜与图像传感器的距离，f为超透镜焦距。
[0025]
优选地，所述标志物设置在所述接触层朝向图像传感器的一侧。
[0026]
优选地，所述接触层对于工作波长透明或部分透明；所述标志物嵌入设置于所述接触层内部。
[0027]
相较于现有技术，上述技术方案的优点和效果至少有：
[0028]
通过超透镜替代现有技术中的小孔成像，通光量更大，在此基础上使得成像速度更快质量更高，由于数据处理算法中涉及图像选择和拼接，所以成像更清晰会使最终传感准确率显著提高；同时相比现有技术中的小孔成像，可以不用考虑小孔成像结构的视场角减小导致小孔结构的纵向体积增大的问题，可以减小各图像传感器接受图像的重叠程度，总体而言可显著减小整体体积。超透镜兼容半导体产品的制造方式，可使用晶圆级加工与封装，易于集成和小型化，整体鲁棒性更强。超透镜阵列也可以同图像传感器阵列进行整体的晶圆级封装，加工过程简单，对准精度高。
[0029]
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的和解释性的，并不能限制本技术。
附图说明
[0030]
图1为基于超透镜的视触觉传感器结构示意图；
[0031]
图2为传感单元示意图；
[0032]
图3为图像传感器接收的接触层图案示意图；
[0033]
图4为纳米结构及填充物示意图；
[0034]
图5为纳米结构相位和透过率；
[0035]
图6为超表面结构单元排列图；
[0036]
图中：1接触层，2弹性体层，3超透镜，4间隔层，5图像传感器，6支撑层。
具体实施方式
[0037]
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的装置和方法的例子。
[0038]
在本技术使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
[0039]
应当理解的是，尽管在本技术可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本技术范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
[0040]
现有技术中的视触觉传感器使用小孔成像方案，因为小孔成像的固有特质，其通光量较小，成像不清晰，加之数据处理算法中涉及图像选择和拼接，所以成像不清晰，进而间接导致最终传感准确率低；小孔成像方案也会导致整体元件体积较大，其原因在于，若减小各个ccd接收图像的重叠程度，则需要减小每个小孔成像结构的视场角，这会导致小孔结构的纵向体积大。小孔结构制作和集成工艺也比较复杂。
[0041]
本方案将小孔成像方案替换为超透镜成像方案，可提高通光量、提升像质、并且体积小、加工工艺简单，并可采用晶圆级封装。
[0042]
如图1所示，本技术的实施例涉及一种视触觉传感器，包括阵列排布的多个如图2所示的传感单元；
[0043]
所述传感单元包括沿竖直方向依次设置的：
[0044]
接触层1(touching layer)；
[0045]
弹性体层2(elastomer)；
[0046]
超透镜3(metalens)，其中，对于单个传感单元而言，为一个超透镜，对于整体视触觉传感器而言，为超透镜阵列(metalens array)，进一步地，是在同一基底上加工出的阵列状超表面结构。
[0047]
间隔层4，其作用在于控制超透镜3与图像传感器5之间的距离，使图像传感器5能够准确成像；
[0048]
图像传感器5，可以为ccd或cmos。应理解，作为视触觉传感器整体而言为ccd阵列或cmos形成的阵列；在优选实施例中，为了与超透镜实现晶圆级封装，选用在同一晶圆上使用半导体生产工艺加工形成的图像传感器阵列。
[0049]
对上述实施例的补充说明是，cmos传感器采用一般半导体电路最常用的cmos工艺，具有集成度高、功耗小、速度快、成本低等特点，最近几年在宽动态、低照度方面发展迅速。cmos即互补性金属氧化物半导体，主要是利用硅和锗两种元素所做成的半导体，通过cmos上带负电和带正电的晶体管来实现基本的功能。这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片记录和解读成影像。ccd是指电荷耦合器件，是一种用电荷量表示信号大小，用耦合方式传输信号的探测元件，具有自扫描、感受波谱范围宽、畸变小、体积小、重量轻、系统噪声低、功耗小、寿命长、可靠性高等一系列优点，并可做成集成度非常高的组合件。
[0050]
其中的接触层1为与外界物体或力的接触面，设置有标志物，例如随机颜色块的阵列。外界物理或力会使接触层1产生形变，从而使图像传感器接收到的图案发生变化。图像
传感器通过记录对比形变前后的图案，来反演出触觉信息。实现触觉传感的目的。
[0051]
优选实施例中，标志物可以为贴覆于接触层的标志物层，也可以是位于接触层上的能够被图像传感器识别的，具备形状和/或色彩识别度的结构或图案。标志物的形式可以为网格、矩形、六边形或三角形图案形式的呈阵列或无规则分布的色块。如图3所示为黑白相间的色块。标志物可以设置在所述接触层朝向图像传感器的一侧，便于图像传感器成像，或者，在不影响图像传感器成像的前提下(如接触层透明)，也可设置于另一侧，或嵌于接触层内部。
[0052]
本实施例中的超透镜包括基底和阵列排布于所述基底表面的结构单元，所述结构单元由周期性排布的纳米结构组成，所述超透镜基于纳米结构的相位分布配置为：将所述接触层设置的图形成像于对应的图像传感器。
[0053]
对上述实施例的补充说明是，上述的超透镜中纳米结构的周期性排布具体包括矩形、正方形、扇形、多边形等规律性的排布方式。本实施例中的超透镜可选会聚透镜，其焦点位于图像传感器，其中纳米结构的选型基于已构建的纳米结构数据库，纳米结构包括纳米圆柱、纳米环柱、纳米圆孔、纳米环孔等。纳米结构单元包括基底和基底上的纳米结构，纳米结构之间可以以空气为间隔，也可填充其他材料，起到保护微纳结构的目的。所选纳米结构不仅在工作波段需要高透过率，并且满足0～2pi的相位全覆盖，如图5。
[0054]
对上述实施例的补充说明是，超表面单元的基底和纳米结构的选择，为工作波段的高透过率材料。超表面单元的基底和纳米结构的选择，为工作波段的高透过率材料：当工作波段是可见光时，基底材料可选用熔融石英、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石等可见光透明材料，纳米结构可选氮化硅、氧化钛、氮化镓、磷化镓、氢化非晶硅、蓝宝石和氧化硅等材料；当工作波段是远红外(8-12μm)时，基底材料可选用硫系玻璃、硫化锌、硒化锌、晶体锗和晶体硅等材料，纳米结构可选用晶体硅、晶体锗等材料。
[0055]
在优选实施例中，阵列排布的多个传感单元中，基底为一体，在所述基底上加工阵列状超表面结构，形成超透镜阵列。
[0056]
在优选实施例中，图像传感器为一体加工形成的传感器阵列。
[0057]
在优选实施例中，超透镜阵列与传感器阵列封装为一体，并铺设接触层、弹性体层等。形成多个传感单元组成的阵列。
[0058]
在优选实施例中，还包括用于支撑弹性体层的支撑层6。支撑层6可以使用丙烯酸材料制成的板状结构。
[0059]
如图3所示，所述图形为基于预设规则排列的黑白色块。
[0060]
在优选实施例中，所述结构单元为正六边形，所述正六边形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。或者，所述结构单元为正方形，所述正方形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。理想状态下，结构单元应为六边形定点及中心排布的纳米结构，或者为正方形定点及中心排布的纳米结构，应当理解，实际产品可能因超透镜形状的限制，在超透镜边缘有纳米结构的缺失，使其不满足完整的六边形/正方形。具体的，如图6所示，所述结构单元由纳米结构按照规律排布而成，若干个结构单元成阵列排布形成超表面结构。
[0061]
如图6左侧中示出的一个实施例，包括一个中枢纳米结构，其周围环绕着6个与其距离相等的周边纳米结构，各周边纳米结构圆周均布，组成正六边形，也可理解为多个纳米结构组成的正三角形互相组合。
[0062]
如图6右侧中示出的一个实施例，为一个中枢纳米结构，其周围环绕着4个与其距离相等的周边纳米结构，组成正方形。
[0063]
在优选实施例中，纳米结构具体为纳米圆柱、纳米环柱、纳米圆孔、纳米环孔中的一种或多种组合。
[0064]
在优选实施例中，纳米结构之间设置有填充物。这里的填充物可以是空气，也可以是其他材质。起到保护纳米结构的目的。
[0065]
在优选实施例中，超透镜在波长λ下的相位满足：
[0066][0067]
在设计过程中，根据纳米结构在不同波长下所需的相位，在纳米结构数据库中查找相位最接近的纳米结构，寻找纳米结构可选用最小化加权误差的优化算法，可用如下的公式表示其原理：
[0068][0069]
其中，δ(x,y)为超表面坐标(x,y)处的总误差，φ(x,y,λ)为波长λ下的理论相位，为数据库中第j个结构的在波长λ下的实际相位，和ci为此波长的权重系数，一般情况下，权重为1。通过在整个数据库的搜索，寻找使得总误差δ最小的结构放置在超表面(x,y)位置。
[0070]
对上述实施例的补充说明是：如图2所示，对于单个触觉传感器单元，接触面与超透镜的距离为h，超透镜与图像传感器的距离为l(由间隔层4的厚度对l的值进行控制)，超透镜的焦距为f，三者满足物像关系式：
[0071][0072]
触觉感知方向有两种，切向力和法向力。而对于视触觉传感器来说，切向力和法向力会引起接触层图案的变化，包括法向和切向的移动。图像传感器通过探测图案的大小和位置来分别得到法向力和切向力的信息。法向力对应图像传感器上光斑面积直径，切向力对应图像传感器上光斑中心位置的移动量。
[0073]
切向力和法向力的灵敏度关系式如下所示：
[0074][0075]
以及：
[0076][0077]
接触层的图案可以为颜色块图，实施例中为简便且提高准确率，设定接触层为黑白块图，如图3所示。其中，左图为接触层的设定图案。假定有2x2的图像传感器阵列接收，则每个图像传感器接收到的图案如右图所示。每个图像传感器接受到的图像都与相邻图像传感器接收到的图像存在重叠，可通过交叉相关算法进行识别，然后拼接成图案。触觉传感通
过以下方式实现：将自然无接触下的已知接触层图案，与存在接触下的形变图案做对比，然后提取出形变信息，进而得到触觉信息，包括法向力和切向力，上述方法的具体实施方式可通过现有技术实现，在此不再赘述。
[0078]
在优选实施例中，超透镜、间隔层和图像传感器通过键合封装，且超透镜与对应的间隔层及图像传感器同轴。进一步地，每个单独的所述超透镜与对应的所述间隔层中空部及图像传感器同轴。
[0079]
在优选实施例中，超透镜和图像传感器通过晶圆级封装，将晶圆状态下的超透镜阵列与晶圆状态下的图像传感器封装后，设置接触层、弹性体层等，依照所需尺寸或形制进行切割，得到所需的视触觉传感器单元或阵列，对准精度较高。
[0080]
应理解的是，超透镜兼容半导体产品的制造方式，可使用晶圆级加工与封装，易于集成和小型化，整体鲁棒性更强。也可如本优选实施例中所描述的，将超透镜阵列同图像传感器阵列进行整体的晶圆级封装，加工过程简单，对准精度高。
[0081]
以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。