一种超声波触觉反馈系统及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种超声波触觉反馈系统，更具体地涉及一种超声波触觉反馈系统及其制造方法。
【背景技术】
[0002]触觉是人类感官中一项非常重要的体验，可以带给人身临其境的感受。近年来，触觉反馈技术快速发展，在远程通讯、娱乐活动、手术治疗等中都有广泛的应用，许多智能手机和电子设备上都采用了这种功能。传统的触觉反馈技术都需要使用者触摸到真实物体表面，从而产生触觉感受，例如在手机上配制触觉反馈技术的屏幕，可以在用户按到屏幕上的虚拟按键时，用微弱电流的方式给手指以反馈，使用户有按下真实按键的感觉。
[0003]近年来，一种基于超声波的触觉反馈技术，不需要用户直接接触物体，但可让用户的双手感觉到好像是在触摸真实物体表面，可以让手势控制和虚拟现实更加真实、更有代入感，让虚拟世界的感觉更丰富。基于超声波的触觉反馈技术，主要依赖于超声传感器发射超声波，人的手掌中有一些特殊的部分对于超声波的识别率很好，当向手掌发送多种超声波时，人能够分清其中的不同。将手放在超声传感器上方时，传感器发射超声波在空气中形成若干个超声波聚焦点，构成所设定的虚拟物体形状，此时仪器将超声波投射到手上时，人便可以感受到它。通过计算机控制超声传感器，使其发射多种幅度和相位的超声波，可以提供不同的触觉反馈和虚拟触觉的形状。
[0004]但是，目前的超声波触觉反馈系统，由于采用压电式超声传感器，存在系统损耗较大，制作工艺复杂，成本高，不易于电子电路集成等弊病。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于电容式超声传感器的超声波触觉反馈系统，从而可以降低系统损耗，易于加工集成。
[0006]为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提出了一种超声波触觉反馈系统，包括超声传感器阵列、控制电路、驱动电路，所述控制电路和驱动电路共同控制所述超声传感器阵列所发射的超声波的相位和/或幅值，其特征在于，所述超声传感器阵列为电容式超声传感器阵列。
[0007]其中，所述电容式超声传感器阵列是由mXn的电容式超声传感器单元组成的二维阵列，其中m、n是自然数。
[0008]其中，所述mXn个电容式超声传感器单元由所述控制电路并行控制。
[0009]其中，所述驱动电路通过驱动电压来控制所述超声传感器阵列，所述驱动电压由直流偏置信号和交流信号共同组成。
[0010]其中，所述直流偏置信号的幅值为5V?100V，所述交流信号的幅值为5V?50V。
[0011]其中，所述电容式超声传感器单元包括振膜、空腔、绝缘层、上下电极结构，通过表面加工技术或键合技术制备而成。
[0012]其中，所述电容式超声传感器单元为圆形或方形。
[0013]作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种电容式超声传感器单元的制造方法，包括以下步骤:
[0014]步骤1:在硅衬底上沉积一层氧化硅；
[0015]步骤2:在硅衬底的氧化层上涂抹光刻胶，经曝光、显影、后烘后，通过湿法腐蚀或干法刻蚀，在所述娃衬底上形成所述超声传感器单元的空腔结构；
[0016]步骤3:准备SOI片，做好键合准备；
[0017]步骤4:对步骤2中得到的带有空腔的硅衬底进行表面活化处理，然后与步骤3中的SOI片低温键合；
[0018]步骤5:用TMAH腐蚀液腐蚀掉所述SOI片的底硅，接着用BOE溶液腐蚀掉所述SOI片的埋氧层，最后只留下所述SOI片的顶硅在硅衬底上，作为所述电容式超声传感器单元的振膜；
[0019]步骤6:在所述振膜上形成彼此交联的图形化上电极，即得到所述的电容式超声传感器单元。
[0020]作为本发明的再一个方面，本发明还提供了一种电容式超声传感器阵列的制造方法，采用如上所述的电容式超声传感器单元的制造方法同时制作m X η的电容式超声传感器阵列，其中m、n是自然数。
[0021]作为本发明的还一个方面，本发明还提供了一种超声波触觉反馈系统的制造方法，其特征在于，采用如上所述的电容式超声传感器阵列的制造方法来制造所述超声波触觉反馈系统的超声传感器阵列。
[0022]由此可见，与现有技术相比，本发明的基于电容式超声传感器的超声波触觉反馈系统具有以下有益效果:(1)本发明由于采用了电容式超声传感器阵列作为系统的超声波发射器件，易于后续驱动电路、控制电路集成，可以极大的减小器件的尺寸、降低系统损耗、提高信噪比等，改善系统的性能，并且为将超声波触觉反馈系统集成到芯片上提供了可能；
(2)本发明相比传统的压电式超声传感器，容易制备出适合各种频率范围应用的超声波传感器阵列，制作更为容易，成本更低。
【附图说明】
[0023]图1是本发明的超声波触觉反馈系统的总体框架示意图；
[0024]图2是本发明的电容式超声传感器单元器件层状结构示意图；
[0025]图3是本发明的电容式超声传感器圆形阵列的结构示意图。
【具体实施方式】
[0026]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0027]与传统的压电式超声传感器相比，电容式超声传感器具有以下优点:第一、采用大规模集成电路的制作方法，可以批量制造，制造成本低；第二、与标准IC工艺兼容，传感器驱动电路、控制电路可集成在同一芯片上，减小芯片引脚、寄生电容及噪声信号；第三、适合制造二维面阵结构，极大地改善了灵敏度和发射声压，工作频率范围宽；第四、具有更低的机械阻抗，更易实现与空气或液体等周围环境的阻抗匹配；第五、与压电式超声传感器相比，电容式超声传感器对温度更加不敏感，具有更加广泛的应用范围。
[0028]本发明将电容式超声传感器用于超声波触觉反馈系统，利用了电容式超声传感器的优势，可以极大的降低系统损耗，改善系统的性能，并且为后续超声波触觉反馈技术集成到已有芯片中提供了一种可能。
[0029]本发明公开的基于电容式超声传感器的超声波触觉反馈系统包括电容式超声传感器阵列、控制电路、驱动电路、电脑(PC)等部分。每一个传感器单元的幅值和相位均由PC发出指令，由控制电路和驱动电路同步控制，产生相应的电压波形输出，作用到相应的电容式超声传感器单元上。
[0030]电容式超声传感器主要由振膜、空腔、绝缘层、上下电极结构组成，既可以发射超声波，又可以接收超声波。当传感器处在发射模式时，通过在上电极施加直流和交流信号在振膜上，引起振膜的振动，从而向外发射超声波；当传感器处在接收模式时，在振膜上只加载直流信号，当超声波作用到振膜上，振膜振动引起传感器电容的变化，进而响应并输出外部信号。电容式超声传感器可以用表面加工技术或键合技术制备而成，表面加工工艺是通过沉积牺牲层材料、振膜材料之后，引入腐蚀液移除牺牲层来形成空腔。键合技术包括阳极键合、硅片直接键合、以粘合剂为中间介质的键合技术等，可以将振膜与空腔分开制备，之后通过键合形成密闭空腔结构。
[0031]通过计算机控制电容式超声传感器阵列，使其发射多种幅度和相位的超声波，多个超声波传感器单元的辐射场相互作用，从而在传感器阵列上方形成若干个超声波聚焦点，在这些聚焦点上具有较强的声辐射力，当把手放在传感器阵列上方时，声辐射力压迫皮肤，能够产生触觉的感觉。改变超声波传感器阵列各个单元的驱动电压，可以在不同空间点上形成超声波聚焦点，即超声波聚焦点在空间可控，多个聚焦点组成虚拟的空间立体图形的形状，当用手去触摸时，此时就会产生触摸真实物体的感觉，实现触觉反馈功能。
[0032]下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步