的阐释说明。
[0033]如图1-3所示，本发明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13、控制电路11、驱动电路12、电脑(PC)1等部分，其中:
[0034]电容式超声传感器阵列13由电脑10编程后经由控制电路11对传感器阵列单元13进行行、列的单独控制。驱动电压由直流偏置和交流信号共同组成，直流偏置可以为5V?100V，交流信号幅值可以为5V?50V。根据设定好的虚拟物体三维形状，例如圆形、方形、锥形或者其他形状，选择空间中若干个超声波聚焦点，可以为9个或者更多，电脑经驱动电路12在传感器阵列单元13上加载相应的驱动电压，从而提供不同的触觉反馈和虚拟触觉的形状。
[0035]本发明的超声触觉反馈系统具体实施步骤如下:
[0036]步骤1:电脑10经由控制电路11对电容式超声传感器阵列13单元行、列进行单独控制；
[0037]步骤2:控制电路11连接驱动电路12，驱动电压由直流偏置和交流信号共同组成，直流偏置可以为5V?10V，交流信号幅值可以为5V?50V。
[0038]步骤3:驱动电路12连接到电容式超声传感器阵列13上，各个单元的超声波在空间相互作用，在传感器上方形成若干个声聚焦点，可以为9个或者更多，构成虚拟物体形状14 ；
[0039]步骤4:参与者将手放在超声传感器上方，即可感受到虚拟物体的形状，实现触觉反馈功能。
[0040]电容式超声传感器阵列13主要功能是发射超声波，传感器阵列13可以是mXn的阵列，例如16X16的传感器阵列。每一个电容式超声传感器单元主要由振膜、空腔、绝缘层、上下电极结构组成。通过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。
[0041]本发明超声触觉反馈系统用的电容式超声传感器单元的制备具体步骤如下:
[0042]步骤1:选择低阻硅衬底23，清洗干净之后，在硅衬底上采用热氧化工艺沉积一层氧化硅22 ；
[0043]步骤2:在硅衬底的氧化层上涂抹一层光刻胶，准备好光刻版，经过曝光、显影、后烘之后，通过湿法腐蚀或干法刻蚀，在硅衬底上形成圆形或其他形状的空腔阵列结构，单元尺寸可以为几十到几百微米；
[0044]步骤3:准备SOI片(基于玻璃绝缘体的硅晶片)，清洗干净，做湿法和干法表面活化处理，做好键合准备；
[0045]步骤4:对带有空腔的硅衬底做湿法和干法表面活化处理，然后与步骤3中SOI低温直接键合；
[0046]步骤5:用TMAH腐蚀液(四甲基氢氧化铵)腐蚀掉SOI的底硅，接着用BOE溶液(Β0Ε缓冲蚀刻液是HF与NH4F依不同比例混合而成。6: IBOE蚀刻即表示HF: NH4F =I: 6的成分混合而成。HF为主要的蚀刻液，NH4F则作为缓冲剂使用)腐蚀掉SOI片的埋氧层，最后只留下SOI的顶硅21在硅衬底上，作为电容式超声传感器的振膜；
[0047]步骤6:在振膜上涂抹一层光刻胶，使用掩膜版，经曝光、显影、后烘之后，沉积200nm金属Al，采用剥离工艺在振膜上形成彼此交联的上电极图形20，之后去除残留的光刻胶，形成图形化上电极。最后即得到本发明所述的电容式超声传感器单元。
[0048]也可以通过上述方法同时制作MXN的电容式超声传感器阵列。
[0049]通过实验验证，本发明的超声触觉反馈系统能够产生较强的触感体验，并且制作更为容易，成本更低，可以广泛应用于游戏、虚拟仿真等系统中。
[0050]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一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。
2.根据权利要求1所述的超声波触觉反馈系统，其特征在于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。
3.根据权利要求2所述的超声波触觉反馈系统，其特征在于所述mXn个电容式超声传感器单元由所述控制电路并行控制。
4.根据权利要求1所述的超声波触觉反馈系统，其特征在于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。
5.根据权利要求4所述的超声波触觉反馈系统，其特征在于所述直流偏置信号的幅值为5V?10V，所述交流信号的幅值为5V?50V。
6.根据权利要求1所述的超声波触觉反馈系统，其特征在于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。
7.根据权利要求1所述的超声波触觉反馈系统，其特征在于所述电容式超声传感器单元为圆形或方形。
8.一种电容式超声传感器单元的制造方法，包括以下步骤: 步骤1:在硅衬底上沉积一层氧化硅； 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； 步骤3:准备SOI片，做好键合准备； 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； 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； 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。
9.一种电容式超声传感器阵列的制造方法，采用如权利要求8所述的电容式超声传感器单元的制造方法同时制作mXn的电容式超声传感器阵列，其中m、n是自然数。
10.一种超声波触觉反馈系统的制造方法，其特征在于，采用如权利要求9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。
【专利摘要】本发明公开了一种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、计算机等部分。计算机控制超声发射信号加载到电容式超声传感器阵列单元上，使传感器各个单元在空间中产生多种幅度和相位的超声波辐射场，相互作用之后形成若干个声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，从而实现触觉反馈功能。本系统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，与传统的压电式超声传感器相比，易于与驱动电路、控制电路集成，降低了系统损耗、提高了信噪比，并且极大的减小了器件的尺寸，为超声波触觉反馈功能集成到芯片上提供了可能，制作更为容易，成本更低，适合批量生产。
【IPC分类】G06F3-043, G06F3-01
【公开号】CN104866098
【申请号】CN201510266849
【发明人】王小青, 宁瑾, 徐团伟, 俞育德, 魏清泉, 刘文文, 蒋莉娟
【申请人】中国科学院半导体研究所
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年5月22日