六维力传感器的技术壁垒体现在哪？

六维力传感器的价值量高、技术难度大，Know how 要求多，技术壁垒主要体现为设计、算法、工艺的精湛结合，结构设计、解耦、标定检测、加工工艺等多个方面共同构成六维力传感器制造“系统工程”：

1.结构设计：弹性体和应变片设计涉及多个关键点

六维力传感器结构设计涉及多个关键点，如弹性体的选择与优化、应变片设计与选择等，共同构成六维力传感器高精度、高稳定性和高可靠性的基础。其中弹性体的结构直接影响传感器的灵敏度、刚度、动态性能、维间耦合等特性。弹性体的结构设计是六维力传感器的核心，需要平衡刚度与灵敏度。弹性体的刚度决定传感器的测量范围，刚度越大，量程越大，但灵敏度就越小，因此如何在刚度和灵敏度之间平衡，成为弹性体的设计的壁垒之一，在结构设计和材料选择方面具较多 Know how：1）结构：结构设计时需考虑量程、重量限制、尺寸限制、安全载荷下的强度、电路板放置、与其它结构的机械配合等多种因素，也需充分考虑力传递的均匀性和灵敏度，确保传感器能够准确感知多维力的变化；2）材料：需考虑材料力学性能、刚度、稳定性及加工精度等因素，比较好的弹性体材料应具备良好的弹性恢复能力和缓解疲劳性能，以确保传感器在长期使用过程中保持高精度和稳定性。 当前弹性体的结构有多种类型，各有优劣，尚未收敛。美国斯坦福大学人工智能研究所设计的十字交叉梁结构的六维腕力传感器，其采用“马提斯十字梁”(Maltess Cross)结构，是应用最广泛的一种结构，优点是结构对称，同时降低了高度使得传感器结构紧凑，并且维间耦合小，易于实现温度补偿，但也存在抗过载能力较差，动态特性难于提高等缺点。

应变片设计与选择方面，应变片类型较多，且影响工艺路线，knowhow 较深。应变片主要包括金属应变片和半导体应变片，其中金属应变片主要包括丝式、箔式等，半导体应变片则主要包括体型、薄膜型、扩散型等，种类较多。不同类型的应变片影响其与弹性体的连接工艺。金属应变片在与弹性体相连接时主要采用胶水粘贴的工艺，需人工贴片；而半导体应变片则可以采用玻璃微熔工艺，可实现大批量自动化生产。因此，应变片的设计与选择也具有较深壁垒。

弹性体和应变片的选择会影响六维力的温度漂移与补偿。温度漂移是指不同环境的温度变化会对影响传感器性能，是传感器需要解决的重要问题之一。以应变式六维力传感器为例，应变片电阻值变化主要有两个来源，其一是正常的金属应变效应或者半导体压阻效应，另一来源则是温度漂移：应变效应、压阻效应：受力时，弹性体形变带动应变片形变，金属应变效应或者半导体压阻效应导致应变片的电阻值发生变化；此原因即为常温下力传感器的测量原理，应变片的形变仅由弹性体带动。虚假应变（温度漂移）：当环境温度变化时，一方面引起材料电阻系数的变化，直接导致电阻值变化（而不是力作用）；另一方面会引起应变片与弹性体的体积发生不同程度变化，产生不同应变值，导致电阻值变化。此时应变片的形变是虚假应变，又被称为热输出，需要通过温度补偿进行消除。弹性体的材料可能影响温度漂移。同样的应变片粘贴于不同材料弹性体上时，温度变化会影响弹性体材料的弹性模量，进而导致六维力的产生不同程度的虚假应变。因此，弹性体设计时需注重材料选择。 补偿应变片法是常用的温度补偿方法，高精度补偿需具备较高Know how。补偿应变片法是使用两个相同的电阻应变片，一片为工作应变片，粘贴在需要测量应变的地方；另一片为补偿应变片，粘贴在与同材料、同温度条件但不受力的补偿件上，并与工作应变片作为邻臂接入电桥中，补偿应变片不承受应变，只感受温度变化。由于两个应变片处于相同的温度场中，所以温度变化引起的应变相同，因而可以消除温度的影响。然而整体来看，通过硬件设计进行温度补偿较难做到高精度补偿，高精度温度补偿还需结合软件算法，具备较高Know how。

2.解耦：结构、算法双解耦难度高

消除维间耦合（即解耦）是六维力传感器需解决的核心问题。理想情况下，六维力传感器各通道间不存在维间干扰，每个通道电压输出只与本通道的加载力/力矩有关，与其它通道无关；但事实上由于弹性体机械结构、传感器机械加工精度、应变片粘贴技术、测量方法等原因，几乎任何通道输出信号会受各个方向力/力矩的影响，某一通道的输出信息可认为是由该通道输入的力/力矩和其余耦合通道输入的力/力矩共同作用之和，即存在维间耦合。

多维力传感器的耦合问题产生的原因包括结构性耦合和误差性耦合。结构性耦合主要是因为弹性体是一体化结构，在结构设计上某些方向存在耦合；误差性耦合产生的原因主要是制造工艺和贴片水平的限制。因此要提高六维力传感器感知的精确性需要进行解耦，主要包括结构解耦和算法解耦。

方案一：结构解耦

在解耦结构设计方面：由于结构加工和工艺误差等原因，不同维度之间的力信号可能会相互干扰，影响测量精度。可通过结构设计来提高解耦的精度，结构解耦是从误差根源入手，通过合理布局、制造工艺和机械设计，将不同维度的力信号分离开，减少相互间干扰。通过弹性体结构的设计，多维力传感器能够在受到外力作用时，将多维力及力矩分量转换为可测量的电信号。例如，一种具有滑移结构的六维力传感器通过滑移结构将十字梁进行限制，使其只在需要的方向移动，具备结构解耦的特性。但结构解耦存在加工难度高、不易实现、成本较高等难点，壁垒较高。

方案二：算法解耦

算法解耦通过软件算法的设计对六维力传感器进行解耦。相比结构解耦，算法解耦灵活性高、成本低、更易实现，分为线性解耦和非线性解耦：1）线性解耦假设六维力传感器的输入和输出呈线性关系，基于最小二乘法来计算系数矩阵的广义逆，是最简单、应用最广泛的解耦算法。但不同通道的输入、输出数据之间并不总是线性关系，出现微小扰动可能使得解耦精度发生偏差。2）非线性解耦算法种类较多，各有优劣，尚未收敛。非线性解耦算法包括反向传播神经网络（BP）、径向基函数（RBF）、支持向量机算法（SVR）、极限学习机算法（ELM）等等，可处理非线性映射关系，误差相比线性解耦有明显改善，但也存在计算复杂、所需训练样本多、耗时长等缺点，厂商也需要对解耦模型进行改进，增加解耦成本。

3.标定与检测：六维联合加载标定复杂度高，设备需自研

六维力传感器在设计、制造完成后，或者使用一段时间后，需对其进行标定和校准，以确定其输入、输出间的关系是否变化，确保各项性能指标满足要求。标定是指通过试验方法记录输入-输出数据，将已知的被测量(即标准量)输入传感器，得到传感器的输出量，建立输出量与输入量之间的对应关系，从而得到一系列表征两者关系的标定曲线，进而得到获得六维力传感器内部算法的各个参数，也就是建立传感器原始信号和受力之间的映射关系。检测是指加载已知理论真值的载荷（输入）并同时记录传感器测量结果（输出），统计、比较测量结果和理论真值的差异，获得传感器的精度和准度，也就是测试传感器准不准。简单来说，标定是获得传感器参数，检测是获得传感器的精准度。

标定

从原理上来看，六维力传感器在测量时，弹性体上会受到六维力/力矩的作用，以F 来表示；而传感器输出的电压信号则用 V 表示。六维力的输入矩阵F 和输出矩阵 V 之间的关系为：F=C×V，C 即为标定矩阵。传感器的标定就是求标定矩阵C，即根据加载在传感器上的已知力 F（标定力）和传感器六通道的电压输出值V，求解出矩阵 C。C 已知后，在传感器上施加任意方向大小的载荷，就可以根据输出电压 V 得到传感器上加载的力 F 的大小。

六维力传感器的标定需要同时考虑六个维度，六维联合加载标定的样本空间复杂程度高。对于六维力传感器而言，在标定时需要六维联合加载标定，即三个方向的力（Fx、Fy、Fz）和三个方向的力矩（Mx、My、Mz）同时加载。从难度对比来看，假如同样每个维度取 9 个样本点，一维力传感器的样本空间包含9 个样本点来，而六维力传感器的样本空间则包含 531441 个样本点，难度呈指数型上升。

六维联合加载标定难度较高的主要原因在于非线性特性，六维力传感器并非多个单维传感器的简单叠加，需要通过对交叉样本点的加载标定来充分体现非线性效应，然后采用解耦算法的数学模型进行深入研究，之后还要精确拟合模型参数，才能标定出高准度的六维力传感器，实现高准度。

检测

检测的主要功能是评价传感器的标定效果。检测也要采用六维联合加载的方式，所用到的设备与标定设备一样，但检测样本点需要与标定样本点都不相同。每个检测样本点都是三个方向力（Fx、Fy、Fz）和力矩（Mx、My、Mz）的组合。检测样本点的选择应该满足随机性和非相关性的要求，并且较为均匀地分布在样本空间中，才能准确、客观的评估标定结果的优劣。

标定设备

标定设备方面，目前六维联合加载设备无标准产品，需厂商自研。六维联合加载设备是高精度六维力传感器研发和生产的必要条件，但是目前没有标准产品可以直接采购，一般由六维力传感器的厂商自行研制，因此不同厂商的六维联合加载设备的形态差别非常大。六维联合加载设备的研发涉及到空间光学定位、载荷位移补偿、机电一体化等多项综合技术，Knowhow 较深，依赖工程经验。一旦细节考虑不周全，加载效果就不理想，加载设备自己产生的耦合误差可能超过1%FS，进而无法标定出高准度的六维力传感器。

4.生产加工工艺：一致性自动化生产难度高

六维力传感器加工工艺流程长、复杂度高，核心零部件弹性体和应变片加工Knowhow 较深，且当前小批量出货下，金属应变片的贴片工艺仍依赖人工，大批量一致性自动化生产的壁垒高；硅应变片+玻璃微熔的工艺路线可实现自动化贴片，有望提高大批量生产的能力。 1）弹性体加工方面，弹性体在加工中会产出各种加工应力，其加工应力的积蓄与大小会影响到传感器的测试性能指标，因此加工中应尽量避免加工应力积蓄或减少加工应力；此外在贴片、组桥、补偿、调试、封胶等环节上需控制环境温度、湿度洁净度和流程节拍，Knowhow 较深。 2）应变片贴片方面，当前小批量出货情况下，大部分应变式六维力厂商仍采用金属应变片+人工贴片的方式，尚未完全实现自动化生产，仍需人工操作，带来对人才、经验的要求，提升大批量、一致性出货的难度。

金属应变片主要是在基底的塑料薄膜上贴上由薄金属箔材制成的敏感栅，然后再覆盖上一层薄膜做成迭层构造。主要生产工序包括基底制作、匀光刻胶、腐蚀、调阻、加盖层等。金属应变片主要通过胶水粘贴的工艺与弹性体相连接，而胶水粘贴是一项工艺性较强的作业，主要凭借贴片工人的经验，工艺knowhow较深。

硅应变片精度、灵敏度高，与玻璃微熔工艺结合可提高自动化生产能力，有望成为未来大批量出货时的工艺方向。金属应变片存在成本较高、灵敏度低、抗干扰能力和稳定性较差等劣势，而硅应变片有更好的压阻效应，在高精度和高灵敏度的力学测量的领域可实现对金属应变片的替代。硅应变片目前主要通过光刻单晶硅技术或蚀刻单晶硅技术制造；与传感器连接时，硅应变片常采用有机胶粘贴或玻璃微熔方式，其中玻璃微熔能够通过自动化工艺生产，提高批量化生产能力。

有机胶粘贴是将硅应变片放置在固定胶上，通过加热使传感器上的固定胶熔化，从而将硅应变片固定在固定胶中；但高温环境中固定胶可能会熔化，使应变片位置发生改变，影响性能。

玻璃微熔是使用高温熔化的玻璃粉作为黏合剂，将弹性体与硅应变片紧密结合。玻璃微熔工艺能够通过自动化工艺生产，消除传感器的零点漂移，改善稳定性，还使得传感器能够兼容各种气体和液体环境，拓宽应用场景。

安培龙在其发明专利《一种基于玻璃微熔工艺的六维力传感器及其制备方法》中详细介绍通过玻璃微熔工艺中将硅应变片和弹性体进行连接的方法：采用MEMS硅基半导体应变片和玻璃微熔工艺相结合的技术，有效解决传统树脂粘接工艺带来的老化、蠕变影响，具有优异的稳定性和抗冲击能力：

步骤 1：对弹性梁表面喷丸处理。喷丸加工是一种在材料表面喷射高速颗粒来改变其表面形貌的方法，让弹性梁表面粗糙，提高后续与玻璃粉粘附性；颗粒大小 100-150 目可获得适度粗糙度，以提供良好的附着性和表面质量。

步骤 2：对弹性梁的表面进行酸洗。喷丸处理后弹性梁的表面可能存在碎屑，通过清洗去除弹性梁表面的碎屑，避免对后续玻璃粉印刷造成影响；酸洗处理可以去除表面的氧化物、污垢和其他杂质，清洁表面并提高其粘附性。

步骤 3：使用丝网印刷技术将玻璃粉印刷到弹性梁的表面。使用丝网印刷技术将玻璃粉均匀地印刷到弹性梁上应变片安装位置的表面，丝网印刷是常见的印刷技术，在网孔上涂覆墨漆并压榨使其通过网孔传输到弹性梁的表面上。

步骤 4：对弹性梁表面的玻璃粉进行预加热，将玻璃粉加热成半熔状态，从而更好地与应变片嵌入并固化。相比粉末状，半熔状态的玻璃粉能够更好地对应变片进行预固定。

步骤 5：将应变片放在玻璃粉上，对玻璃粉继续加热，使应变片嵌入玻璃粉中。将硅应变片嵌入半熔状态的玻璃粉中，去应力退火的同时，让其贴合弹性元件，与玻璃粉有效结合。对弹性梁表面玻璃粉预加热（加热到550℃）使其呈半熔状态，以确保它在后续可与应变片嵌入在一起，由于硅熔点远高于玻璃粉加热温度（550℃），因此无需担心高温加工对硅应变片造成损伤。

步骤 6：使用金丝键合工艺，将硅应变片连接形成惠斯通电桥。金丝键合是一种常用的微电子封装技术，通过将金属线键合到应变片的焊盘上，使得传感器上的四个应变片实现电连接，形成惠斯通电桥，从而测量力的变化。