机器人六维力检测利用力敏元件（FSEs）在机器人执行过程中感知微操作力，通过解耦多维机械信号并抑制环境干扰[1]。高精度的FSEs提供了精确的末端执行器力感知，这对机器人力测量的可靠性和安全性至关重要[2]。FSEs广泛应用于精密力测量领域，包括医疗手术、工业精密组装、人机协作交互和航空航天[3]。这些元件是防止手术器械误操作、组装过程中精密部件受损以及由于力检测不准确或系统故障导致的人机碰撞的重要保障[4]。同时，它也是推动机器人和工业自动化智能升级的核心技术[3]。
根据力传感器的检测原理，FSEs可分为电容式、光学式、压电式和应变片式[6]。电容式元件具有低成本、非接触式测量和温度稳定性等优点[7]。然而，它们通常容易受到电磁干扰的影响，且输出信号存在非线性问题，这限制了其应用[8]、[9]。压电式元件利用压电材料在受力时产生电荷的特性，通过测量电荷来计算力和扭矩[10]。其优点是动态特性优越、响应速度快和更好的环境适应性。然而，压电元件主要用于极端环境，并且对温度敏感，在测量静态力时存在局限性[11]、[12]。光学力感知类似于应变片和压阻式，通过光学方法测量弹性体的变形，并通过光信号的变化来计算力和扭矩[13]。光学式元件受环境敏感性、设计复杂性的限制，尽管在复杂环境中具有高精度、抗电磁干扰和非接触式测量的优点，但成本相对较高[14]、[15]。
应变片在六维力传感器领域得到了广泛应用[16]。主流制造商（如HBM、SRI等）主要使用金属箔应变片，因其成本低、工艺成熟且适用环境广泛。然而，其灵敏度较低（GF约2）和信号较弱，限制了满足高精度微应变测量的需求[17]。为了解决这些问题，研究人员通过优化材料成分和改进制造工艺来提高应变片的性能。最近的代表性研究通过三维结构设计、各向异性设计和基于水凝胶的传感方法，报道了灵敏度系数在2-12范围内的柔性及复合应变传感器[18]、[19]、[20]。还有一些研究专注于应用导向的开发，包括基于复合材料的可穿戴人机交互系统[21]和利用生物废弃物填充剂的可持续复合解决方案[22]。尽管材料优化和工艺改进可以提高性能，但这些改进效果有限且成本较高。
相比之下，半导体应变片的灵敏度系数（GF）显著高于金属应变片，能够准确感知微变形并将其转换为电信号。凭借高灵敏度、低噪声和稳定性，它在六轴力控制和触觉反馈方面具有明显优势，从而提高了机器人的操控性能和整体系统安全性[23]。目前关于单晶半导体应变片的研究相对较少，大多数研究仍集中在复合材料上。Antonio等人在2022年制造了一种基于碳纳米管的应变传感器，其灵敏度系数可从低应变到高应变达到10-106。Li等人在2023年提出了一种基于GaN（氮化镓）纳米线的桥式应变传感器，其灵敏度系数可达59。2024年，He等人研究了二维半导体材料Te（碲），并在基于Te的应变传感器中观察到-139.7的灵敏度系数。所有这些研究都表明半导体应变片的灵敏度有了显著提高。这种高灵敏度为设计提供了更多灵活性，可以在保持所需感知性能的同时，用增加的结构刚度来换取部分灵敏度，从而提高了与弹性体结构集成后的过载容忍度。顶级六轴力传感器（如ATI）使用半导体硅应变片作为其力敏元件。此外，结合MEMS制造工艺，这些传感器在小型化和批量生产方面具有明显优势，同时减少了滞后和串扰，有助于准确解耦多轴力测量[9]。
然而，实现高灵敏度应变测量不可避免地会导致明显的温度敏感性。这种现象主要是由于硅压阻系数的强温度依赖性以及温度升高时PN结处漏电流的快速增长[27]。因此，零点漂移和灵敏度漂移变得更加明显，从而降低了测量精度和长期稳定性。
实际上，基于硅的应变片的温度漂移不仅受硅材料本身的影响，还受与基底的电气耦合和热诱导的寄生导电路径的影响。随着灵敏度的提高，这些效应会被放大，表明仅在信号或电路层面进行补偿不足以完全抑制温度引起的漂移[28]。因此，减少温度漂移需要在器件结构和工艺层面进行优化。
为了解决温度漂移问题，SOI技术被认为是一个有前景的解决方案，因为埋藏的氧化层在器件层和基底之间提供了有效的电气隔离，从而抑制了寄生漏电流和基底耦合。近年来，SOI技术确实已被引入应变片设计中；然而，研究重点各不相同。2021年，Velichko等人[29]比较了适用于极端环境的硅在蓝宝石上（SOS）和分子束外延生长的Si/CaF₂/Si SOI结构，主要从高温耐受性的角度研究了温度效应。2022年，Kim等人[30]开发了一种使用在SOI基底上制造的高灵敏度硅应变片的可穿戴无声语音接口。最近，在2025年，Choi等人[31]优化了基于SOI的超薄硅应变片的制造工艺，以提高产量和结构完整性。大多数现有研究侧重于灵敏度提升、超薄结构释放或在恶劣条件下的器件可靠性。相比之下，常规工作条件下应变片的温度漂移抑制受到的关注较少。
本文重点讨论了高灵敏度硅基应变片中的高精度力感知及温度漂移问题。提出了一种基于SOI结构的差分应变片，该应变片结合了器件级电气隔离以抑制内部漂移和温度补偿。首先，在设计应变敏感结构时，根据晶体取向原理构建了硅电阻网格。采用蛇形差分布局来提高灵敏度。此外，采用集中的惠斯通电桥配置有效放大了微应变引起的电阻变化，从而增加了输出信号幅度，并在电路层面初步抑制了共模温度干扰。所提出的应变片采用了三维电气隔离结构。利用SOI晶片的埋藏氧化层实现了压阻层与基底之间的垂直电气隔离。更重要的是，使用深反应离子刻蚀（DRIE）形成了精确的横向沟槽隔离，物理分离了相邻的压阻条。垂直隔离和横向隔离的结合有效阻断了热诱导的漏电流路径，抑制了由硅体连续性引起的热机械串扰。因此，器件的内部电气隔离和温度稳定性得到了显著提高。最后，在应变敏感区域附近集成了Pt薄膜温度传感器，以实现准确的局部温度监测，为温度补偿和漂移分析提供了可靠的基础。结果表明，所提出的应变片在不牺牲灵敏度的情况下实现了温度稳定性的提升。由于其MEMS兼容性和工程可行性，它为复杂热条件下的高精度力感知提供了实用的解决方案。
