CN114323396B - 一种mems电容式六轴力传感器芯片及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

一种MEMS电容式六轴力传感器芯片及其制备工艺，芯片包括由上向下设置的高阻硅器件层、低阻硅器件层和玻璃器件层，通过硅‑硅键合和硅‑玻键合形成一种三明治结构；高阻硅器件层包括第一中心刚体和载荷传递结构；低阻硅器件层包括第二中心刚体，第二中心刚体四周和电极形成梳齿电容，第二中心刚体一方面与第一中心刚体键合为一体，另一方面作为梳齿电容动极板的公共电极；玻璃器件层包括玻璃基底，以及玻璃基底上的平板电容极板、外部焊盘、内部焊盘、金属引线等金属层结构；制备工艺包括硅器件层的加工工艺、玻璃器件层的加工工艺、硅‑玻键合工艺和划片；本发明实现六轴力或力矩的解耦输出，具有量程大、灵敏度高、串扰误差小、微型化等优点。

Description

一种MEMS电容式六轴力传感器芯片及其制备工艺

技术领域

本发明属于MEMS传感器和微纳制造技术领域，具体涉及一种MEMS电容式六轴力传感器芯片及其制备工艺。

背景技术

MEMS传感器具有微型化、集成化和智能化等特点，广泛应用于航空航天、工业机器人和生物医疗等领域，是实现万物互联的基础。微纳制造技术以传统的IC工艺为基础发展起来，在硅基材料上进行光刻、刻蚀、淀积等工艺，能够实现微小结构的批量化生产，且成本低，广泛应用于微传感器、微纳机器人和微结构的制造。

目前的六轴力传感器主要应用在机器人的腕部和肩部，以及一些较大型的位移平台，体积和量程都较大，而应用于智能机器人手指尖端、微创手术和微型机器人等高精尖领域的微型化六轴力传感器研究较少。

基于微纳加工工艺的MEMS六轴力传感器能够很好地满足微型化的要求，按工作原理主要可分为压阻式、压电式、电容式和谐振式等。压阻式传感器加工工艺较复杂，受温度影响较大；压电式传感器的工作频率较高，适用于动态力的测量，难以检测静态力；电容式传感器具有结构和加工工艺简单、受温度影响较小等优点；谐振式传感器主要通过敏感机械结构谐振频率的变化实现对力觉的检测，结构和工作原理较复杂。

现有的基于微纳加工工艺的MEMS电容式六轴力传感器，采用梳齿电容结构的传感器多用于毫牛甚至微牛级别力的检测，而采用平行板电容结构的传感器，其灵敏度较低，且很难真正抑制六轴力之间的串扰误差，因而无法完全实现六轴力的解耦。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种MEMS电容式六轴力传感器芯片及其制备工艺，通过载荷传递结构的设计，能够实现牛顿量级的力和力矩的检测；通过平板电容和梳齿电容的求和与差分来检测信号，具有较高的灵敏度；结合所提出的解耦公式，能够真正消除六轴力之间的串扰误差；另外，基于MEMS制造技术，该传感器芯片具有微型化、批量化和成本低等优点。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种MEMS电容式六轴力传感器芯片，包括由上向下设置的高阻硅器件层1、低阻硅器件层2和玻璃器件层3，通过硅-硅键合和硅-玻键合形成一种三明治结构；

所述的高阻硅器件层1包括第一中心刚体12，第一中心刚体12外侧通过环形阵列的V型梁11和外围边框连接，第一中心刚体12的内部设有圆柱形空腔13；

所述的低阻硅器件层2包括第二中心刚体23，第二中心刚体23四周和电极21形成梳齿电容22，第二中心刚体23四角和电极21通过Z型梁25连接；

所述的电极21包括八个梳齿电容的定极板电极、四个与第二中心刚体23互相连接的动极板电极；所述的梳齿电容22共八个，八个梳齿电容22呈轴对称或中心对称布置，每个梳齿电容22由动极板222和定极板221组成，定极板221与传感器芯片四周的电极对应相连，动极板222均与第二中心刚体23相连，且定极板221高度大于动极板222，梳齿电容22能够将第二中心刚体23的位移或转角转化为电容数值的变化；所述的第二中心刚体23一方面与高阻硅器件层1的第一中心刚体12键合为一体，另一方面作为梳齿电容动极板的公共电极；

所述的玻璃器件层3包括玻璃基底，玻璃基底上设有内外的玻璃腔体31，内的玻璃腔体31设有平板电容极板32，外的玻璃腔体31设有外部焊盘35，内外的玻璃腔体31之间的玻璃基底上设有内部焊盘33，内部焊盘33和外部焊盘35之间连接有金属引线34；

所述的平板电容极板32为四个正方形的金属极板，且呈中心对称布置在玻璃腔体31的表面，与低阻硅器件层2的第二中心刚体23构成四个平行板电容；所述的内部焊盘33包括八个与梳齿定极板电极接触的内部焊盘，和四个与梳齿动极板电极接触的内部焊盘，每个内部焊盘33与低阻硅器件层2对应的电极21在电学上互连互通。

所述的环形阵列的V型梁11中阵列数目为N，单个V型梁11由长度分别为L1和L2、宽度均为W的两根直梁互呈θ度角连接而形成，V型梁11的一端固定于第一中心刚体12上，另一端固支于外围边框，将待测力或力矩转化为第一中心刚体12的平动位移或转动角度，通过对N、L1、L2、W和θ尺寸参数的优化设计，改变其刚度数值，对传感器芯片的检测量程进行调整以满足设计要求。

所述的Z型梁25由三段直梁相互呈一定的角度连接而构成，具有刚度小的特点。

所述的玻璃腔体31的深度为所设计平行板电容的间距，通过湿法腐蚀工艺精确控制。

所述的外部焊盘35为正方形结构，利用金线键合技术将外部焊盘35与外部PCB上的焊盘连接，即将传感器芯片接入到外部电路当中。

一种MEMS电容式六轴力传感器芯片的制备工艺，包括硅器件层的加工工艺、玻璃器件层的加工工艺、硅-玻键合工艺和划片；

所述的硅器件层的加工工艺具体步骤如下：

步骤1.1：高阻硅晶圆准备，准备电阻率为10000Ω·cm的单晶硅晶圆；

步骤1.2：对准标记和划片标记的制备，在高阻硅晶圆的一面进行光刻，利用显影后的光刻胶作为掩膜，对高阻硅晶圆进行干法刻蚀，得到第一对准标记和划片标记，并将该面定义为高阻硅晶圆的正面；

步骤1.3：背面腔体结构的制备，在高阻硅晶圆的背面进行光刻，利用显影后的光刻胶作为掩膜，对高阻硅晶圆进行干法刻蚀，获得为载荷传递结构提供运动空间的腔体结构；

步骤1.4：SiO₂层的制备，在高阻硅晶圆的背面热氧化生长一层SiO₂，作为后续深刻蚀的阻挡层；

步骤1.5：低阻硅晶圆准备，准备电阻率为0.002～0.004Ω·cm的单晶硅晶圆；

步骤1.6：正面对准标记和低梳齿区域正面腔体的制备，在低阻硅晶圆的一面进行光刻，将该面定义为低阻硅晶圆的正面，利用显影后的光刻胶作为掩膜，对低阻硅晶圆进行干法刻蚀，获得正面对准标记和低梳齿所在位置区域的正面腔体结构；

步骤1.7：硅-硅键合，通过步骤1.2和步骤1.6制备的对准标记进行对准，将高阻硅晶圆和低阻硅晶圆键合为一体，获得硅器件层整体晶圆；

步骤1.8：减薄抛光，将硅器件层整体晶圆的低阻硅晶圆减薄至设计厚度并抛光；

步骤1.9：背面对准标记和低梳齿区域背面腔体的制备，在硅器件层整体晶圆的低阻硅晶圆表面进行光刻，利用显影后的光刻胶作为掩膜，对低阻硅晶圆进行干法刻蚀，获得背面对准标记和低梳齿所在位置区域的背面腔体结构；

步骤1.10：梳齿层结构的制备，在低阻硅晶圆的背面进行光刻，利用显影后的光刻胶作为掩膜，对低阻硅晶圆进行深反应离子刻蚀，并将低阻硅晶圆刻穿，完成不等高梳齿电容的制备，步骤1.4制备的SiO₂防止对高阻硅晶圆的过刻蚀；

所述的玻璃器件层的加工工艺具体步骤如下：

步骤2.1：玻璃片准备，选取BF33玻璃圆片；

步骤2.2：对准标记和玻璃腔体的制备，在玻璃片的一面制备金属掩膜，利用金属掩膜对玻璃片进行湿法腐蚀，获得第二对准标记和玻璃腔体结构；

步骤2.3：光刻，在具有腔体结构的玻璃片表面旋涂光刻胶，然后进行曝光和显影，得到制作金属层的掩膜图形；

步骤2.4：沉积金属材料，在步骤2.3显影后的光刻胶和玻璃片表面上，沉积金属材料；

步骤2.5：金属层的剥离，去除玻璃表面的光刻胶，同时将附着于光刻胶上的金属材料剥离下来，获得平板电容极板32、内部焊盘33、金属引线34和外部焊盘35的金属层结构，完成玻璃器件层结构的制备；

硅器件层晶圆和玻璃器件层圆片均制备完成后，利用步骤1.9和步骤2.2所述的对准标记进行对准，将硅器件层晶圆和玻璃器件层圆片键合为一个整体；

硅-玻键合完成后，在整体晶圆的高阻硅晶圆表面进行光刻，利用显影后的光刻胶作为掩膜，对高阻硅晶圆进行深反应离子刻蚀，完成V型梁11、第一中心刚体12和圆柱形空腔13的载荷传递结构的制备以及整个传感器芯片的制备，步骤1.4制备的SiO₂防止对低阻硅晶圆上已制备梳齿结构的过刻蚀；

以步骤1.2制备的划片标记为对准，对键合后的整体晶圆进行划片，得到若干个分离的MEMS电容式六轴力传感器芯片。

传感器芯片通过高阻硅器件层1的V型梁11将待测力或力矩转化为第一中心刚体12的位移或转角，进而转化为低阻硅器件层2的第二中心刚体23的位移或转角，再通过低阻硅器件层2的梳齿电容22以及第二中心刚体23与玻璃器件层3平板电容极板32形成的平行板电容检测第二中心刚体23在待测力或力矩作用下的位移模式，最后通过电容调理电路实现工作方程的解耦计算，输出六个方向的待测力或力矩；

解耦公式(1)～(6)如下：

公式中：C₁～C₈为低阻硅器件层2上八个梳齿电容的电容数值，C₉～C₁₂为四个平板电容的电容数值；八个梳齿电容围绕第二中心刚体23呈镜像对称和中心对称布置，四个平板电容围绕玻璃器件层3中心点呈中心对称布置。

本发明的有益效果为：本发明采用MEMS工艺实现具有载荷传递梁、梳齿电容和平板电容等结构的微型芯片的制备；通过合理设计环形阵列V型梁承载结构，能够实现对牛顿量级力和力矩的检测；通过对多个梳齿电容和平板电容的求和与差分来检测信号，具有较高的灵敏度；通过合理的解耦结构设计并结合所提出的解耦公式，能够很好地抑制六轴力检测时的交叉轴灵敏度和串扰误差问题，实现六轴力的解耦；通过微纳加工工艺制备芯片，具有微型化、批量化和成本低等优点。

附图说明

图1为本发明传感器芯片的剖面结构示意图和立体结构示意图。

图2(a)为高阻硅器件层的立体结构示意图；图2(b)为载荷传递结构的平面结构示意图；图2(c)为腔体空间的平面结构示意图。

图3(a)为低阻硅器件层的立体结构示意图；图3(b)为单个梳齿电容的立体结构示意图；图3(c)为单个梳齿电容的剖面结构示意图。

图4(a)为玻璃器件层的平面结构示意图；图4(b)为玻璃器件层的剖面结构示意图。

图5(a)为硅器件层加工的工艺流程图；图5(b)为玻璃器件层加工的工艺流程图；图5(c)为硅-玻键合和载荷传递结构制备的工艺流程图。

图6为晶圆的划片过程示意图。

图7为传感器芯片的工作示意图。

图8(a)为力F_x作用下芯片结构变形的平面示意图；图8(b)为力矩M_z作用下芯片结构变形的平面示意图；图8(c)力F_z作用下芯片结构变形的剖面示意图；图8(d)为力矩M_y作用下芯片结构变形的剖面示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明进行详细描述。

参照图1，一种MEMS电容式六轴力传感器芯片，包括由上向下设置的高阻硅器件层1、低阻硅器件层2和玻璃器件层3，通过硅-硅键合和硅-玻键合形成一种三明治结构。

参照图2(a)、图2(b)、图2(c)，所述的高阻硅器件层1包括第一中心刚体12，第一中心刚体12外侧通过环形阵列的V型梁11和外围边框连接，第一中心刚体12的内部设有圆柱形空腔13，外围边框、V型梁11、第一中心刚体12围成腔体空间14，外围边框底部、第一中心刚体12底部设有键合区15；

所述的环形阵列的V型梁11中阵列数目为N，单个V型梁11由长度分别为L1和L2、宽度均为W的两根直梁互呈θ度角连接而形成，V型梁11的一端固定于第一中心刚体12上，另一端固支于外围边框，环形阵列的V型梁11起到载荷传递的作用，利用其受力变形的机械特性，能够将待测力或力矩转化为第一中心刚体12的平动位移或转动角度，通过对N、L1、L2、W和θ等参数的优化设计，可以改变其刚度数值，从而对传感器芯片的检测量程进行调整以满足设计要求；

所述的第一中心刚体12为圆环形柱体结构且刚度大，外侧面四周与V型梁11连接，中间的圆柱形空腔13为载荷传递立柱的安装空间，立柱安装好后，就能将待测力或力矩传递到第一中心刚体12上；

所述的腔体空间14为横截面为类似回字形的立体空腔，为环形阵列V型梁11的变形所提供的运动空间，以避免V型梁11与传感器芯片其他固定结构的干涉；

所述的键合区15包括固定键合区和移动键合区，固定键合区即位于外围边框底部四周的固定区域，移动键合区在第一中心刚体12下表面，键合区材料为SiO₂，作为高阻硅与低阻硅之间的绝缘层，以及两次深刻蚀过程中的阻挡层。

参照图3(a)、图3(b)、图3(c)，所述的低阻硅器件层2包括第二中心刚体23，第二中心刚体23四周和电极21形成梳齿电容22，第二中心刚体23四角和电极21通过Z型梁25连接，电极21之间设隔离沟道24。

所述的电极21包括八个梳齿电容的定极板电极、四个与第二中心刚体23互相连接的动极板电极，用于给梳齿电容提供电信号的输入或输出；

所述的梳齿电容22共八个，八个梳齿电容22呈轴对称或中心对称布置，每个梳齿电容22由动极板222和定极板221组成，定极板221与传感器芯片四周的电极对应相连，动极板222均与第二中心刚体23相连，且定极板221高度大于动极板222，梳齿电容22能够将第二中心刚体23的位移或转角转化为电容数值的变化，其尺寸参数包括极板长度l、极板宽度w、定极板高度h、极板高度差Δh、极板主间距d1、极板反向间距d2、极板阵列间距d，对这些尺寸参数进行优化设计，可以使传感器的灵敏度等性能指标达到最佳；

所述的第二中心刚体23是横截面为正方形的柱体结构，其一方面与高阻硅器件层1的第一中心刚体12键合为一体，另一方面作为梳齿电容动极板的公共电极；

所述的隔离沟道24位于外围的电极21之间，防止不同电极之间的电气互连；

所述的Z型梁25由三段直梁相互呈一定的角度连接而构成，这种梁结构具有刚度小的特点，对第二中心刚体23运动的阻碍作用几乎可以忽略，主要是将第二中心刚体23的电信号引出至外围的四个电极中，起到电信号的传输作用。

参照图4(a)、图4(b)，所述的玻璃器件层3包括玻璃基底，玻璃基底上设有内外的玻璃腔体31，内的玻璃腔体31设有平板电容极板32，外的玻璃腔体31设有外部焊盘35，内外的玻璃腔体31之间的玻璃基底上设有内部焊盘33，内部焊盘33和外部焊盘35之间连接有金属引线34。

所述的玻璃腔体31的深度为所设计平行板电容的间距，通过湿法腐蚀工艺精确控制，由于湿法腐蚀的各向同性即横向钻蚀效应，侧壁具有较平缓的倾角以便于后续金属层结构的沉积和剥离，金属层结构通过磁控溅射金属材料和剥离的方法制备，其厚度为几百纳米，不会影响硅-玻键合的质量；

所述的平板电容极板32为四个正方形的金属极板，且呈中心对称布置在玻璃腔体31的表面，与低阻硅器件层2的第二中心刚体23构成四个平行板电容，通过四个电容值的变化检测第二中心刚体23在面外的位移和转角；

所述的内部焊盘33包括八个与梳齿定极板电极接触的内部焊盘，和四个与梳齿动极板电极接触的内部焊盘，每个内部焊盘33与低阻硅器件层2对应的电极21在电学上互连互通，以便于金属引线34将电信号传输至梳齿电容22的电极上；

所述的金属引线34将每个内部焊盘33和对应的外部焊盘35连接起来，起到电信号传输的作用；

所述的外部焊盘35为正方形结构，利用金线键合技术将外部焊盘35与外部PCB上的焊盘连接，即将传感器芯片接入到外部电路当中，可进一步对芯片进行测试。

所述的高阻硅器件层1与低阻硅器件层2通过硅-硅键合工艺连接为一个整体，构成硅器件层；所述的硅器件层与玻璃器件层3通过硅-玻键合工艺连接为一个整体；对键合完成后整体晶圆进行划片，即得到单个三明治结构的传感器芯片。

参照图5(a)、图5(b)、图5(c)，一种MEMS电容式六轴力传感器芯片的制备工艺，包括硅器件层的加工工艺、玻璃器件层的加工工艺、硅-玻键合工艺和划片的步骤；

所述的硅器件层的加工工艺分为高阻硅晶圆的加工、低阻硅晶圆的加工和硅-硅键合；

所述的玻璃器件层的加工工艺分为玻璃的腐蚀和金属层的剥离。

传感器芯片制备过程中，所需的八张光刻板相关信息及对应的加工工序如下表所示：

光刻板编号	工序	正版/翻版	阴版/阳版
				M1	正面对准标记和划片标记刻蚀	正	阴
M2	背面绝缘层和腔体刻蚀	翻	阴
				M3	正面对准标记和腔体结构刻蚀	翻	阴
M4	背面对准标记和腔体结构刻蚀	正	阴
				M5	梳齿结构刻蚀	正	阴
M6	玻璃腔体腐蚀	正	阴
				M7	金属层结构剥离	正	阴
M8	载荷传递结构刻蚀	翻	阴

参照图5(a)，所述的硅器件层的加工工艺包括高阻硅器件层1上载荷传递结构的深反应离子刻蚀、SiO₂绝缘层的热氧化和干法刻蚀、腔体结构的干法刻蚀，以及低阻硅器件层2上正面不等高度梳齿区域的干法刻蚀、背面不等高度梳齿区域的干法刻蚀和梳齿结构的深反应离子刻蚀；进行硅器件层晶圆的制备，需要用到前五张光刻板M1～M5，具体步骤如下：

步骤1.1：高阻硅晶圆准备，准备电阻率为10000Ω·cm、厚度为500μm的4寸单晶硅晶圆41，并对其进行清洗和烘干，以供后续加工；

步骤1.2：对准标记和划片标记的制备，使用第一张光刻板M1，在高阻硅晶圆的其中一面进行光刻，利用显影后的光刻胶作为掩膜，对高阻硅晶圆进行干法刻蚀，得到刻蚀深度为2μm的第一对准标记和划片标记42，用于后续的硅-硅键合对准和划片对准等，并将该面定义为高阻硅晶圆的正面；

步骤1.3：背面腔体结构的制备，使用第二张光刻板M2，在高阻硅晶圆的背面进行光刻，利用显影后的光刻胶作为掩膜，对高阻硅晶圆进行干法刻蚀，控制刻蚀深度为5μm，获得为载荷传递结构提供运动空间的腔体结构14；

步骤1.4：SiO₂层的制备，采用热氧化方法，在高阻硅晶圆的背面生长一层厚度为1～2um的SiO₂材料43，作为后续深刻蚀的阻挡层；

步骤1.5：低阻硅晶圆准备，准备电阻率为0.002～0.004Ω·cm，厚度为300μm的4寸单晶硅晶圆51，并对其进行清洗和烘干，以供后续加工；

步骤1.6：正面对准标记和低梳齿区域正面腔体的制备，使用第三张光刻板M3，在低阻硅晶圆的一面进行光刻，将该面定义为低阻硅晶圆的正面，利用显影后的光刻胶作为掩膜，对低阻硅晶圆进行干法刻蚀，并控制刻蚀深度为5um，获得正面对准标记52和低梳齿所在位置区域的正面腔体结构53，正面对准标记52用于后续的硅-硅键合对准；

步骤1.7：硅-硅键合，在1000℃高温下，通过步骤1.2和步骤1.6制备的对准标记进行对准，高阻硅晶圆的背面和低阻硅晶圆的正面为键合面，将高阻硅晶圆和低阻硅晶圆键合为一体，获得硅器件层整体晶圆54；

步骤1.8：减薄抛光，采用化学机械抛光方法，将硅器件层整体晶圆的低阻硅晶圆减薄至100μm并抛光；

步骤1.9：背面对准标记和低梳齿区域背面腔体的制备，使用第四张光刻板M4，在硅器件层整体晶圆的低阻硅晶圆表面进行光刻，利用显影后的光刻胶作为掩膜，对低阻硅晶圆进行干法刻蚀，并控制刻蚀深度为5μm，获得背面对准标记55和低梳齿所在位置区域的背面腔体结构56，背面对准标记55用于后续的光刻和硅-玻键合对准；

步骤1.10：梳齿层结构的制备，使用第五张光刻板M5，在低阻硅晶圆的背面进行光刻，利用显影后的光刻胶作为掩膜，对低阻硅晶圆进行深反应离子刻蚀，并将其刻穿，完成不等高梳齿电容57的制备，步骤1.4制备的SiO₂可以防止对高阻硅晶圆的过刻蚀；

参照图5(b)，所述的玻璃器件层的加工工艺，包括玻璃腔体31的制备，以及平板电容极板32、内部焊盘33、金属引线34、外部焊盘35等金属层结构的剥离，进行玻璃器件层的制备，需要用到三张光刻板M6～M7，具体的工艺步骤如下：

步骤2.1：玻璃片准备，选取厚度为500μm的4寸BF33玻璃圆片61，并清洗和烘干，以供后续加工；

步骤2.2：对准标记和玻璃腔体的制备，使用第六张光刻板M6，在玻璃片的一面制备金属掩膜，以金属掩膜作为掩蔽对玻璃片进行湿法腐蚀，腐蚀溶液为BOE溶液，并控制腐蚀深度为5μm，获得第二对准标记62和玻璃腔体结构31，用于后续金属层剥离的光刻对准和硅-玻键合；

步骤2.3：光刻，使用第七张光刻板M7，在具有5μm腔体结构的玻璃片表面旋涂光刻胶63，然后进行曝光和显影，得到制作金属层的掩膜图形，以供后续金属层结构的剥离；

步骤2.4：沉积金属材料，在步骤2.3显影后的光刻胶和玻璃片表面上，采用磁控溅射的方法沉积Cr/Au两层金属材料64；

步骤2.5：金属层的剥离，采用湿法腐蚀的方法去除玻璃表面的光刻胶，同时将附着于光刻胶上的金属材料Cr/Au剥离下来，获得平板电容极板32、内部焊盘33、金属引线34和外部焊盘35等金属层结构，完成玻璃器件层圆片65的制备。

硅器件层晶圆和玻璃器件层圆片均制备完成后，在450℃温度下进行硅-玻阳极键合，利用步骤1.9和步骤2.2所述的对准标记进行对准，将硅器件层晶圆和玻璃器件层圆片键合为一个整体圆片66，如图5(c)中的步骤3.1所示。

硅-玻键合完成后，使用第八张光刻板M8，在整体晶圆的高阻硅晶圆表面进行光刻，利用显影后的光刻胶作为掩膜，对高阻硅晶圆进行深反应离子刻蚀，并将其刻穿，完成V型梁11、第一中心刚体12和圆柱形空腔13等载荷传递层结构的制备以及整个传感器芯片的制备，刻蚀过程中，底部的SiO₂作为阻挡层，可以防止对低阻硅晶圆上已制备梳齿结构的过刻蚀，如图5(c)中的步骤3.2所示。

以步骤1.2制备的划片标记为对准，对键合后的整体晶圆进行划片，得到若干个分离的MEMS电容式六轴力传感器芯片，如图6所示。

传感器芯片通过高阻硅器件层1的V型梁11将待测力或力矩转化为第一中心刚体12的位移或转角，进而转化为低阻硅器件层2的第二中心刚体23的位移或转角，再通过低阻硅器件层2的梳齿电容22和玻璃器件层3的平行板电容32检测第二中心刚体23在待测力或力矩作用下的位移模式，最后通过电容调理电路检测工作方程中解耦公式的计算结果，输出六个方向的待测力或力矩。

解耦公式一共包括六个不同的电容运算公式(1)～(6)，解决了六轴力传感器的交叉轴灵敏度问题和串扰问题；一方面，每个公式的计算结果与特定方向的力或力矩近似呈线性关系，且其他方向的力或力矩几乎不会影响该公式的计算结果，很好地解决了六轴力传感器的交叉轴灵敏度问题；另一方面，每个公式与其对应力或力矩的近似线性关系不会因为其他力的作用而发生较大变化，很好地抑制了六轴力传感器的串扰误差；

所述的解耦算法公式(1)～(6)如下：

公式中：C₁～C₈为低阻硅器件层2上八个梳齿电容的电容数值，C₉～C₁₂为四个平板电容的电容数值；八个梳齿电容的所在位置参照图3(a)和图8，四个平板电容的所在位置参照图4(a)和图8。

传感器芯片固定安装在PCB板上，用金丝球焊机在传感器芯片和PCB板上对应的焊盘之间打上金线，将传感器芯片接入外部的电容调理电路当中，同时，将圆柱形立柱安装在传感器芯片中心的圆柱腔体当中并用胶水固定，该立柱起到承受待测力或力矩和载荷传递的作用；传感器芯片工作时，立柱顶端与外界接触并将所受到的力或力矩传递到传感器芯片的中心刚体上，引起中心刚体的平动/转动，传感器芯片中八个梳齿电容和四个平行板电容中两极板的相对位置同时发生变化，最后，通过外部的电容调理电路将解耦公式中电容运算值输出，即可获得六个不同方向力或力矩的值，实现六轴力的检测，如图7所示。

如图7所示，以图中的空间直角坐标系为基准，六轴力包括水平面内的力F_x、F_y和力矩M_z，竖直面内的力F_z和力矩M_x、M_y。根据对称性，F_x和F_y检测的原理和过程相同，M_x和M_y检测的原理和过程相同。

参照图8，水平力F_x的检测：图8(a)为力F_x作用在立柱顶端时，芯片结构变形的剖面示意图，中心刚体沿x轴移动距离Δx，梳齿电容C₁、C₂、C₃、C₄的极板间距发生变化，梳齿电容C₅、C₆、C₇、C₈的极板重合面积发生变化，平行板电容C₉、C₁₀、C₁₁、C₁₂的间距和重合面积均保持不变，通过调理电路检测

的数值，即可实现对F_x的测量。

水平力矩M_z的检测：图8(b)为力矩M_z作用在立柱顶端时，芯片结构变形的平面示意图，中心刚体绕z轴旋转角度θ_z，梳齿电容C₁、C₄、C₅、C₈的两极板相互靠近电容值增大，梳齿电容C₂、C₃、C₆、C₇的两极板相互远离电容值减小，平行板电容C₉、C₁₀、C₁₁、C₁₂的间距和重合面积均保持不变，通过调理电路检测

的数值，即可实现对M_z的测量。

竖直力F_z的检测：图8(c)为力F_z作用在立柱顶端时，芯片结构变形的剖面示意图，中心刚体沿z轴移动距离Δz，梳齿电容C₁、C₂、C₃、C₄、C₅、C₆、C₇、C₈的极板间距和重合面积均保持不变，平行板电容C₉、C₁₀、C₁₁、C₁₂的极板间距发生变化，通过调理电路检测

的数值，即可实现对F_z的测量。

竖直力矩M_y的检测：图8(d)为力矩M_y作用在立柱顶端时，芯片结构变形的剖面示意图，中心刚体绕y轴旋转角度θ_y，梳齿电容C₁、C₂、C₃、C₄、C₅、C₆、C₇、C₈的极板间距保持不变，重合面积的变化量非常小几乎可以忽略，平行板电容C₉、C₁₁的两极板相互远离电容值减小，平行板电容C₁₀、C₁₂的两极板相互靠近电容值增大，通过调理电路检测

的数值，即可实现对M_y的测量。

水平力F_y的检测原理与F_x的检测过程类似，电容方程

的数值反应了F_y的大小；竖直力矩M_x的检测原理与M_y的检测过程类似，电容方程

的数值反应了M_x的大小。

Claims (7)

1.一种MEMS电容式六轴力传感器芯片，其特征在于：包括由上向下设置的高阻硅器件层(1)、低阻硅器件层(2)和玻璃器件层(3)，通过硅-硅键合和硅-玻键合形成一种三明治结构；

所述的高阻硅器件层(1)包括第一中心刚体(12)，第一中心刚体(12)外侧通过环形阵列的V型梁(11)和外围边框连接，第一中心刚体(12)的内部设有圆柱形空腔(13)；

所述的低阻硅器件层(2)包括第二中心刚体(23)，第二中心刚体(23)四周和电极(21)形成梳齿电容(22)，第二中心刚体(23)四角和电极(21)通过Z型梁(25)连接；

所述的电极(21)包括八个梳齿电容的定极板电极、四个与第二中心刚体(23)互相连接的动极板电极；所述的梳齿电容(22)共八个，八个梳齿电容(22)呈轴对称或中心对称布置，每个梳齿电容(22)由动极板(222)和定极板(221)组成，动极板(222)与传感器芯片四周的电极对应相连，定极板(221)均与第二中心刚体(23)相连，且定极板(221)高度大于动极板(222)，梳齿电容(22)能够将第二中心刚体(23)的位移或转角转化为电容数值的变化；所述的第二中心刚体(23)一方面与高阻硅器件层(1)的第一中心刚体(12)键合为一体，另一方面作为梳齿电容动极板的公共电极；

所述的玻璃器件层(3)包括玻璃基底，玻璃基底上设有内外玻璃腔体(31)，内玻璃腔体(31)设有平板电容极板(32)，外玻璃腔体(31)设有外部焊盘(35)，内外的玻璃腔体(31)之间的玻璃基底上设有内部焊盘(33)，内部焊盘(33)和外部焊盘(35)之间连接有金属引线(34)；

所述的平板电容极板(32)为四个正方形的金属极板，且呈中心对称布置在玻璃腔体(31)的表面，与低阻硅器件层(2)的第二中心刚体(23)构成四个平行板电容；所述的内部焊盘(33)包括八个与梳齿定极板电极接触的内部焊盘，和四个与梳齿动极板电极接触的内部焊盘，每个内部焊盘(33)与低阻硅器件层(2)对应的电极(21)在电学上互连互通。

2.根据权利要求1所述的一种MEMS电容式六轴力传感器芯片，其特征在于：所述的环形阵列的V型梁(11)中阵列数目为N，单个V型梁(11)由长度分别为L1和L2、宽度均为W的两根直梁互呈θ度角连接而形成，V型梁(11)的一端固定于第一中心刚体(12)上，另一端固支于外围边框，将待测力或力矩转化为第一中心刚体(12)的平动位移或转动角度，通过对N、L1、L2、W和θ等参数的优化设计，改变其刚度数值，对传感器芯片的检测量程进行调整以满足设计要求。

3.根据权利要求1所述的一种MEMS电容式六轴力传感器芯片，其特征在于：所述的Z型梁(25)由三段直梁相互呈一定的角度连接而构成，具有刚度小的特点。

4.根据权利要求1所述的一种MEMS电容式六轴力传感器芯片，其特征在于：所述的玻璃腔体(31)的深度为所设计平行板电容的间距，通过湿法腐蚀工艺精确控制。

5.根据权利要求1所述的一种MEMS电容式六轴力传感器芯片，其特征在于：所述的外部焊盘(35)为正方形结构，利用金线键合技术将外部焊盘(35)与外部PCB上的焊盘连接，即将传感器芯片接入到外部电路当中。

6.权利要求1所述的一种MEMS电容式六轴力传感器芯片的制备工艺，其特征在于：包括硅器件层的加工工艺、玻璃器件层的加工工艺、硅-玻键合工艺和划片；

所述的硅器件层的加工工艺具体步骤如下：

步骤1.1：高阻硅晶圆准备，选取电阻率为10000Ω·cm的单晶硅晶圆；

步骤1.2：对准标记和划片标记的制备，在高阻硅晶圆的一面进行光刻，利用显影后的光刻胶作为掩膜，对高阻硅晶圆进行干法刻蚀，得到第一对准标记和划片标记，并将该面定义为高阻硅晶圆的正面；

步骤1.3：背面腔体结构的制备，在高阻硅晶圆的背面进行光刻，利用显影后的光刻胶作为掩膜，对高阻硅晶圆进行干法刻蚀，获得为载荷传递结构提供运动空间的腔体结构；

步骤1.4：SiO₂层的制备，在高阻硅晶圆的背面热氧化生长一层SiO₂，作为后续深刻蚀的阻挡层；

步骤1.5：低阻硅晶圆准备，准备电阻率为0.002～0.004Ω·cm的单晶硅晶圆；

步骤1.6：正面对准标记和低梳齿区域正面腔体的制备，在低阻硅晶圆的一面进行光刻，将该面定义为低阻硅晶圆的正面，利用显影后的光刻胶作为掩膜，对低阻硅晶圆进行干法刻蚀，获得正面对准标记和低梳齿所在位置区域的正面腔体结构；

步骤1.7：硅-硅键合，通过步骤1.2和步骤1.6制备的对准标记进行对准，将低阻硅晶圆和低阻硅晶圆键合为一体，获得硅器件层整体晶圆；

步骤1.8：减薄抛光，将硅器件层整体晶圆的低阻硅晶圆减薄至设计厚度并抛光；

步骤1.9：背面对准标记和低梳齿区域背面腔体的制备，在硅器件层整体晶圆的低阻硅晶圆表面进行光刻，利用显影后的光刻胶作为掩膜，对低阻硅晶圆进行干法刻蚀，获得背面对准标记和低梳齿所在位置区域的背面腔体结构；

步骤1.10：梳齿层结构的制备，在低阻硅晶圆的背面进行光刻，利用显影后的光刻胶作为掩膜，对低阻硅晶圆进行深反应离子刻蚀，并将低阻硅晶圆刻穿，完成不等高梳齿电容的制备，步骤1.4制备的SiO₂防止对高阻硅晶圆的过刻蚀；

所述的玻璃器件层的加工工艺具体步骤如下：

步骤2.1：玻璃片准备，选取BF33玻璃圆片；

步骤2.2：对准标记和玻璃腔体的制备，在玻璃片的一面制备金属掩膜，利用金属掩膜对玻璃片进行湿法腐蚀，获得第二对准标记和玻璃腔体结构；

步骤2.3：光刻，在具有腔体结构的玻璃片表面旋涂光刻胶，然后进行曝光和显影，得到制作金属层的掩膜图形；

步骤2.4：沉积金属材料，在步骤2.3显影后的光刻胶和玻璃片表面上，沉积金属材料；

步骤2.5：金属层的剥离，去除玻璃表面的光刻胶，同时将附着于光刻胶上的金属材料剥离下来，获得平板电容极板(32)、内部焊盘(33)、金属引线(34)和外部焊盘(35)等金属层结构，完成玻璃器件层结构的制备；

硅器件层晶圆和玻璃器件层圆片均制备完成后，利用步骤1.9和步骤2.2所述的对准标记进行对准，将硅器件层晶圆和玻璃器件层圆片键合为一个整体；硅-玻键合完成后，在整体晶圆的高阻硅晶圆表面进行光刻，利用显影后的光刻胶作为掩膜，对高阻硅晶圆进行深反应离子刻蚀，并将其刻穿，完成V型梁(11)、第一中心刚体(12)和圆柱形空腔(13)的载荷传递结构的制备以及整个传感器芯片的制备；

以步骤1.2制备的划片标记为对准，对键合后的整体晶圆进行划片，得到若干个分离的MEMS电容式六轴力传感器芯片。

7.根据权利要求1所述的一种MEMS电容式六轴力传感器芯片，其特征在于：传感器芯片通过高阻硅器件层(1)的V型梁(11)将待测力或力矩转化为第一中心刚体(12)的位移或转角，进而转化为低阻硅器件层(2)的第二中心刚体(23)的位移或转角，再通过低阻硅器件层(2)的梳齿电容(22)以及第二中心刚体23与玻璃器件层(3)的平板电容极板(32)形成的平行板电容检测第二中心刚体(23)在待测力或力矩作用下的位移模式，最后通过电容调理电路检测工作方程的解耦计算结果，输出六个方向的待测力或力矩；

解耦公式(1)～(6)如下：

公式中：C₁～C₈为低阻硅器件层(2)上八个梳齿电容(22)的电容数值，C₉～C₁₂为四个平板电容(32)的电容数值；八个梳齿电容围绕第二中心刚体(23)呈镜像对称和中心对称布置，四个平板电容围绕玻璃器件层(3)中心点呈中心对称布置。

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