[發(fā)明專利]一種基于SOI工藝的MEMS六軸力傳感器芯片及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202111595510.4
• 申請日: 2021-12-23
• 公開（公告）號: CN114323395B
• 公開（公告）日: 2022-11-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙立波;譚仁杰;高文迪;韓香廣;盧德江;王路;李敏;董林璽;楊萍;林啟敬;蔣莊德
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué);杭州電子科技大學(xué)
• 主分類號: G01L5/165
• 分類號: G01L5/165;G01L1/14;B81B7/02;B81B7/00;B81C1/00
• 代理公司: 西安智大知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61215
• 代理人: 賀建斌

1.一種基于SOI工藝的MEMS六軸力傳感器芯片，其特征在于：由上層的SOI器件層(1)和下層的玻璃器件層(2)組成，兩層通過硅-玻陽極鍵合為一體；

所述的SOI器件層(1)包括頂層硅結(jié)構(gòu)(11)、埋氧層結(jié)構(gòu)(12)和襯底層硅結(jié)構(gòu)(13)；

所述的頂層硅結(jié)構(gòu)(11)包括第一中心質(zhì)量塊(114)，第一中心質(zhì)量塊(114)通過蟹腿型梁(112)和頂層邊框連接，頂層邊框和第一中心質(zhì)量塊(114)之間設(shè)有梳齒電容(111)，頂層邊框上設(shè)有釋放孔(113)，蟹腿型梁(112)和頂層邊框連接處設(shè)有腔體(115)；

所述的埋氧層結(jié)構(gòu)(12)具體包括釋放區(qū)(121)和非釋放區(qū)(122)，釋放區(qū)(121)為第一中心質(zhì)量塊(114)、蟹腿型梁(112)、固定電極和載荷傳遞結(jié)構(gòu)之間區(qū)域，釋放區(qū)(121)解除了頂層硅結(jié)構(gòu)(11)和襯底層硅結(jié)構(gòu)(13)之間的約束，為載荷傳遞結(jié)構(gòu)和梳齒結(jié)構(gòu)提供運(yùn)動的空間；

所述的襯底層硅結(jié)構(gòu)(13)包括T型梁(131)、第二中心質(zhì)量塊(132)和安裝腔體(133)，第二中心質(zhì)量塊(132)通過T型梁(131)和襯底層邊框連接，第二中心質(zhì)量塊(132)中部設(shè)有安裝腔體(133)；

所述的梳齒電容(111)由梳齒和電極組成，梳齒由運(yùn)動極板和固定極板兩部分組成，電極由運(yùn)動電極和固定電極兩部分組成；所述的第一中心質(zhì)量塊(114)是八個運(yùn)動極板公共的運(yùn)動電極，八個固定電極與對應(yīng)的固定極板連接；

所述的玻璃器件層(2)包括玻璃襯底(21)，作為金屬層結(jié)構(gòu)(22)的沉積基底和傳感器芯片的安裝基底；所述的金屬層結(jié)構(gòu)(22)由Cr/Au兩層金屬材料構(gòu)成，包括四個平板電極(221)；

所述的平板電極(221)作為平板電容的一部分，與頂層硅結(jié)構(gòu)(11)的第一中心質(zhì)量塊(114)組成平板電容，用于檢測第一中心質(zhì)量塊(114)在面外的平動/轉(zhuǎn)動即面外的力/力矩；

傳感器芯片工作時(shí)，將外部的載荷傳遞立柱安裝于安裝腔體(133)當(dāng)中，將力/力矩傳遞到第二中心質(zhì)量塊(132)，使其產(chǎn)生一定的位移模式，導(dǎo)致梳齒電容和平板電容的變化，從而實(shí)現(xiàn)六軸力的檢測。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于SOI工藝的MEMS六軸力傳感器芯片，其特征在于：所述的蟹腿型梁(112)一端與第一中心質(zhì)量塊(114)連接，另一端與四個角落的固定電極連接，蟹腿型梁(112)將第一中心質(zhì)量塊(114)的電信號引出；所述的釋放孔(113)為開設(shè)在固定電極上的圓形陣列通孔，其底部的埋氧層與濕法腐蝕溶液直接接觸；所述的腔體(115)使得頂層硅結(jié)構(gòu)(11)的第一中心質(zhì)量塊(114)和蟹腿型梁(112)與襯底層硅結(jié)構(gòu)(13)保持Δh的間距，以形成電容結(jié)構(gòu)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于SOI工藝的MEMS六軸力傳感器芯片，其特征在于：所述的T型梁(131)一端與第二中心質(zhì)量塊(132)連接，另外兩端固支，四個T型梁(131)呈中心對稱布置，對第二中心質(zhì)量塊(132)起到支撐作用；所述的第二中心質(zhì)量塊(132)橫截面為正方形，中間開設(shè)有圓柱形的安裝腔體(133)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于SOI工藝的MEMS六軸力傳感器芯片，其特征在于：所述的玻璃器件層(2)包括玻璃襯底(21)上設(shè)有的金屬層結(jié)構(gòu)(22)；

所述的玻璃襯底(21)選取熱膨脹系數(shù)與硅相當(dāng)?shù)腂F33玻璃，與SOI晶圓進(jìn)行鍵合；

所述的金屬層結(jié)構(gòu)(22)包括電極焊盤(222)、引線(223)和金絲焊盤(224)，四個平板電極(221)通過引線(223)和金絲焊盤(224)連接，電極焊盤(222)通過引線(223)和金絲焊盤(224)連接。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于SOI工藝的MEMS六軸力傳感器芯片，其特征在于：所述的電極焊盤(222)在SOI晶圓和玻璃圓片的陽極鍵合過程中，與頂層硅結(jié)構(gòu)(11)的固定電極貼合，兩者之間形成電氣連接，將固定電極中的電信號引至電極焊盤(222)；所述的引線(223)將平板電極(221)和電極焊盤(222)中的電信號引出至金絲焊盤(224)；所述的金絲焊盤(224)布置在傳感器芯片的四周，通過金絲球焊的技術(shù)與外部調(diào)理電路的焊盤連接，將電信號引出至調(diào)理電路。