[發明專利]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

• 申請號: 202111595510.4
• 申請日: 2021-12-23
• 公開（公告）號: CN114323395B
• 公開（公告）日: 2022-11-11
• 發明（設計）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）人: 西安交通大學;杭州電子科技大學
• 主分類號: G01L5/165
• 分類號: G01L5/165;G01L1/14;B81B7/02;B81B7/00;B81C1/00
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 賀建斌

一種基于SOI工藝的MEMS六軸力傳感器芯片及其制備方法，芯片由SOI器件層和玻璃器件層鍵合組成；SOI器件層包括頂層硅結構、埋氧層結構和襯底層硅結構；頂層硅結構包括第一中心質量塊，第一中心質量塊通過蟹腿型梁和頂層邊框連接，頂層邊框和中心質量塊之間設有梳齒電容；埋氧層結構包括釋放區和非釋放區；襯底層硅結構包括第二中心質量塊，第二中心質量塊通過T型梁和襯底層邊框連接，第二中心質量塊中部設有安裝腔體，外部的載荷傳遞立柱安裝于安裝腔體當中，將力/力矩傳遞到第二中心質量塊；本發明實現六軸力的解耦檢測，易于電路集成；以SOI晶圓和玻璃圓片為基礎，結合光刻、淺刻蝕等工藝實現芯片的制備，工藝簡單，易于批量制造。

技術領域

本發明屬于微納傳感器技術領域，具體涉及一種基于SOI工藝的MEMS六軸力傳感器芯片及其制備方法。

背景技術

微納傳感器依據壓阻效應、靜電效應和壓電效應等微觀機理，搭配外圍的調理電路工作，其結構的特征尺寸通常在微米甚至納米量級，傳統的機械加工方法難以滿足，通常采用精密機械加工、高能束加工、硅微加工和LIGA技術等先進制造技術，微納傳感器具有體積小、重量輕、功耗低、批量化程度高和易于集成等優點，廣泛應用于壓力、力、加速度和流量等參量的檢測。

多軸力傳感器可以同時實現對特定方向的力/力矩的檢測，其核心關鍵技術在于彈性體結構的設計以及多軸力信號之間的解耦。目前關于三軸力傳感器的研究和應用較多，而對能夠實現對任意方向力/力矩檢測的六軸力傳感器研究較少；同時，應用在空間機器人關節處和一些大型試驗平臺當中的多軸力傳感器較多，而關于微型化小量程的六軸力傳感器研究和應用更少。

現有的微型化小量程六軸力傳感器大部分是基于傳統機械加工方法，主要是通過在Y型梁、T型梁或Stewart平臺等彈性體結構上合理布置金屬應變計或壓敏電阻的原理工作，但不能批量化生產，微型化程度不高，且成本較高；基于 MEMS工藝的六軸力傳感器，能滿足微型化、批量化的要求，但壓阻式的受溫度影響較大，且工藝流程較復雜，壓電式的易受外界電磁干擾，且難以實現對靜態力的檢測，電容式的需要搭配較復雜的信號檢測電路。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供了一種基于SOI工藝的MEMS六軸力傳感器芯片及其制備方法，利用MEMS中硅微機械加工微型化、批量化的特點，采用靜電效應的工作原理，通過載荷傳遞結構、中心質量塊和電容結構，將待測力/力矩轉化為電容數值的變化，最終通過工作方程實現力/力矩的測量和解耦；以SOI晶圓和玻璃圓片為基礎，結合光刻、淺刻蝕、深刻蝕、釋放和鍵合等標準的MEMS體硅工藝，即可實現芯片結構的制備，工藝簡單，易于批量制造；在實現多軸力解耦的同時，可以通過商用的差動脈寬調制電路直接輸出信號，簡化了調理電路的復雜性。

為了達到上述目的，本發明采取的技術方案如下：

一種基于SOI工藝的MEMS六軸力傳感器芯片，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包括頂層硅結構11、埋氧層結構12和襯底層硅結構13；

所述的頂層硅結構11包括第一中心質量塊114，第一中心質量塊114通過蟹腿型梁112和頂層邊框連接，頂層邊框和中心質量塊114之間設有梳齒電容111，頂層邊框上設有釋放孔113，蟹腿型梁112和頂層邊框連接處設有腔體115；

所述的梳齒電容111由梳齒和電極組成，梳齒由運動極板和固定極板兩部分組成，電極由運動電極和固定電極兩部分組成；所述的第一中心質量塊114是八個運動極板公共的運動電極，八個固定電極與對應的固定極板連接；所述的蟹腿型梁112一端與第一中心質量塊114連接，另一端與四個角落的固定電極連接，蟹腿型梁112將第一中心質量塊114的電信號引出；所述的釋放孔113為開設在固定電極上呈陣列布置的圓形通孔，其底部的埋氧層與濕法腐蝕溶液直接接觸；所述的腔體115使得頂層硅結構11的第一中心質量塊114和蟹腿型梁112與玻璃襯底結構13保持Δh的間距，以形成電容結構。