[發(fā)明專利]一種MEMS電容式六軸力傳感器芯片及其制備工藝

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202111595513.8
• 申請日: 2021-12-23
• 公開（公告）號: CN114323396B
• 公開（公告）日: 2022-11-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙立波;譚仁杰;韓香廣;高文迪;李敏;陳瑤;董林璽;楊萍;王小章;王久洪;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;B81B7/02;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MEMS電容式六軸力傳感器芯片，其特征在于：包括由上向下設(shè)置的高阻硅器件層(1)、低阻硅器件層(2)和玻璃器件層(3)，通過硅-硅鍵合和硅-玻鍵合形成一種三明治結(jié)構(gòu)；

所述的高阻硅器件層(1)包括第一中心剛體(12)，第一中心剛體(12)外側(cè)通過環(huán)形陣列的V型梁(11)和外圍邊框連接，第一中心剛體(12)的內(nèi)部設(shè)有圓柱形空腔(13)；

所述的低阻硅器件層(2)包括第二中心剛體(23)，第二中心剛體(23)四周和電極(21)形成梳齒電容(22)，第二中心剛體(23)四角和電極(21)通過Z型梁(25)連接；

所述的電極(21)包括八個梳齒電容的定極板電極、四個與第二中心剛體(23)互相連接的動極板電極；所述的梳齒電容(22)共八個，八個梳齒電容(22)呈軸對稱或中心對稱布置，每個梳齒電容(22)由動極板(222)和定極板(221)組成，動極板(222)與傳感器芯片四周的電極對應(yīng)相連，定極板(221)均與第二中心剛體(23)相連，且定極板(221)高度大于動極板(222)，梳齒電容(22)能夠?qū)⒌诙行膭傮w(23)的位移或轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化為電容數(shù)值的變化；所述的第二中心剛體(23)一方面與高阻硅器件層(1)的第一中心剛體(12)鍵合為一體，另一方面作為梳齒電容動極板的公共電極；

所述的玻璃器件層(3)包括玻璃基底，玻璃基底上設(shè)有內(nèi)外玻璃腔體(31)，內(nèi)玻璃腔體(31)設(shè)有平板電容極板(32)，外玻璃腔體(31)設(shè)有外部焊盤(35)，內(nèi)外的玻璃腔體(31)之間的玻璃基底上設(shè)有內(nèi)部焊盤(33)，內(nèi)部焊盤(33)和外部焊盤(35)之間連接有金屬引線(34)；

所述的平板電容極板(32)為四個正方形的金屬極板，且呈中心對稱布置在玻璃腔體(31)的表面，與低阻硅器件層(2)的第二中心剛體(23)構(gòu)成四個平行板電容；所述的內(nèi)部焊盤(33)包括八個與梳齒定極板電極接觸的內(nèi)部焊盤，和四個與梳齒動極板電極接觸的內(nèi)部焊盤，每個內(nèi)部焊盤(33)與低阻硅器件層(2)對應(yīng)的電極(21)在電學(xué)上互連互通。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種MEMS電容式六軸力傳感器芯片，其特征在于：所述的環(huán)形陣列的V型梁(11)中陣列數(shù)目為N，單個V型梁(11)由長度分別為L1和L2、寬度均為W的兩根直梁互呈θ度角連接而形成，V型梁(11)的一端固定于第一中心剛體(12)上，另一端固支于外圍邊框，將待測力或力矩轉(zhuǎn)化為第一中心剛體(12)的平動位移或轉(zhuǎn)動角度，通過對N、L1、L2、W和θ等參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計，改變其剛度數(shù)值，對傳感器芯片的檢測量程進(jìn)行調(diào)整以滿足設(shè)計要求。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種MEMS電容式六軸力傳感器芯片，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連接而構(gòu)成，具有剛度小的特點。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種MEMS電容式六軸力傳感器芯片，其特征在于：所述的玻璃腔體(31)的深度為所設(shè)計平行板電容的間距，通過濕法腐蝕工藝精確控制。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種MEMS電容式六軸力傳感器芯片，其特征在于：所述的外部焊盤(35)為正方形結(jié)構(gòu)，利用金線鍵合技術(shù)將外部焊盤(35)與外部PCB上的焊盤連接，即將傳感器芯片接入到外部電路當(dāng)中。