[發明專利]一種MEMS電容式六軸力傳感器芯片及其制備工藝

有效

• 申請號: 202111595513.8
• 申請日: 2021-12-23
• 公開（公告）號: CN114323396B
• 公開（公告）日: 2022-11-11
• 發明（設計）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）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;B81B7/02;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MEMS電容式六軸力傳感器芯片及其制備工藝，芯片包括由上向下設置的高阻硅器件層、低阻硅器件層和玻璃器件層，通過硅?硅鍵合和硅?玻鍵合形成一種三明治結構；高阻硅器件層包括第一中心剛體和載荷傳遞結構；低阻硅器件層包括第二中心剛體，第二中心剛體四周和電極形成梳齒電容，第二中心剛體一方面與第一中心剛體鍵合為一體，另一方面作為梳齒電容動極板的公共電極；玻璃器件層包括玻璃基底，以及玻璃基底上的平板電容極板、外部焊盤、內部焊盤、金屬引線等金屬層結構；制備工藝包括硅器件層的加工工藝、玻璃器件層的加工工藝、硅?玻鍵合工藝和劃片；本發明實現六軸力或力矩的解耦輸出，具有量程大、靈敏度高、串擾誤差小、微型化等優點。

技術領域

本發明屬于MEMS傳感器和微納制造技術領域，具體涉及一種MEMS電容式六軸力傳感器芯片及其制備工藝。

背景技術

MEMS傳感器具有微型化、集成化和智能化等特點，廣泛應用于航空航天、工業機器人和生物醫療等領域，是實現萬物互聯的基礎。微納制造技術以傳統的IC工藝為基礎發展起來，在硅基材料上進行光刻、刻蝕、淀積等工藝，能夠實現微小結構的批量化生產，且成本低，廣泛應用于微傳感器、微納機器人和微結構的制造。

目前的六軸力傳感器主要應用在機器人的腕部和肩部，以及一些較大型的位移平臺，體積和量程都較大，而應用于智能機器人手指尖端、微創手術和微型機器人等高精尖領域的微型化六軸力傳感器研究較少。

基于微納加工工藝的MEMS六軸力傳感器能夠很好地滿足微型化的要求，按工作原理主要可分為壓阻式、壓電式、電容式和諧振式等。壓阻式傳感器加工工藝較復雜，受溫度影響較大；壓電式傳感器的工作頻率較高，適用于動態力的測量，難以檢測靜態力；電容式傳感器具有結構和加工工藝簡單、受溫度影響較小等優點；諧振式傳感器主要通過敏感機械結構諧振頻率的變化實現對力覺的檢測，結構和工作原理較復雜。

現有的基于微納加工工藝的MEMS電容式六軸力傳感器，采用梳齒電容結構的傳感器多用于毫牛甚至微牛級別力的檢測，而采用平行板電容結構的傳感器，其靈敏度較低，且很難真正抑制六軸力之間的串擾誤差，因而無法完全實現六軸力的解耦。

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MEMS電容式六軸力傳感器芯片及其制備工藝，通過載荷傳遞結構的設計，能夠實現牛頓量級的力和力矩的檢測；通過平板電容和梳齒電容的求和與差分來檢測信號，具有較高的靈敏度；結合所提出的解耦公式，能夠真正消除六軸力之間的串擾誤差；另外，基于MEMS制造技術，該傳感器芯片具有微型化、批量化和成本低等優點。

為了達到上述目的，本發明采取的技術方案為：

一種MEMS電容式六軸力傳感器芯片，包括由上向下設置的高阻硅器件層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構；

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外側通過環形陣列的V型梁11和外圍邊框連接，第一中心剛體12的內部設有圓柱形空腔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，定極板221與傳感器芯片四周的電極對應相連，動極板222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能夠將第二中心剛體23的位移或轉角轉化為電容數值的變化；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；