CN114279613B - 基于电容检测原理的mems六轴力传感器芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于电容检测原理的MEMS六轴力传感器芯片及其制备方法，芯片由载荷传递层、绝缘层、梳齿电容层和玻璃层由上向下组合而成，层间通过硅‑玻阳极键合和硅‑硅键合连接为一个整体；载荷传递层包括载荷传递层固定区和通过T型梁连接的载荷传递层中心刚体；绝缘层包括绝缘层固定区和其内部的可移动区；梳齿电容层包括梳齿动极板电极、梳齿电容、梳齿电容层中心刚体、梳齿定极板电极、Z型导电支撑梁和隔离沟道；玻璃层包括玻璃腔体、以及制备在玻璃腔体上的平板电容极板、内部电极焊盘、金属引线和外部焊盘；本发明芯片在工作时，能够检测六个方向上的力和力矩，具有量程大、灵敏度高、交叉轴灵敏度小和体积小等特点。

Description

基于电容检测原理的MEMS六轴力传感器芯片及其制备方法

技术领域

本发明属于微机电***和传感器技术领域，具体涉及一种基于电容检测原理的MEMS六轴力传感器芯片及其制备方法。

背景技术

微机电***的研究对象主要包括微型执行器和微型传感器等微纳器件，通过MEMS工艺制备的微纳器件具有体积小、能耗低、易于批量制备、成本低等优点，广泛应用在微型机器人、生物医疗等高精尖领域，起到感知外界环境信息和微操作执行等功能。微纳传感器按照检测原理可分为压阻式、压电式和电容式等，具有微型化、易于集成等优点。

六轴力传感器广泛应用在装配、打磨机器人等工业领域以及微创手术等医疗领域，实现智能机器人手指和手腕等部位力的检测；目前关于微型化的六轴力传感器研究相对较少，而利用MEMS工艺制备的六轴力传感器具有体积小、灵敏度高等特点，可应用于众多精密测量领域。

基于压阻检测原理的MEMS六轴力传感器通过弹性体将待测力或力矩转化为其上的应力分布，利用在弹性体上合理布置的压敏电阻敏感应力变化而输出待测力或力矩信息，六轴力的解耦检测较简单，但加工工艺较复杂，受温度影响较大；基于压电检测原理的MEMS六轴力传感器利用压电晶体的压电效应进行测量，但仅适用于动态力的测量，加工工艺也较复杂；基于电容检测原理的MEMS六轴力传感器通过弹性体将待测力或力矩转化为刚体的位移或转角，导致芯片上所布置电容极板的相对位置发生变化，通过检测电容的变化量实现对六轴力的测量，具有结构和加工工艺简单、受温度影响较小等优点。

目前，国内外基于电容检测原理的MEMS六轴力传感器，在研究和商用报道中较少，能够实现牛顿量级力检测的较少，灵敏度较低，且多数仅采用平行板电容或仅采用梳齿结构，存在较大的交叉轴灵敏度。

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基于电容检测原理的MEMS六轴力传感器芯片及其制备方法，具有量程大、灵敏度高、交叉轴灵敏度小等特点。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于电容检测原理的MEMS六轴力传感器芯片，由载荷传递层1、绝缘层2、梳齿电容层3和玻璃层4由上向下组合而成，层间通过硅-玻阳极键合和硅-硅键合连接为一个整体；

所述的载荷传递层1包括载荷传递层固定区11及通过T型梁12连接的载荷传递层中心刚体13；载荷传递层固定区11为芯片的框架，四个T型梁12，呈中心对称布置，载荷传递层固定区11凸出的四个缺角与载荷传递层中心刚体13的四个斜角边构成过载保护间隙14。

每个所述的T型梁12由垂直相交的双端固支弹性支撑梁和微梁构成，弹性支撑梁的两端固支于载荷传递层固定区11，微梁的一端垂直连接于弹性支撑梁的中部，微梁另一端垂直连接于载荷传递层中心刚体13。

所述的绝缘层2包括绝缘层固定区21和其内部的可移动区22，绝缘层2的材料为SiO₂。

所述的梳齿电容层3包括梳齿动极板电极31、梳齿电容32、梳齿电容层中心刚体33、梳齿定极板电极34、Z型导电支撑梁35和隔离沟道36；梳齿电容32为面内间距变化型电容，八个完全相同的梳齿电容32呈中心对称或轴对称布置；梳齿电容层3一共具有十二个电极，包括八个梳齿定极板电极34和四个梳齿动极板电极31，八个梳齿定极板电极34呈轴对称或中心对称地布置于芯片四周，四个梳齿动极板电极31与梳齿电容层中心刚体33通过Z型导电支撑梁35相连，不同的电极之间通过隔离沟道36实现电气绝缘。

每个梳齿电容32由定极板和动极板组成，定极板与梳齿定极板电极34相连，动极板与梳齿电容层中心刚体33相连，动极板和定极板具有高度差，动极板的高度小于定极板的高度。

所述的玻璃层4包括玻璃腔体43以及沉积在玻璃腔体43上的四个平板电容极板44、内部电极焊盘42、金属引线45和外部焊盘41；四个平板电容极板44对称布置在玻璃腔体43的中心区域，内部电极焊盘42呈中心对称地布置于玻璃层表面，十二个内部电极焊盘42与梳齿电容层3的十二个电极相接触，实现梳齿电容32的电气连接；金属引线45实现平板电容极板44与外部焊盘41、内部电极焊盘42与外部焊盘41的电气连接，将芯片内部电容极板上的电信号引出到外部焊盘41。

所述的一种基于电容检测原理的MEMS六轴力传感器芯片，在工作时，检测六个方向上的力和力矩，包括面内三轴力的检测和面外三轴力的检测。

所述的一种基于电容检测原理的MEMS六轴力传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：

1)进行高阻硅晶圆片结构的制备：

步骤1.1：准备高阻硅晶圆片，并清洗和烘干；

步骤1.2：在高阻硅晶圆片的一面制备第一对准标记，将制备有第一对准标记的一面定义为高阻硅晶圆片的正面；

步骤1.3：在高阻硅晶圆片正面制备一层SiO₂；

步骤1.4：在高阻硅晶圆片正面的SiO₂表面进行光刻，并刻蚀得到绝缘层2；

步骤1.5：将高阻硅晶圆片从背面刻穿，得到载荷传递层1的T型梁12、载荷传递层中心刚体13和过载保护间隙14结构；

2)进行玻璃圆片结构的制备：

步骤2.1：准备玻璃圆片，并清洗和烘干；

步骤2.2：在玻璃圆片的一面制备第二对准标记，将制备有第二对准标记的一面定义为玻璃圆片的正面；

步骤2.3：在玻璃圆片正面腐蚀得到玻璃腔体43；

步骤2.4：在玻璃圆片的正面制备玻璃层4的平板电容极板44、内部电极焊盘42、外部焊盘41和金属引线45的金属层结构；

3)进行低阻硅晶圆片的制备及低阻硅晶圆片和玻璃圆片的键合：

步骤3.1：准备低阻硅晶圆片，并清洗和烘干；

步骤3.2：在低阻硅晶圆片的一面制备第三对准标记；将制备有第三对准标记的一面定义为低阻硅晶圆片的背面；

步骤3.3：对低阻硅晶圆片背面进行浅刻蚀，得到低梳齿所在区域的结构；同时，采用硅-玻阳极键合，将低阻硅晶圆片与步骤2.4加工完成的玻璃圆片键合为一体，并将其减薄至设定厚度和抛光；

步骤3.4：在低阻硅晶圆片正面制备一层SiO₂材料；

步骤3.5：对沉积的SiO₂进行第一次刻蚀并刻穿，完成低阻硅晶圆片正面SiO₂掩膜的制备；

步骤3.6：在低阻硅晶圆片正面旋涂光刻胶；

步骤3.7：对低阻硅晶圆片正面旋涂的光刻胶依次进行前烘、曝光和显影，得到光刻胶掩膜；

步骤3.8：对步骤3.5得到的SiO₂掩膜进行第二次刻蚀并刻穿，完成SiO₂掩膜的自准直，同时完成SiO₂和光刻胶双层掩膜的制备；

步骤3.9：对低阻硅晶圆片正面进行第一次深反应离子刻蚀；

步骤3.10：去除表面的光刻胶掩膜，只保留SiO₂掩膜；

步骤3.11：对低阻硅晶圆片正面进行第二次深反应离子刻蚀，得到梳齿电容层3的所有结构；

步骤3.12：将SiO₂掩膜完全刻蚀去除，得到梳齿电容层3；

4)采用硅-硅键合工艺，将步骤1.5制备的高阻硅晶圆片、步骤3.12制备的低阻硅晶圆片键合为一体，并对键合后的晶圆进行划片，得到若干个分离的MEMS六轴力传感器芯片，完成芯片的制备。

本发明的有益效果为：本发明采用专门设计的载荷传递结构传递载荷，所测力或力矩的量程可以根据设计要求灵活调节，且能够实现牛顿量级力的检测，灵敏度较高；采用梳齿电容和平板电容共同检测信号，结合解耦公式，在原理上能够消除多轴力检测的交叉轴灵敏度问题；同时，利用MEMS技术制备芯片，体积小，能够批量化生产，成本较低。

附图说明

图1为本发明传感器芯片的立体结构示意图及其***视图。

图2为本发明传感器芯片的剖面结构示意图。

图3为载荷传递层的平面结构示意图。

图4为绝缘层的平面结构示意图。

图5为梳齿电容层的平面结构示意图。

图6为玻璃层的平面结构示意图。

图7(a)为载荷传递层和绝缘层加工的的工艺流程图；图7(b)为玻璃层加工的工艺流程图；图7(c)为梳齿层加工的工艺流程图。

图8为键合完成后的晶圆片剖面结构示意图。

图9(a)为载荷F_x作用下八个梳齿电容的变化情况示意图；图9(b)为载荷M_z作用下八个梳齿电容的变化情况示意图；图9(c)载荷F_z作用下四个平板电容的变化情况示意图；图9(d)为载荷M_x作用下四个平板电容的变化情况示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做详细描述。

参照图1、图2，一种基于电容检测原理的MEMS六轴力传感器芯片，由载荷传递层1、绝缘层2、梳齿电容层3和玻璃层4由上向下组合而成，层间通过硅-玻阳极键合和硅-硅键合连接为一个整体；

参照图3，所述的载荷传递层1包括载荷传递层固定区11及通过T型梁12连接的载荷传递层中心刚体13；载荷传递层固定区11为芯片的框架，保持固定不动；四个T型梁12，呈中心对称布置，每个T型梁12由垂直相交的双端固支弹性支撑梁和微梁构成，弹性支撑梁的两端固支于载荷传递层固定区11，微梁的一端垂直连接于弹性支撑梁的中部，微梁另一端垂直连接于载荷传递层中心刚体13，T型梁12对载荷传递层中心刚体13起到支撑作用，在外力作用下产生受力变形，T型梁12结构和尺寸决定了载荷传递层中心刚体13在六个自由度上的位移和转角，通过设计T型梁12的长度、宽度和厚度等尺寸参数，可以调整传感器的量程；所述的载荷传递层中心刚体13不产生受力变形，在T型梁12的支撑下产生六自由度刚***移模式，起到与外界接触、传递待测力和力矩的作用；载荷传递层固定区11凸出的四个缺角与载荷传递层中心刚体13的四个斜角边构成过载保护间隙14，其垂直间距Δd_max决定了载荷传递层中心刚体13最大可移动位移，防止载荷过大引起T型梁12和梳齿电容层3结构的破坏，起到过载保护的作用。

参照图4，所述的绝缘层2包括绝缘层固定区21和其内部的可移动区22，绝缘层2的材料为SiO₂，保证载荷传递层1和梳齿电容层3之间的绝缘，绝缘层2的厚度给T型梁12提供运动空间等作用，经硅-硅键合后将载荷传递层1中的载荷传递层中心刚体13的运动状态传递给梳齿电容层3中的梳齿电容层中心刚体33。

参照图5，所述的梳齿电容层3包括梳齿动极板电极31、梳齿电容32、梳齿电容层中心刚体33、梳齿定极板电极34、Z型导电支撑梁35和隔离沟道36；梳齿电容32为面内间距变化型电容，八个完全相同的梳齿电容32呈中心对称或轴对称布置，以便于六个方向上力和力矩的解耦，为提高传感器的灵敏度，需优化设计其梳齿数量N、梳齿间距d₁、梳齿反向间距d₂和梳齿宽度w等尺寸参数，以达到较大的电容-位移变化率；梳齿电容层3一共具有十二个电极，包括八个梳齿定极板电极34和四个梳齿动极板电极31，八个梳齿定极板电极34呈轴对称或中心对称地布置于芯片四周，四个梳齿动极板电极31与梳齿电容层中心刚体33通过Z型导电支撑梁35相连，不同的电极之间通过隔离沟道36实现电气绝缘；Z型导电支撑梁35实现梳齿电容层中心刚体33与外部梳齿动极板电极31的电气连接，以便与外部调理电路的电气连接，另外Z型导电支撑梁35对梳齿电容层中心刚体33起到支撑作用，Z型导电支撑梁35引起附加的刚度，相对于T型梁12的刚度小得多，其影响可以忽略不计；

每个梳齿电容32由定极板和动极板组成，定极板与梳齿定极板电极34相连，动极板与梳齿电容层中心刚体33相连，动极板和定极板具有高度差，动极板的高度小于定极板的高度，使得在面外载荷作用下梳齿电容32的正对面积不会发生变化，消除竖直方向力对面内梳齿电容检测的交叉干扰。

参照图6，所述的玻璃层4包括玻璃腔体43、以及沉积在玻璃腔体43上的四个平板电容极板44、内部电极焊盘42、金属引线45和外部焊盘41；玻璃腔体43的刻蚀深度即为平板电容的初始间距，加工过程中需要精确控制；四个平板电容极板44对称布置在玻璃腔体43的中心区域，另一个极板为梳齿电容层中心刚体33，为公共极板，四个平板电容检测由面外载荷引起的梳齿电容层中心刚体33的面外位移和转角；内部电极焊盘42呈中心对称地布置于玻璃层表面，硅-玻键合过程中，十二个内部电极焊盘42与梳齿电容层3的十二个电极相接触，实现梳齿电容32的电气连接；金属引线45实现平板电容极板44与外部焊盘41、内部电极焊盘42与外部焊盘41的电气连接，将芯片内部电容极板上的电信号引出到外部焊盘41；外部焊盘41与外部调理电路PCB上的焊盘通过金丝球焊机键合金丝连接，从而实现芯片与外部调理电路的电气连接。

所述的载荷传递层1、绝缘层2与梳齿电容层3通过硅-硅键合工艺连接为一个整体，键合过程中，首先，绝缘层2通过热氧化的方法制备在载荷传递层1，且具有特定的厚度，一方面起到绝缘作用，防止梳齿电容层漏电；另一方面起到连接作用，将载荷传递层中心刚体13和梳齿电容层中心刚体33连接为一个整体；同时，绝缘层2特定的厚度为载荷传递层1中的T型梁12结构提供了变形空间，防止T型梁12和梳齿电容32的干涉，特别是在承受面外方向的力或力矩作用时。

所述的梳齿电容层3和玻璃层4通过硅-玻阳极键合工艺连接为一个整体，一方面，梳齿电容层3上的梳齿动极板电极31、梳齿定极板电极34与玻璃层上对应的内部电极焊盘42相结合，使得电容极板上的信号进一步地通过金属引线45引出到外部焊盘41；另一方面玻璃腔体43内的四个平板电容极板44与梳齿电容层中心刚体33构成间距为玻璃腔体深度的四个平板电容，梳齿电容层中心刚体33为四个平板电容的公共极板。

参照图7，所述的一种基于电容检测原理的MEMS六轴力传感器芯片的制备方法，加工过程中，需要使用的所有光刻板及其相关信息如下表所示：

光刻板编号	工序	正版/翻版	阴版/阳版
				M1	高阻硅正面标记刻蚀	翻	阴
M2	绝缘层刻蚀	翻	阴
				M3	高阻硅背面结构刻蚀	正	阴
M4	玻璃片正面标记刻蚀	正	阴
				M5	玻璃正面腔体刻蚀	正	阴
M6	金属层剥离	正	阴
				M7	低阻硅背面标记刻蚀	翻	阴
M8	低阻硅背面低梳齿区域刻蚀	翻	阴
				M9	SiO<sub>2</sub>掩膜第一次刻蚀	正	阴
M10	光刻胶掩膜和SiO<sub>2</sub>掩膜第二次刻蚀	正	阴

1)进行高阻硅晶圆片结构的制备，如图7(a)所示，详细的工艺步骤如下：

步骤1.1：准备厚度为500μm、电阻率为10000Ω·cm的4寸高阻硅晶圆片51，并清洗和烘干；

步骤1.2：使用光刻板M1，在高阻硅晶圆片51的一面依次进行旋涂光刻胶、前烘、曝光、显影等光刻相关操作，得到光刻胶掩膜；采用干法刻蚀，对高阻硅晶圆片进行浅刻蚀，刻蚀深度为5μm，得到第一对准标记52；刻蚀完成后，去除表面的光刻胶并清洗、烘干；将制备有第一对准标记52的一面定义为高阻硅晶圆片的正面；

步骤1.3：采用热生长工艺，在高阻硅晶圆片正面制备一层厚度为10μm的SiO₂材料53；

步骤1.4：使用光刻板M2，在高阻硅晶圆片正面依次进行旋涂光刻胶、前烘、曝光、显影等光刻相关操作，得到光刻胶掩膜；采用干法刻蚀，将表面的SiO₂层刻穿，刻蚀深度为10μm，得到SiO₂绝缘层结构；刻蚀完成后，去除表面的光刻胶并清洗、烘干；

步骤1.5：使用光刻板M3，在高阻硅晶圆片背面依次进行旋涂光刻胶、前烘、曝光、显影等光刻相关操作，得到光刻胶掩膜；采用深反应离子刻蚀，将高阻硅晶圆片从背面刻穿，得到T型梁12、载荷传递层中心刚体13和过载保护间隙14等结构54；刻蚀完成后，去除表面光刻胶并清洗、烘干；至此，完成高阻硅晶圆片结构的制备，得到载荷传递层1和绝缘层2；

2)进行玻璃圆片结构的制备，如图7(b)所示，详细的工艺步骤如下：

步骤2.1：准备厚度为500μm的4寸BF33玻璃圆片61，并清洗和烘干；

步骤2.2：使用光刻板M4，在玻璃圆片的一面依次进行旋涂光刻胶、前烘、曝光、显影等光刻相关操作，得到光刻胶掩膜；采用干法刻蚀，对玻璃圆片进行浅刻蚀，刻蚀深度为5μm，得到第二对准标记62；刻蚀完成后，去除表面光刻胶并清洗、烘干；将制备有第二对准标记的一面定义为玻璃圆片的正面；

步骤2.3：使用光刻板M5，在玻璃圆片正面依次进行旋涂光刻胶、前烘、曝光、显影等光刻相关操作，得到光刻胶掩膜；使用BOE溶液对玻璃圆片进行湿法腐蚀，将玻璃圆片从正面腐蚀10μm深度，得到玻璃腔体43；腐蚀完成后，去除表面光刻胶并清洗、烘干；

步骤2.4：使用光刻板M6，在玻璃圆片正面依次进行旋涂光刻胶、前烘、曝光、显影等光刻相关操作，得到光刻胶掩膜；采用磁控溅射方法，在玻璃圆片正面依次沉积Cr/Au两层金属材料；采用湿法腐蚀的方法，去除玻璃圆片正面的光刻胶，完成金属层的剥离，得到平板电容极板44、内部电极焊盘42、外部焊盘41和金属引线45等金属层结构63，至此，完成玻璃圆片结构的制备，得到玻璃层4；

3)进行低阻硅晶圆片和硅-玻键合晶圆片结构的制备，如图7(c)所示，详细工艺步骤如下：

步骤3.1：准备厚度为300μm、电阻率为0.002～0.004Ω·cm的4寸低阻硅晶圆片71，并清洗和烘干；

步骤3.2：使用光刻板M7，在低阻硅晶圆片的一面上依次进行旋涂光刻胶、烘干、曝光、显影等光刻相关操作，得到光刻胶掩膜；采用干法刻蚀，对低阻硅晶圆片进行浅刻蚀，刻蚀深度为5μm，得到第三对准标记72；将制备有对准标记的一面定义为低阻硅晶圆片的背面；

步骤3.3：使用光刻板M8，在低阻硅晶圆片背面依次进行旋涂光刻胶、前烘、曝光、显影等光刻相关操作，得到光刻胶掩膜；采用干法刻蚀，对低阻硅晶圆片背面进行浅刻蚀，刻蚀深度为10μm，得到高度较低的梳齿所在区域的结构73；刻蚀完成后，去除表面的光刻胶并清洗、烘干；同时，采用硅-玻阳极键合，将低阻硅晶圆片与步骤2.4加工完成的玻璃圆片键合为一体，并将其减薄至100μm厚度和抛光；

步骤3.4：采用化学气相淀积方法，在低阻硅晶圆片正面制备一层厚度为300nm的SiO₂材料74；

步骤3.5：使用光刻板M9，在低阻硅晶圆片正面依次进行旋涂光刻胶、前烘、曝光、显影等光刻相关操作，得到光刻胶掩膜；对SiO₂层进行第一次干法刻蚀，并刻穿，得到SiO₂掩膜；刻蚀完成后，去除表面光刻胶并清洗、烘干；

步骤3.6：在低阻硅晶圆片正面旋涂光刻胶75；

步骤3.7：使用光刻板M10，对低阻硅晶圆片正面旋涂的光刻胶依次进行前烘、曝光和显影等操作，得到光刻胶掩膜；

步骤3.8：对步骤3.5得到的SiO₂掩膜进行第二次干法刻蚀并刻穿，得到最终的SiO₂掩膜，至此，完成SiO₂和光刻胶双层掩膜的制备；

步骤3.9：采用深反应离子刻蚀工艺，对低阻硅晶圆片正面进行第一次深反应离子刻蚀，刻蚀深度为90μm，得到梳齿电容层3的初始结构76；

步骤3.10：步骤3.9中的深刻蚀完成后，去除表面的光刻胶掩膜，只保留SiO₂掩膜；

步骤3.11：采用深反应离子刻蚀工艺，对低阻硅晶圆片正面进行第二次深反应离子刻蚀，刻蚀深度为10μm，得到梳齿电容层3的所有结构77；

步骤3.12：采用湿法腐蚀方法去除SiO₂掩膜；至此，完成低阻硅晶圆片结构的制备，得到梳齿电容层3；

4)采用硅-硅键合工艺，将步骤1.5制备的高阻硅晶圆片、步骤3.12制备的低阻硅晶圆片键合为一体，并对键合后的晶圆进行划片，得到若干个分离的MEMS六轴力传感器芯片，如图8所示，完成芯片的制备。

一种基于电容检测原理的MEMS六轴力传感器芯片的工作原理为：在工作时，需要检测六个方向上的力和力矩，具体包括面内三轴力的检测和面外三轴力的检测。

面内三轴力包括水平方向力F_x和F_y，以及水平面内的力矩M_z；利用梳齿电容层3的八个梳齿电容32来检测，不同的力或力矩所引起的八个梳齿电容32的变化规律不相同，对八个梳齿电容32作相应的求和或差分运算，用三个不同的电容差分方程分别输出待测力F_x、F_y和力矩M_z，可以抑制F_x、F_y和M_z之间的交叉轴灵敏度，实现面内三轴力的检测和解耦；具体的检测原理如下：

水平方向力F_x的检测，待测力F_x作用在载荷传递层中心刚体13上，使T型梁12产生受力变形，载荷传递层中心刚体13产生位移d_x，相应地梳齿电容层3内的八个梳齿电容C₁～C₈的动极板也产生位移d_x，导致梳齿电容32的极板间距或重合面积即梳齿电容数值的改变；图9(a)为待测力F_x作用下八个梳齿电容C₁～C₈的变化情况：根据对称性可知，电容C₁和C₃的梳齿间距减小，电容值均增大ΔC1，电容C₂和C₄的梳齿间距增大，电容值均减小ΔC1′；电容C₅和C₆的极板重合面积增大，电容值均增大ΔC，电容C₇和C₈的极板重合面积减小，电容值均减小ΔC。

因此，电容差分方程U_x＝C₁+C₃-C₂-C₄＝2ΔC1+2ΔC1′，与待测力F_x呈正相关，可用于水平力F_x的检测；电容差分方程U_y＝C₅+C₇-C₆-C₈＝0，即F_x对F_y输出信号的交叉轴灵敏度为0；电容差分方程U_Mz＝C₁+C₄+C₅+C₈-C₂-C₃-C₆-C₇＝0，即F_x对M_z输出信号的交叉轴灵敏度为0。

水平方向力F_y的检测与水平方向力F_x的检测类似，电容差分方程U_y＝C₅+C₇-C₆-C₈的值与待测力F_y呈正相关，通过后端调理电路检测U_y即可实现对水平力F_y的检测；相应的，F_y对F_x输出信号U_x和M_z输出信号U_Mz的交叉轴灵敏度均为0。

水平面内力矩M_z的检测，待测力矩M_z作用在载荷传递层中心刚体13上，使T型梁12产生受力变形，载荷传递层中心刚体13绕z轴转动角度θ_z，相应地梳齿电容层3内的八个梳齿电容C₁～C₈的动极板也转动θ_z，导致梳齿电容32两极板相对位置的变化即梳齿电容数值的改变；图9(b)为待测力矩M_z作用下八个梳齿电容C₁～C₈的变化情况：根据对称性可知，电容C₁、C₄、C₅、C₈的动极板靠近定极板，电容值均增大ΔC2，电容C₂、C₃、C₆、C₇的动极板远离定极板，电容值均减小ΔC2′。

因此，电容差分方程U_Mz＝C₁+C₄+C₅+C₈-C₂-C₃-C₆-C₇＝4ΔC2+4ΔC2′，与待测力矩M_z呈正相关，可用于水平面内力矩M_z的检测；电容差分方程U_x＝C₁+C₃-C₂-C₄＝0，即M_z对F_x输出信号的交叉轴灵敏度为0；电容差分方程U_y＝C₅+C₇-C₆-C₈＝0，即M_z对F_y输出信号的交叉轴灵敏度为0。

面外三轴力具体包括竖直方向作用力F_z、竖直面内力矩M_x和M_y；利用梳齿电容层中心刚体33与玻璃层4的四个平板电容极板44所构成的四个平板电容C₉～C₁₂来检测，不同的力或力矩所引起四个平板电容的变化规律不相同，对四个平板电容作相应的求和或差分运算，可以抑制F_z、M_x和M_y之间的交叉轴灵敏度，实现面外三轴力的检测和解耦；具体的检测原理如下：

竖直方向力F_z的检测，待测力F_z作用在载荷传递层中心刚体13上，使T型梁12产生受力变形，载荷传递层中心刚体13沿Z轴移动位移d_z，导致梳齿电容层中心刚体33与玻璃层的四个平板电容极板44的间距发生变化即平板电容数值的改变；图9(c)为待测力F_z作用下四个平板电容C₉～C₁₂的变化情况：根据对称性可知，电容C₉、C₁₀、C₁₁、C₁₂的极板间距均减小，电容值均增大ΔC3。

因此，电容差分方程U_z＝C₉+C₁₀+C₁₁+C₁₂-4C_ref＝4ΔC₃，与待测力F_z呈正相关，可以用于竖直方向力F_z的检测；电容差分方程U_Mx＝C₉+C₁₀-C₁₁-C₁₂＝0，即F_z对M_x输出信号的交叉轴灵敏度为0；电容差分方程U_My＝C₉+C₁₁-C₁₀-C₁₂＝0，即F_z对M_y输出信号的交叉轴灵敏度为0。

竖直面内力矩M_x的检测，待测力矩M_x作用在载荷传递层中心刚体13上，使T型梁12产生受力变形，载荷传递层中心刚体13绕x轴转动角度θ_x，导致梳齿电容层中心刚体33与玻璃层的四个平板电容极板44的相对位置发生变化即平板电容数值的改变；图9(d)为待测力矩M_x作用下四个平板电容C₉～C₁₂的变化情况：根据对称性可知，梳齿电容层中心刚体33发生倾斜，从而平板电容的动极板远离电容C₉和C₁₀的定极板，电容值均减小ΔC₄；相反，平板电容的动极板靠近电容C₁₁和C₁₂的定极板，电容值均增大ΔC4′。

因此，电容差分方程U_Mx＝C₉+C₁₀-C₁₁-C₁₂＝2ΔC₄+2ΔC₄′，与待测力矩M_x呈正相关，可以用于竖直面内力矩M_x的检测；电容差分方程U_z＝C₉+C₁₀+C₁₁+C₁₂-4C_ref＝2ΔC4-2ΔC4′≈0，即M_x对F_z输出信号的交叉轴灵敏度几乎为0；电容差分方程U_My＝C₉+C₁₁-C₁₀-C₁₂＝0，即M_x对M_y输出信号的交叉轴灵敏度为0。

竖直面内力矩M_y的检测，与竖直面内力矩M_x的检测类似，电容差分方程U_My＝C₉+C₁₁-C₁₀-C₁₂的值与待测力矩M_y呈正相关，通过后端的调理电路检测U_My的值即可实现对力矩M_y的检测；相应的，M_y对F_z输出信号U_z和M_x输出信号U_Mx的交叉轴灵敏度均为0。

面内三轴力和面外三轴力之间的交叉轴灵敏度通过结构设计抑制或消除，具体的，面内三轴力只引起载荷传递层中心刚体13和梳齿电容层中心刚体33在平面内的移动或转动，但不会导致面外平板电容间距和重合面积的相对变化，即不会引起面外电容数值的相对改变，消除了面内三轴力对面外三轴力检测的交叉干扰；面外三轴力引起载荷传递层中心刚体13和梳齿电容层中心刚体33在竖直平面内的移动或转动，通过设计的不等高度梳齿电容结构，很大程度上抑制了面外力导致的梳齿电容间距和重合面积的变化，即面内梳齿电容的值几乎保持不变，抑制了面外三轴力对面内三轴力检测的交叉干扰。

所述的载荷传递层中心刚体13和梳齿电容层中心刚体33的位移或转角d_x、d_y、d_z、θ_x、θ_y、θ_z，取决于待测力或力矩F_x、F_y、F_z、M_x、M_y、M_z的大小和T型梁12的平动或扭转刚度K_x、K_y、K_z、K_Mx、K_My、K_Mz的值。

通过对T型梁12、梳齿电容32和平板电容44等结构的合理设计和尺寸参数优化，本发明基于电容检测原理的MEMS六轴力传感器可达到的主要性能指标如下：

量程：0～2.5N、0～6N·mm；

灵敏度：1280fF/N、206fF/N·mm；

交叉轴灵敏度：＜1％。

Claims (6)

1.一种基于电容检测原理的MEMS六轴力传感器芯片，其特征在于：由载荷传递层(1)、绝缘层(2)、梳齿电容层(3)和玻璃层(4)由上向下组合而成，层间通过硅-玻阳极键合和硅-硅键合连接为一个整体；

所述的载荷传递层(1)包括载荷传递层固定区(11)及通过T型梁(12)连接的载荷传递层中心刚体(13)；载荷传递层固定区(11)为芯片的框架，四个T型梁(12)，呈中心对称布置，载荷传递层固定区(11)凸出的四个缺角与载荷传递层中心刚体(13)的四个斜角边构成过载保护间隙(14)；

所述的梳齿电容层(3)包括梳齿动极板电极(31)、梳齿电容(32)、梳齿电容层中心刚体(33)、梳齿定极板电极(34)、Z型导电支撑梁(35)和隔离沟道(36)；梳齿电容(32)为面内间距变化型电容，八个完全相同的梳齿电容(32)呈中心对称或轴对称布置；梳齿电容层(3)一共具有十二个电极，包括八个梳齿定极板电极(34)和四个梳齿动极板电极(31)，八个梳齿定极板电极(34)呈轴对称或中心对称地布置于芯片四周，四个梳齿动极板电极(31)与梳齿电容层中心刚体(33)通过Z型导电支撑梁(35)相连，不同的电极之间通过隔离沟道(36)实现电气绝缘；

每个梳齿电容(32)由定极板和动极板组成，定极板与梳齿定极板电极(34)相连，动极板与梳齿电容层中心刚体(33)相连，动极板和定极板具有高度差，动极板的高度小于定极板的高度。

2.根据权利要求1所述的一种基于电容检测原理的MEMS六轴力传感器芯片，其特征在于：所述的每个T型梁(12)由垂直相交的双端固支弹性支撑梁和微梁构成，弹性支撑梁的两端固支于载荷传递层固定区(11)，微梁的一端垂直连接于弹性支撑梁的中部，微梁另一端垂直连接于载荷传递层中心刚体(13)。

3.根据权利要求1所述的一种基于电容检测原理的MEMS六轴力传感器芯片，其特征在于：所述的绝缘层(2)包括绝缘层固定区(21)和其内部的可移动区(22)，绝缘层(2)的材料为SiO₂。

4.根据权利要求1所述的一种基于电容检测原理的MEMS六轴力传感器芯片，其特征在于：所述的玻璃层(4)包括玻璃腔体(43)、以及沉积在玻璃腔体(43)上的四个平板电容极板(44)、内部电极焊盘(42)、金属引线(45)和外部焊盘(41)；四个平板电容极板(44)对称布置在玻璃腔体(43)的中心区域，内部电极焊盘(42)呈中心对称地布置于玻璃层表面，十二个内部电极焊盘(42)与梳齿电容层(3)的十二个电极相接触，实现梳齿电容(32)的电气连接；金属引线(45)实现平板电容极板(44)与外部焊盘(41)、内部电极焊盘(42)与外部焊盘(41)的电气连接，将芯片内部电容极板上的电信号引出到外部焊盘(41)。

5.根据权利要求1所述的一种基于电容检测原理的MEMS六轴力传感器芯片，其特征在于：在工作时，检测六个方向上的力和力矩，包括面内三轴力的检测和面外三轴力的检测。

6.权利要求4所述的一种基于电容检测原理的MEMS六轴力传感器芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)进行高阻硅晶圆片结构的制备：

步骤1.1：准备高阻硅晶圆片，并清洗和烘干；

步骤1.2：在高阻硅晶圆片的一面制备第一对准标记，将制备有第一对准标记的一面定义为高阻硅晶圆片的正面；

步骤1.3：在高阻硅晶圆片正面制备一层SiO₂；

步骤1.4：在高阻硅晶圆片正面SiO₂进行光刻，刻蚀得到绝缘层(2)；

步骤1.5：将高阻硅晶圆片从背面刻穿，得到载荷传递层(1)的T型梁(12)、载荷传递层中心刚体(13)和过载保护间隙(14)结构；

2)进行玻璃圆片结构的制备：

步骤2.1：准备玻璃圆片，并清洗和烘干；

步骤2.2：在玻璃圆片的一面制备第二对准标记；将制备有第二对准标记的一面定义为玻璃圆片的正面；

步骤2.3：在玻璃圆片正面腐蚀得到玻璃腔体(43)；

步骤2.4：玻璃圆片正面制备玻璃层(4)的平板电容极板(44)、内部电极焊盘(42)、外部焊盘(41)和金属引线(45)的金属层结构；

3)进行低阻硅晶圆片的制备及低阻硅晶圆片和玻璃圆片的键合：

步骤3.1：准备低阻硅晶圆片，并清洗和烘干；

步骤3.2：在低阻硅晶圆片的一面制备第三对准标记；将制备有第三对准标记的一面定义为低阻硅晶圆片的背面；

步骤3.3：对低阻硅晶圆片背面进行浅刻蚀，得到低梳齿所在区域的结构；同时，采用硅-玻阳极键合，将低阻硅晶圆片与步骤2.4加工完成的玻璃圆片键合为一体，并将其减薄至设定厚度和抛光；

步骤3.4：在低阻硅晶圆片正面制备一层SiO₂材料；

步骤3.5：对沉积的SiO₂进行第一次刻蚀并刻穿，完成低阻硅晶圆片正面SiO₂掩膜的制备；

步骤3.6：在低阻硅晶圆片正面旋涂光刻胶；

步骤3.7：对低阻硅晶圆片正面旋涂的光刻胶依次进行前烘、曝光和显影，得到光刻胶掩膜；

步骤3.8：对步骤3.5得到的SiO₂掩膜进行第二次刻蚀并刻穿，完成SiO₂掩膜的自准直，同时完成SiO₂和光刻胶双层掩膜的制备；

步骤3.9：对低阻硅晶圆片正面进行第一次深反应离子刻蚀；

步骤3.10：去除表面的光刻胶掩膜，只保留SiO₂掩膜；

步骤3.11：对低阻硅晶圆片正面进行第二次深反应离子刻蚀，得到梳齿电容层(3)的所有结构；

步骤3.12：将SiO₂掩膜完全刻蚀去除，得到梳齿电容层(3)；

4)采用硅-硅键合工艺，将步骤1.5制备的高阻硅晶圆片、步骤3.12制备的低阻硅晶圆片键合为一体，并对键合后的晶圆进行划片，得到若干个分离的MEMS六轴力传感器芯片，完成芯片的制备。

Images