一种MEMS电容式六轴力传感器芯片及其制备工艺制造技术

一种MEMS电容式六轴力传感器芯片及其制备工艺，芯片包括由上向下设置的高阻硅器件层、低阻硅器件层和玻璃器件层，通过硅

【技术实现步骤摘要】
一种MEMS电容式六轴力传感器芯片及其制备工艺


[0001]本专利技术属于MEMS传感器和微纳制造
，具体涉及一种MEMS电容式六轴力传感器芯片及其制备工艺。

技术介绍

[0002]MEMS传感器具有微型化、集成化和智能化等特点，广泛应用于航空航天、工业机器人和生物医疗等领域，是实现万物互联的基础。微纳制造技术以传统的IC工艺为基础发展起来，在硅基材料上进行光刻、刻蚀、淀积等工艺，能够实现微小结构的批量化生产，且成本低，广泛应用于微传感器、微纳机器人和微结构的制造。
[0003]目前的六轴力传感器主要应用在机器人的腕部和肩部，以及一些较大型的位移平台，体积和量程都较大，而应用于智能机器人手指尖端、微创手术和微型机器人等高精尖领域的微型化六轴力传感器研究较少。
[0004]基于微纳加工工艺的MEMS六轴力传感器能够很好地满足微型化的要求，按工作原理主要可分为压阻式、压电式、电容式和谐振式等。压阻式传感器加工工艺较复杂，受温度影响较大；压电式传感器的工作频率较高，适用于动态力的测量，难以检测静态力；电容式传感器具有结构和加工工本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种MEMS电容式六轴力传感器芯片，其特征在于：包括由上向下设置的高阻硅器件层(1)、低阻硅器件层(2)和玻璃器件层(3)，通过硅
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硅键合和硅
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玻键合形成一种三明治结构；所述的高阻硅器件层(1)包括第一中心刚体(12)，第一中心刚体(12)外侧通过环形阵列的V型梁(11)和外围边框连接，第一中心刚体(12)的内部设有圆柱形空腔(13)；所述的低阻硅器件层(2)包括第二中心刚体(23)，第二中心刚体(23)四周和电极(21)形成梳齿电容(22)，第二中心刚体(23)四角和电极(21)通过Z型梁(25)连接；所述的电极(21)包括八个梳齿电容的定极板电极、四个与第二中心刚体(23)互相连接的动极板电极；所述的梳齿电容(22)共八个，八个梳齿电容(22)呈轴对称或中心对称布置，每个梳齿电容(22)由动极板(222)和定极板(221)组成，动极板(222)与传感器芯片四周的电极对应相连，定极板(221)均与第二中心刚体(23)相连，且定极板(221)高度大于动极板(222)，梳齿电容(22)能够将第二中心刚体(23)的位移或转角转化为电容数值的变化；所述的第二中心刚体(23)一方面与高阻硅器件层(1)的第一中心刚体(12)键合为一体，另一方面作为梳齿电容动极板的公共电极；所述的玻璃器件层(3)包括玻璃基底，玻璃基底上设有内外玻璃腔体(31)，内玻璃腔体(31)设有平板电容极板(32)，外玻璃腔体(31)设有外部焊盘(35)，内外的玻璃腔体(31)之间的玻璃基底上设有内部焊盘(33)，内部焊盘(33)和外部焊盘(35)之间连接有金属引线(34)；所述的平板电容极板(32)为四个正方形的金属极板，且呈中心对称布置在玻璃腔体(31)的表面，与低阻硅器件层(2)的第二中心刚体(23)构成四个平行板电容；所述的内部焊盘(33)包括八个与梳齿定极板电极接触的内部焊盘，和四个与梳齿动极板电极接触的内部焊盘，每个内部焊盘(33)与低阻硅器件层(2)对应的电极(21)在电学上互连互通。2.根据权利要求1所述的一种MEMS电容式六轴力传感器芯片，其特征在于：所述的环形阵列的V型梁(11)中阵列数目为N，单个V型梁(11)由长度分别为L1和L2、宽度均为W的两根直梁互呈θ度角连接而形成，V型梁(11)的一端固定于第一中心刚体(12)上，另一端固支于外围边框，将待测力或力矩转化为第一中心刚体(12)的平动位移或转动角度，通过对N、L1、L2、W和θ等参数的优化设计，改变其刚度数值，对传感器芯片的检测量程进行调整以满足设计要求。3.根据权利要求1所述的一种MEMS电容式六轴力传感器芯片，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连接而构成，具有刚度小的特点。4.根据权利要求1所述的一种MEMS电容式六轴力传感器芯片，其特征在于：所述的玻璃腔体(31)的深度为所设计平行板电容的间距，通过湿法腐蚀工艺精确控制。5.根据权利要求1所述的一种MEMS电容式六轴力传感器芯片，其特征在于：所述的外部焊盘(35)为正方形结构，利用金线键合技术将外部焊盘(35)与外部PCB上的焊盘连接，即将传感器芯片接入到外部电路当中。6.权利要求1所述的一种MEMS电容式六轴力传感器芯片的制备工艺，其特征在于：包括硅器件层的加工工艺、玻璃器件层的加工工艺、硅
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玻键合工艺和划片；所述的硅器件层的加工工艺具体步骤如下：步骤1.1：高阻硅晶圆准备，选取电阻率为10000Ω
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cm的单晶硅晶圆；
步骤1.2：对准标记和划片标记的制备，在高阻硅晶圆的一面进行光刻，利用显影后的光刻胶作为掩膜，对高阻硅晶圆进行干法刻蚀，得到第一对准标记和划片标记，并将该面定义为高阻硅晶圆的正面；步骤1.3：背面腔体结构的制备，在高阻硅晶圆的背面进行光刻，利用...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵立波，谭仁杰，韩香广，高文迪，李敏，陈瑶，董林玺，杨萍，王小章，王久洪，蒋庄德，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：