【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及微机电系统和集成电路，特别是关于一种单芯片集成三轴力传感器及其制备方法。
技术介绍
0、技术背景
1、近年来，机器人已成为全球新一轮科技和产业革命的重要切入点，将对人类社会的生产模式和生活方式产生深刻影响。随着工业机器人向高端化、精密化和智能化趋势发展，以及医疗机器人、人形机器人等的不断出现，发展高精度机器人成为机器人技术发展的重中之重。为实现有效的控制与操作，机器人需得知与其环境的相互作用力。多轴力传感器是机器人的核心部件之一，当前机器人力控的最佳方案，能够进一步提升机器人的工作精度，从而提升执行任务的准确性，并且拓展更加精细的工作内容，因此开发高精度多轴力传感器对于高精度机器人发展具有重要的意义。
2、现有的力传感器主要包括两类：金属应变片式力传感器和mems力传感器。金属应变片式力传感器是一种传统且目前广泛应用的力传感器。金属应变片力传感器主要通过在应变体上粘贴多个金属应变片，当传感器被施加外力时，力传感器内的应变体会产生形变，使得粘贴在其上的金属应变片一起伸缩。金属材料的压阻效应使金属应变片在产生形变时会产生相应电阻值的改变，通过合理的设计就能转换为电信号来检测多轴的力。尽管金属应变式力传感器的可靠性较高、量程范围大，被大量应用于机器人领域，但限于金属材料的本征性质，金属应变式力传感器灵敏度很低、分辨率低、线性度较差、延迟大，特别是金属应变式力传感器受限于贴片工艺，导致其易疲劳，成本高、耦合大、精度低，且三轴力传感器通常只能通过单轴的应变片组装而成，尺寸都比较大，直径一般在40-80
3、mems力传感器一般采用微机械加工方法制备，与金属应变片式力传感器相比，具有更高的灵敏度和分辨率、更小的体积和更快的响应速度，由于无需人工贴片和标定，因此具有更低的成本和更高的精度，且制备工艺相对成熟，可兼容标准cmos工艺。mems力传感器按工作原理可以分为压电式、电容式、光电式、电感式、压阻式。压电式传感器只能测量动态负载且制造和集成具有挑战性；电容式传感器功耗低，但容易受寄生电容效应的影响，降低检测精度；光电式传感器具有光学系统的优点，如不易受电磁干扰影响，但系统体积大；电感式传感器容易受温度影响且非线性现象严重；压阻式传感器相对其他原理的力学传感器件，片上集成工艺相对比较成熟，且灵敏度、精度、频率响应等特性优越，但易受温度影响。
4、目前，mems力传感器主要采用压力传感器作为单轴力传感器应用，只能实现简单、低精度的任务，不能很好的满足高精度机器人的应用需求。相比于单轴力传感器，三轴力传感器可同时感知法向力和剪切力，实现机器人的力矢量的精确控制，使得机器人进行更精细灵巧的操作，因此三轴力传感器具有广阔的应用前景。另一方面，目前的三轴力传感器与信号调理/检测电路系统分离，多采用板级电路读出传感器的信号，这种方法的传感器与电路之间采用导线连接，互连的寄生电阻、电容会引入噪声，使得传感器的信噪比及稳定性下降。单片集成传感器是将传感器与信号调理/处理电路系统制备在一个芯片上，可显著提高传感器的信噪比，实现三轴力的高分辨率传感检测，同时减小三轴力传感器的体积和重量，便于装配到机器人中。基于压阻读出的三轴力传感器制备工艺与标准cmos工艺兼容，具有集成电路的低成本、高可靠性的优点。此外通过信号调理电路实现温度补偿和解耦，使得单片集成三轴力传感器具有低热漂移和低耦合的优点。因此，不同于传统的mems三轴力传感器，单片集成式三轴力传感器能提高传感器的分辨率和精度，减小传感器体积，降低传感器成本，降低传感器耦合和热漂移，因此基于mems与cmos集成技术实现的单片集成式三轴力传感器有望替代传统的三轴力传感器，促进机器人技术的发展。
技术实现思路
1、针对现有三轴力传感器中存在的如上技术问题，本专利技术提供一种单芯片集成的三轴力传感器及其制备方法，集成三轴力传感器将三轴力传感器与电路系统制备在同一芯片上，在有效提高了传感器精度、分辨率、温度稳定性的同时减小了体积、重量和成本。
2、具体来说，本专利技术的单芯片集成三轴力传感器包括三轴力传感器和电路系统，所述三轴力传感器用于高灵敏度测量x、y、z轴的力，所述电路系统用于三轴力传感器信号的提取放大、滤波、模数转换、温度补偿、供电、数字信号输出、校准和解耦等，包括但不限于以下几种电路类型：放大器、滤波器、模拟数字转换器(adc)、温度补偿电路、电源电路、数字接口电路，以及具有三轴力传感信号校准和解耦功能的电路和具有神经网络处理功能的电路。上述三轴力传感器和电路系统的全部组件以单芯片集成方式集成在一起；所述电路系统还可以包括微控制单元、片上天线和无线射频电路模块，其中，微控制单元实现传感器输出信号与上位机通信，片上天线和无线射频电路模块实现传感器输出信号的无线传输与通信，这些模块可以采用单片集成与系统级集成相结合的方式与力传感器集成在一起。
3、所述三轴力传感器由应变体、位于应变体中央的受力体、支撑应变体和受力体的框架、以及嵌入于应变体中的力敏电阻组成。所述的三轴力传感器基于压阻效应的工作原理，通过设计排布嵌入应变体中的三组力敏电阻，构成三个惠斯通电桥，分别用于测量三个正交力fx、fy、fz，且每个轴向力的测量信号基本不影响另外两个轴向力的输出信号。当外界力矢量作用于受力体时，受力体将发生位移或形变，从而带动应变体产生对应的形变，使得嵌入于应变体中的力敏电阻阻值发生改变。惠斯通电桥将应变体中力敏电阻的阻值变化转化为差分电压信号，差分电压信号经过电路系统，最终输出与力的大小和方向成比例的数字信号。
4、所述支撑框架用于支撑应变体，为内外壁为方形、圆形、多边形等形状的中空或空腔结构，厚度一般与衬底材料厚度一致。支撑框架由硅衬底材料直接制备，通过选择性刻蚀或腐蚀去除硅衬底材料形成中空结构，或保留部分衬底材料的空腔结构。
5、所述应变体连接在支撑框架和受力体之间，所述应变体由支撑框架支撑。通过从背面选择性刻蚀或腐蚀去除部分衬底材料形成应变体结构，根据测量灵敏度和量程确定剩余衬底厚度；所述应变体可以是膜片式、双支梁、悬臂梁、十字梁、米字梁结构。对于膜片式应变体，结构背面的衬底材料被部分刻蚀或腐蚀掉，得到悬浮的膜片结构；而对于梁式应变体，在部分刻蚀或腐蚀掉背面衬底材料基础上，需要在传感器正面根据梁的具体结构刻蚀或腐蚀介质层以及硅衬底材料至整个衬底穿通，得到镂空的悬浮梁结构。
6、所述受力体位于三轴力传感器应变体的中央，相比于应变体表面可以凸起或凹陷，或者与应变体在同一平面内，也可以贯穿于应变体；受力体为方形、圆形、多边形等对称形状。所述受力体可以在制备传感器过程中同时制备完成，也可以根据本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种单芯片集成三轴力传感器，其特征在于，包括：三轴力传感器和电路系统；三轴力传感器用于检测法向力和剪切力；电路系统用于处理三轴力传感器的输出电压信号；三轴力传感器与电路系统采用集成工艺制备在同一芯片。
2.如权利要求1所述单芯片集成三轴力传感器，其特征在于，三轴力传感器包括支撑框架、应变体、受力体、以及嵌入于应变体中的力敏电阻；电路系统包括用于三轴力传感器输出电压信号的提取、放大、滤波、模数转换、温度补偿、电源和数字接口功能模块。
3.如权利要求2所述单芯片集成三轴力传感器，其特征在于，支撑框架用于支撑应变体，由硅衬底材料直接制备，通过选择性刻蚀或腐蚀去除硅衬底材料形成中空结构，或保留部分衬底材料的空腔结构，支撑框架为内外壁为带有通孔或空腔的方形、圆形或多边形，厚度一般与衬底材料厚度一致。
4.如权利要求2所述单芯片集成三轴力传感器，其特征在于，应变体由支撑框架支撑；通过从背面选择性刻蚀或腐蚀去除部分衬底材料形成应变体结构，根据测量灵敏度和量程确定剩余衬底厚度；所述应变体采用膜片式、双支梁、悬臂梁、十字梁或米字梁结构，对于膜片式应变体，结构
5.如权利要求2所述单芯片集成三轴力传感器，其特征在于，受力体为方形、圆形或多边形，位于三轴力传感器应变体的中心位置处，凹进或凸起于应变体，或与应变体在一个平面内，或贯穿于应变体；受力体采用在制备集成三轴力传感器过程中同时制备完成，或采用半导体材料、金属、PDMS、海绵、硅胶、聚酰亚胺、树脂、PMMA、光刻胶、陶瓷制备力传递结构，再通过键合、填充、粘贴或插接方式固定在应变体上。
6.如权利要求2所述单芯片集成三轴力传感器，其特征在于，力敏电阻全部布置在应变体上，或一部分布置在应变体上，另一部分布置在支撑框架上，由三组力敏电阻构成三个惠斯通电桥，分别用于测量三个正交力Fx、Fy、Fz，且每个轴向力的测量信号不影响另外两个轴向力的输出信号；力敏电阻由器件层为P型的SOI基片制备，或制备在N型或者P型双抛基片上；力敏电阻设计沿着[110]晶向，以获得最高的压阻系数。
7.如权利要求6所述单芯片集成三轴力传感器，其特征在于，测量三个正交力的力敏电阻排布分别为：
8.如权利要求6所述单芯片集成三轴力传感器，其特征在于，力敏电阻的另一种排布设计方案为：
9.一种制备如权利要求1至8任一项所述单芯片集成三轴力传感器的制备方法，其特征在于，可采用两种基片制备，包括(100)晶面的双抛单晶硅基片或器件层为(100)晶面的P型SOI基片；当采用器件层为P型SOI基片制备时，基于部分耗尽型的SOI CMOS工艺，因此三轴力传感器的力敏电阻和电路系统的CMOS器件有源区均制备在此器件层上，埋氧层作为三轴力传感器和电路系统中CMOS电路的下保护层；当采用双抛单晶硅基片制备时，三轴力传感器的力敏电阻制备在N+保护环中，基于标准的体硅CMOS工艺制备；三轴力传感器力敏电阻、互联、钝化平面工艺在进行CMOS工艺过程中同步完成，最后进行支撑框架、应变体、受力体MEMS加工工艺，此处不再描述CMOS标准工艺步骤，只描述涉及力传感器的工艺，其步骤包括：
...【技术特征摘要】
1.一种单芯片集成三轴力传感器，其特征在于，包括：三轴力传感器和电路系统；三轴力传感器用于检测法向力和剪切力；电路系统用于处理三轴力传感器的输出电压信号；三轴力传感器与电路系统采用集成工艺制备在同一芯片。
2.如权利要求1所述单芯片集成三轴力传感器，其特征在于，三轴力传感器包括支撑框架、应变体、受力体、以及嵌入于应变体中的力敏电阻；电路系统包括用于三轴力传感器输出电压信号的提取、放大、滤波、模数转换、温度补偿、电源和数字接口功能模块。
3.如权利要求2所述单芯片集成三轴力传感器，其特征在于，支撑框架用于支撑应变体，由硅衬底材料直接制备，通过选择性刻蚀或腐蚀去除硅衬底材料形成中空结构，或保留部分衬底材料的空腔结构，支撑框架为内外壁为带有通孔或空腔的方形、圆形或多边形，厚度一般与衬底材料厚度一致。
4.如权利要求2所述单芯片集成三轴力传感器，其特征在于，应变体由支撑框架支撑；通过从背面选择性刻蚀或腐蚀去除部分衬底材料形成应变体结构，根据测量灵敏度和量程确定剩余衬底厚度；所述应变体采用膜片式、双支梁、悬臂梁、十字梁或米字梁结构，对于膜片式应变体，结构背面的衬底材料被部分刻蚀或腐蚀掉，得到悬浮的膜片结构，对于梁式应变体，在部分刻蚀或腐蚀掉背面衬底材料基础上，需要在应变体正面根据梁的具体结构刻蚀或腐蚀介质层以及硅衬底材料至整个结构穿通，得到镂空的悬浮梁结构。
5.如权利要求2所述单芯片集成三轴力传感器，其特征在于，受力体为方形、圆形或多边形，位于三轴力传感器应变体的中心位置处，凹进或凸起于应变体，或与应变体在一个平面内，或贯穿于应变体；受力体采用在制备集成三轴力传感器过程中同时制备完成，或采用...
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