CN114323395A - 一种基于soi工艺的mems六轴力传感器芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于SOI工艺的MEMS六轴力传感器芯片及其制备方法，芯片由SOI器件层和玻璃器件层键合组成；SOI器件层包括顶层硅结构、埋氧层结构和衬底层硅结构；顶层硅结构包括第一中心质量块，第一中心质量块通过蟹腿型梁和顶层边框连接，顶层边框和中心质量块之间设有梳齿电容；埋氧层结构包括释放区和非释放区；衬底层硅结构包括第二中心质量块，第二中心质量块通过T型梁和衬底层边框连接，第二中心质量块中部设有安装腔体，外部的载荷传递立柱安装于安装腔体当中，将力/力矩传递到第二中心质量块；本发明实现六轴力的解耦检测，易于电路集成；以SOI晶圆和玻璃圆片为基础，结合光刻、浅刻蚀等工艺实现芯片的制备，工艺简单，易于批量制造。

Description

一种基于SOI工艺的MEMS六轴力传感器芯片及其制备方法

技术领域

本发明属于微纳传感器技术领域，具体涉及一种基于SOI工艺的MEMS六轴力传感器芯片及其制备方法。

背景技术

微纳传感器依据压阻效应、静电效应和压电效应等微观机理，搭配外围的调理电路工作，其结构的特征尺寸通常在微米甚至纳米量级，传统的机械加工方法难以满足，通常采用精密机械加工、高能束加工、硅微加工和LIGA技术等先进制造技术，微纳传感器具有体积小、重量轻、功耗低、批量化程度高和易于集成等优点，广泛应用于压力、力、加速度和流量等参量的检测。

多轴力传感器可以同时实现对特定方向的力/力矩的检测，其核心关键技术在于弹性体结构的设计以及多轴力信号之间的解耦。目前关于三轴力传感器的研究和应用较多，而对能够实现对任意方向力/力矩检测的六轴力传感器研究较少；同时，应用在空间机器人关节处和一些大型试验平台当中的多轴力传感器较多，而关于微型化小量程的六轴力传感器研究和应用更少。

现有的微型化小量程六轴力传感器大部分是基于传统机械加工方法，主要是通过在Y型梁、T型梁或Stewart平台等弹性体结构上合理布置金属应变计或压敏电阻的原理工作，但不能批量化生产，微型化程度不高，且成本较高；基于 MEMS工艺的六轴力传感器，能满足微型化、批量化的要求，但压阻式的受温度影响较大，且工艺流程较复杂，压电式的易受外界电磁干扰，且难以实现对静态力的检测，电容式的需要搭配较复杂的信号检测电路。

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SOI工艺的MEMS六轴力传感器芯片及其制备方法，利用MEMS中硅微机械加工微型化、批量化的特点，采用静电效应的工作原理，通过载荷传递结构、中心质量块和电容结构，将待测力/力矩转化为电容数值的变化，最终通过工作方程实现力/力矩的测量和解耦；以SOI晶圆和玻璃圆片为基础，结合光刻、浅刻蚀、深刻蚀、释放和键合等标准的MEMS体硅工艺，即可实现芯片结构的制备，工艺简单，易于批量制造；在实现多轴力解耦的同时，可以通过商用的差动脉宽调制电路直接输出信号，简化了调理电路的复杂性。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种基于SOI工艺的MEMS六轴力传感器芯片，由上层的SOI器件层1和下层的玻璃器件层2组成，两层通过硅-玻阳极键合为一体；

所述的SOI器件层1包括顶层硅结构11、埋氧层结构12和衬底层硅结构13；

所述的顶层硅结构11包括第一中心质量块114，第一中心质量块114通过蟹腿型梁112和顶层边框连接，顶层边框和中心质量块114之间设有梳齿电容111，顶层边框上设有释放孔113，蟹腿型梁112和顶层边框连接处设有腔体115；

所述的梳齿电容111由梳齿和电极组成，梳齿由运动极板和固定极板两部分组成，电极由运动电极和固定电极两部分组成；所述的第一中心质量块114是八个运动极板公共的运动电极，八个固定电极与对应的固定极板连接；所述的蟹腿型梁112一端与第一中心质量块114连接，另一端与四个角落的固定电极连接，蟹腿型梁112将第一中心质量块114的电信号引出；所述的释放孔113为开设在固定电极上呈阵列布置的圆形通孔，其底部的埋氧层与湿法腐蚀溶液直接接触；所述的腔体115使得顶层硅结构11的第一中心质量块114和蟹腿型梁112与玻璃衬底结构13保持Δh的间距，以形成电容结构。

所述的埋氧层结构12具体包括释放区121和非释放区122，释放区121为第一中心质量块114、蟹腿型梁112、固定电极和载荷传递结构之间区域，释放区 121解除了顶层硅结构11和衬底层硅结构13之间的约束，为载荷传递结构和梳齿结构提供运动的空间。

所述的衬底层硅结构13包括T型梁131、第二中心质量块132和安装腔体 133，第二中心质量块132通过T型梁131和衬底层边框连接，第二中心质量块 132中部设有安装腔体133；

所述的T型梁131一端与第二中心质量块132连接，另外两端固支，四个T 型梁131呈中心对称布置，对第二中心质量块132起到支撑作用；所述的第二中心质量块132横截面为正方形，中间开设有圆柱形的安装腔体133，传感器芯片工作时，将外部的载荷传递立柱安装于安装腔体133当中，将力/力矩传递到第二中心质量块132，使其产生一定的位移模式，导致梳齿电容和平板电容的变化，从而实现六轴力的检测。

所述的玻璃器件层2包括玻璃衬底21和其上设有的金属层结构22。

所述的玻璃衬底21选取热膨胀系数与硅相当的BF33玻璃，作为金属层结构 22的沉积基底和传感器芯片的安装基底，同时与SOI进行键合。

所述的金属层结构22由Cr/Au两层金属材料组成，包括电极221、电极焊盘 222、引线223和金丝焊盘224，电极221通过引线223和金丝焊盘224连接，电极焊盘222通过引线223和金丝焊盘224连接；

所述的电极221作为平板电容的一部分，与顶层硅结构11的第一中心质量块114组成平板电容，用于检测第一中心质量块114在面外的平动/转动即面外的力/力矩；所述的电极焊盘222在SOI晶圆和玻璃圆片的阳极键合过程中，与顶层硅结构11的固定电极贴合，两者之间形成电气连接，将固定电极中的电信号引至电极焊盘222；所述的引线223将电极221和电极焊盘222中的电信号引出至金丝焊盘224；所述的金丝焊盘224布置在传感器芯片的四周，通过金丝球焊的技术与外部调理电路的焊盘连接，将电信号引出至调理电路。

一种基于SOI工艺的MEMS六轴力传感器芯片的制备方法，具体步骤如下：

步骤1：选取顶层硅、埋氧层和衬底层硅的双面抛光SOI晶圆；

步骤2：在顶层硅表面进行第一次光刻，并以光刻胶作为掩膜，对顶层硅进行干法刻蚀，获得第一对准标记；

步骤3：在顶层硅表面沉积一层SiO₂材料；

步骤4：在顶层硅表面进行第二次光刻，并以光刻胶作为掩膜，对SiO₂进行干法刻蚀并刻穿，获得图形化的SiO₂掩膜；

步骤5：在顶层硅表面进行第三次光刻，并以光刻胶为掩膜，对SiO₂进行第二次干法刻蚀并刻穿，同时保留光刻胶，获得由SiO₂和光刻胶组成的双层掩膜；

步骤6：以步骤5中的双层掩膜作为掩蔽，对顶层硅进行深反应离子刻蚀并刻穿，获得顶层硅的梳齿电容111、蟹腿型梁112和第一中心质量块114的结构；

步骤7：去除光刻胶掩膜，保留SiO₂掩膜；

步骤8：以步骤7中保留的SiO₂掩膜作为掩蔽，对顶层硅进行干法刻蚀，并控制刻蚀深度，获得顶层硅的腔体结构115；

步骤9：湿法腐蚀去除埋氧层释放区的埋氧材料，释放顶层硅的梳齿电容111 和蟹腿型梁112结构，同时去除表面的SiO₂掩膜；

步骤10：选取双面抛光BF33玻璃圆片，并清洗、烘干；

步骤11：在玻璃圆片表面进行第一次光刻，并以光刻胶为掩膜，对玻璃圆片进行干法刻蚀，获得第二对准标记和划片标记；

步骤12：在玻璃圆片表面进行第二次光刻，并保留显影后的光刻胶；

步骤13：在步骤12中具有图形化光刻胶的玻璃圆片表面溅射Cr/Au两层金属材料；

步骤14：采用剥离工艺，溶解掉玻璃圆片表面的光刻胶，光刻胶表面的金属层脱落下来，玻璃圆片表面的金属层得以保留，获得图形化的金属层结构；

步骤15：通过硅-玻阳极键合方法，将顶层硅和玻璃圆片键合为一整体；

步骤16：在衬底硅表面进行光刻，并以光刻胶为掩膜，对衬底硅进行深反应离子刻蚀并刻穿，获得T型梁131、第二中心质量块132和安装腔体133等衬底层硅结构13；

步骤17：以步骤11制备的划片标记为对准，对加工完成后的晶圆进行划片，分离得到单个传感器芯片，完成芯片的制备。

传感器芯片工作时，首先待测力/力矩作用在载荷传递立柱顶端，进一步传递到传感器芯片第二中心质量块132中心，然后T型梁131产生受力变形使第二中心质量块132的空间位置发生变化，与此同时，传感器芯片内部的八个梳齿电容 111和四个平板电容数值发生变化，最后通过调理电路和工作方程中关于电容计算公式输出结果，即实现待测力/力矩的检测。

一种基于SOI工艺的MEMS六轴力传感器芯片，其工作原理涉及六个关于电容的工作方程(1)～(6)，六个工作方程分别输出对应的力/力矩信息，能够消除多轴力之间的交叉轴灵敏度并抑制串扰误差，实现力/力矩的解耦；通过商用的差动脉宽调制电路输出工作方程中的电容代数式子项，具体的，需要使用六个差动脉宽调制电路，并分别将对应的两个电容接入电路当中，分别输出电容代数式子项

的值，然后通过后端数据处理对差动脉宽调制电路的六个输出值进行加或减运算，即可根据工作方程(1) ～(6)的计算结果输出得到待测力/力矩信息。

U(F_z)＝C₉+C₁₀+C₁₁+C₁₂-4·C_ref (4)

公式中：C₁～C₈为八个梳齿电容111的电容值，围绕第一中心质量块114呈镜像对称和中心对称布置；C₉～C₁₂为四个平板电容的电容值，围绕玻璃衬底中心点呈中心对称布置。

本发明的有益效果为：本发明采用基于SOI的MEMS体硅制备工艺，工序简单，能极大地缩短传感器芯片的制备周期并降低加工成本，具有批量化生产、成本低的优点；采用的工作方程能够很好地实现多轴力之间的解耦、抑制交叉轴灵敏度和串扰误差，同时还可以通过商用的差动脉宽调制电路检测并输出信号，极大地简化了后端调理电路的复杂性，易于电路集成。

附图说明

图1为本发明传感器芯片的立体结构示意图。

图2(a)为顶层硅结构的平面示意图；图2(b)为埋氧层结构的平面示意图；图2(c)为衬底层硅结构的平面示意图。

图3为腔体结构和梳齿结构的局部放大示意图。

图4(a)为玻璃器件层的剖面结构示意图；图4(b)为玻璃器件层的平面结构示意图。

图5为传感器芯片制备的工艺流程图。

图6为传感器芯片的电路连接示意图。

图7(a)为力F_x的检测原理图；图7(b)为力矩M_z的检测原理图；图7(c) 力F_z的检测原理图；图7(d)为力矩M_y的检测原理图。

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1，一种基于SOI工艺的MEMS六轴力传感器芯片，由上层的SOI 器件层1和下层的玻璃器件层2组成，两层通过硅-玻阳极键合为一体。

参照图2，所述的SOI器件层1包括顶层硅结构11、埋氧层结构12和衬底层硅结构13。

参照图2、图3，所述的顶层硅结构11包括第一中心质量块114，第一中心质量块114通过蟹腿型梁112和顶层边框连接，顶层边框和中心质量块114之间设有梳齿电容111，顶层边框上设有释放孔113，蟹腿型梁112和顶层边框连接处设有腔体115；

所述的梳齿电容111由梳齿和电极组成，是传感器芯片的核心结构以及面内力/力矩检测的敏感结构，梳齿由运动极板和固定极板两部分组成，其尺寸参数包括单个梳齿的长度l、宽度w、高度h、主间距d1、反向间距d2、重合长度l1和阵列数量N，决定了传感器芯片的灵敏度、分辨率和线性度等性能指标以及加工的难易程度，电极由运动电极和固定电极两部分组成；所述的第一中心质量块114 是八个运动极板公共的运动电极，八个固定电极与对应的固定极板连接，电极与电极之间存在沟道结构以实现电气隔离；所述的蟹腿型梁112一端与第一中心质量块114连接，另一端与四个角落的固定电极连接，蟹腿型梁112在任意方向上的刚度都非常小，对第一中心质量块114的运动约束可以忽略不计，主要起到导电作用，将第一中心质量块114的电信号引出；所述的释放孔113为开设在固定电极上的圆形阵列通孔，其底部的埋氧层与湿法腐蚀溶液直接接触，从而加快释放速度，在进行湿法腐蚀释放顶层硅结构11和衬底层硅结构13时，部分湿法腐蚀溶液可以通过释放孔113与埋氧层结构12接触，从而保证固定电极下方的埋氧材料能够腐蚀完全，电极和载荷传递结构之间能够完全释放；所述的腔体115 将第一中心质量块114和蟹腿型梁112所在的非键合区域向下浅刻蚀深度Δh得到，使得顶层硅结构11的第一中心质量块114和蟹腿型梁112与玻璃衬底结构13保持Δh的间距，以形成电容结构，同时避免运动的干涉。

参照图2(b)，所述的埋氧层结构12具体包括释放区121和非释放区122，释放区121为第一中心质量块114、蟹腿型梁112、固定电极和载荷传递结构之间区域，通过湿法腐蚀方法去除原有的埋氧材料而形成，释放区121解除了顶层硅结构11和衬底层硅结构13之间的约束，为载荷传递结构和梳齿结构提供运动的空间。

参照图2(c)，所述的衬底层硅结构13包括T型梁131、第二中心质量块132 和安装腔体133，第二中心质量块132通过T型梁131和衬底层边框连接，第二中心质量块132中部设有安装腔体133；

所述的T型梁131尺寸参数包括弹性支撑梁的长度l1、宽度b1和高度h1以及十字梁的长度l2、宽度b2和高度h2，一端与第二中心质量块132连接，另外两端固支，四个T型梁131呈中心对称布置，对第二中心质量块132起到支撑作用，当力/力矩作用于第二中心质量块132上时，T型梁131产生受力变形，其尺寸决定了第二中心质量块132运动的刚度，进一步决定了传感器的满量程；所述的第二中心质量块132横截面为正方形，中间开设有圆柱形的安装腔体133，传感器芯片工作时，将外部的载荷传递立柱安装于安装腔体133当中，将力/力矩传递到第二中心质量块132，使其产生一定的位移模式，导致梳齿电容和平板电容的变化，从而实现六轴力的检测。

参照图4，所述的玻璃器件层2包括玻璃衬底21和其上设有的金属层结构 22。

所述的玻璃衬底21选取热膨胀系数与硅相当的BF33玻璃，除加工过程中刻蚀有对准标记外，其表面不制备任何结构且要求具有较高的表面平整度，主要作为金属层结构22的沉积基底和传感器芯片的安装基底，同时与SOI晶圆进行键合。

所述的金属层结构22由Cr/Au两层金属材料构成，包括电极221、电极焊盘 222、引线223和金丝焊盘224，电极221通过引线223和金丝焊盘224连接，电极焊盘222通过引线223和金丝焊盘224连接；

所述的电极221作为平板电容的一部分，与顶层硅结构11的第一中心质量块114组成平板电容，为传感器芯片的核心敏感元件，用于检测第一中心质量块 114在面外的平动/转动即面外的力/力矩；所述的电极焊盘222在SOI晶圆和玻璃圆片的阳极键合过程中，与顶层硅结构11的固定电极贴合，两者之间形成可靠的电气连接，将固定电极中的电信号引至电极焊盘222；所述的引线223将电极221和电极焊盘222中的电信号引出至金丝焊盘224；所述的金丝焊盘224布置在传感器芯片的四周，通过金丝球焊等技术与外部调理电路的焊盘连接，将电信号引出至调理电路。

所述的SOI器件层1和玻璃器件层2通过硅-玻阳极键合技术键合为一个整体，构成完整的传感器芯片结构。SOI的器件层1实现载荷的传递功能和面内力 /力矩的检测，玻璃器件层2与顶层硅结构11的第一中心质量块114组成平板电容实现面外力/力矩的检测，同时其上的焊盘实现电信号的引出。

参照图5，一种基于SOI工艺的MEMS六轴力传感器芯片的制备方法，基于 MEMS硅微加工技术中的体硅工艺，包括SOI晶圆加工工艺、金属剥离工艺和硅 -玻阳极键合工艺；所述的SOI晶圆加工工艺涉及顶层硅结构11的干法刻蚀、埋氧层结构12的湿法腐蚀和衬底层硅结构13的干法刻蚀，芯片的制备一共需要进行6次光刻图形化，使用到六张光刻板，光刻板清单如下表所示：

一种基于SOI工艺的MEMS六轴力传感器芯片的具体制备工艺步骤如下：

步骤1：选取顶层硅11、埋氧层12和衬底层硅13厚度分别为100μm、10μm 和500μm，顶层硅和衬底层硅电阻率分别为0.002～0.004Ω·cm和10000Ω·cm的4 寸双面抛光SOI晶圆，并清洗、烘干；

步骤2：使用第一张光刻板M1，在顶层硅表面进行第一次光刻，并以光刻胶作为掩膜，对顶层硅进行干法刻蚀，控制刻蚀深度为5μm，获得第一对准标记 31，用于后续的光刻对准、双面光刻对准和硅-玻键合对准；

步骤3：采用化学气相沉积，在顶层硅表面沉积一层厚度为300nm的SiO₂材料32；

步骤4：使用第二张光刻板M2，在顶层硅表面进行第二次光刻，并以光刻胶作为掩膜，对SiO₂进行干法刻蚀并刻穿SiO₂，获得图形化的SiO₂掩膜；

步骤5：使用第三张光刻板M3，在顶层硅表面进行第三次光刻，并以光刻胶为掩膜，对SiO₂进行第二次干法刻蚀并刻穿，同时保留光刻胶33，获得由SiO₂和光刻胶组成的双层掩膜，用于后续的两次干法刻蚀；

步骤6：以步骤5中的双层掩膜作为掩蔽，对顶层硅进行深反应离子刻蚀并刻穿，获得顶层硅的梳齿电容111、蟹腿型梁112和第一中心质量块114等结构，刻蚀过程中以埋氧层作为刻蚀的自停止阻挡层；

步骤7：采用等离子去胶机去除光刻胶掩膜，保留SiO₂掩膜，并清洗、烘干；

步骤8：以步骤7中保留的SiO₂掩膜作为掩蔽，对顶层硅进行干法刻蚀，并控制刻蚀深度为10μm，获得顶层硅的腔体结构115；

步骤9：将顶层硅置于BOE溶液中，去除埋氧层释放区的埋氧材料，释放顶层硅的梳齿电容111和蟹腿型梁112结构，同时去除表面的SiO₂掩膜；

步骤10：选取厚度为500μm的4寸双面抛光BF33玻璃圆片34，并清洗、烘干；

步骤11：使用第四张光刻板M4，在玻璃圆片表面进行第一次光刻，并以光刻胶为掩膜，对玻璃圆片进行干法刻蚀，刻蚀深度为5μm，获得第二对准标记和划片标记35，用于后续的金属层剥离、硅-玻键合和划片；

步骤12：使用第五张光刻板M5，在玻璃圆片表面进行第二次光刻，并保留显影后的光刻胶36，用于后续的金属层沉积；

步骤13：采用磁控溅射方法，在步骤12中具有图形化光刻胶的玻璃圆片表面溅射Cr/Au两层金属材料37；

步骤14：采用剥离工艺，将玻璃圆片置于丙酮溶液中，溶解掉表面的光刻胶，光刻胶表面的金属层脱落下来，玻璃圆片表面的金属层得以保留，获得图形化的金属层结构38；

步骤15：通过硅-玻阳极键合方法，在450℃下，将顶层硅和玻璃圆片键合为一整体；

步骤16：使用第六张光刻板M6，在衬底硅表面进行光刻，并以光刻胶为掩膜，对衬底硅进行深反应离子刻蚀并刻穿，获得T型梁131、第二中心质量块132 和安装腔体133等衬底层硅结构13；

步骤17：以步骤11制备的划片标记为对准，对加工完成后的晶圆进行划片，分离得到单个传感器芯片，完成芯片的制备。

参照图6，传感器芯片安装时，首先将载荷传递立柱固定在安装腔体133当中并用胶水粘接，然后将传感器芯片固定在事先制备好的PCB板上，并用金属球焊机在芯片和PCB的焊盘之间打上金丝引线，最后将PCB上的接线端接入差动脉宽调制电路的输入端口I1～I12当中，并将电路输出端O1～O6的信号接入计算机中进行数据处理和运算；传感器芯片工作时，首先待测力/力矩作用在载荷传递立柱顶端，进一步传递到传感器芯片第二中心质量块132中心，然后T型梁 131产生受力变形使第二中心质量块132的空间位置发生变化，与此同时，传感器芯片内部的八个梳齿电容111和四个平板电容数值发生变化，最后通过调理电路和计算机输出工作方程中关于电容计算公式的结果，即实现待测力/力矩的检测。

一种基于SOI工艺的MEMS六轴力传感器芯片，其工作原理涉及六个关于电容的工作方程(1)～(6)，六个工作方程分别输出对应的力/力矩信息，能够消除多轴力之间的交叉轴灵敏度并抑制串扰误差，实现力/力矩的解耦；通过商用的差动脉宽调制电路输出工作方程中的电容代数式子项，具体的，需要使用六个差动脉宽调制电路，并分别将对应的两个电容接入电路当中，分别输出电容代数式子项

的值，然后通过后端数据处理对差动脉宽调制电路的六个输出值进行加或减运算，即实现对工作方程(1) ～(6)计算结果的输出，得到待测力/力矩信息；

U(F_z)＝C₉+C₁₀+C₁₁+C₁₂-4·C_ref (4)

公式中：C₁～C₈为八个梳齿电容111的电容值，围绕第一中心质量块114呈镜像对称和中心对称布置，具体位置参照图2(a)和图7；C₉～C₁₂为四个平板电容的电容值，围绕玻璃衬底中心点呈中心对称布置，具体位置参照图4(b)和图 7。

参照图7，水平面内的力/力矩利用八个梳齿电容C₁～C₈来检测，用差动脉宽调制电路1输出

的信号、差动脉宽调制电路2输出

的信号、差动脉宽调制电路3输出

的信号、差动脉宽调制电路4输出

的信号；竖直面内的力/力矩利用四个平板电容C₁～C₄来检测，用差动脉宽调制电路5输出

的信号、差动脉宽调制电路6输出

的信号。

图7(a)为力F_x作用下，T型梁131的变形示意图和梳齿电容极板的位置变化示意图，梳齿电容C₁、C₃的值增大，C₂、C₄的值减小，通过计算机将差动脉宽调制电路1和差动脉宽调制电路2的输出信号相加，得到公式

的值，实现力F_x的检测。

力F_y的检测原理与F_x的检测类似，通过计算机将差动脉宽调制电路3和差动脉宽调制电路4的输出信号相加，得到公式

的值。

图7(b)为力矩M_z作用下，T型梁131的变形示意图和梳齿电容极板的位置变化示意图，梳齿电容C₁、C₄、C₅、C₈的值增大，C₂、C₃、C₆、C₇的值减小，通过计算机将差动脉宽调制电路1和差动脉宽调制电路3的输出信号相加，同时减去差动脉宽调制电路2和差动脉宽调制电路4的输出信号，得到公式

的值，实现力矩M_z的检测。

图7(c)为力F_z作用下，T型梁131的变形示意图和梳齿电容极板的位置变化示意图，平板电容C₉、C₁₀、C₁₁、C₁₂的值均增大，通过调理电路输出 C₉+C₁₀+C₁₁+C₁₂-4·C_ref的值，实现力F_z的测量。

图7(d)为力矩M_y作用下，T型梁131的变形示意图和梳齿电容极板的位置变化示意图，平板电容C₉、C₁₁的值减小，平板电容C₁₀、C₁₂的值增大，通过计算机将差动脉宽调制电路5和差动脉宽调制电路6的输出相加，得到公式

的值，实现力矩M_y的检测。

力矩M_x的检测原理与M_y的检测类似，通过计算机将差动脉宽调制电路5和差动脉宽调制电路6的输出信号相减，得到公式

的值。

Claims (8)

1.一种基于SOI工艺的MEMS六轴力传感器芯片，其特征在于：由上层的SOI器件层(1)和下层的玻璃器件层(2)组成，两层通过硅-玻阳极键合为一体；

所述的SOI器件层(1)包括顶层硅结构(11)、埋氧层结构(12)和衬底层硅结构(13)；

所述的顶层硅结构(11)包括第一中心质量块(114)，第一中心质量块(114)通过蟹腿型梁(112)和顶层边框连接，顶层边框和中心质量块(114)之间设有梳齿电容(111)，顶层边框上设有释放孔(113)，蟹腿型梁(112)和顶层边框连接处设有腔体(115)；

所述的埋氧层结构(12)具体包括释放区(121)和非释放区(122)，释放区(121)为第一中心质量块(114)、蟹腿型梁(112)、固定电极和载荷传递结构之间区域，释放区(121)解除了顶层硅结构(11)和衬底层硅结构(13)之间的约束，为载荷传递结构和梳齿结构提供运动的空间；

所述的衬底层硅结构(13)包括T型梁(131)、第二中心质量块(132)和安装腔体(133)，第二中心质量块(132)通过T型梁(131)和衬底层边框连接，第二中心质量块(132)中部设有安装腔体(133)。

2.根据权利要求1所述的一种基于SOI工艺的MEMS六轴力传感器芯片，其特征在于：所述的梳齿电容(111)由梳齿和电极组成，梳齿由运动极板和固定极板两部分组成，电极由运动电极和固定电极两部分组成；所述的第一中心质量块(114)是八个运动极板公共的运动电极，八个固定电极与对应的固定极板连接；所述的蟹腿型梁(112)一端与第一中心质量块(114)连接，另一端与四个角落的固定电极连接，蟹腿型梁(112)将第一中心质量块(114)的电信号引出；所述的释放孔(113)为开设在固定电极上的圆形阵列通孔，其底部的埋氧层与湿法腐蚀溶液直接接触；所述的腔体(115)使得顶层硅结构(11)的第一中心质量块(114)和蟹腿型梁(112)与玻璃衬底结构(13)保持Δh的间距，以形成电容结构。

3.根据权利要求1所述的一种基于SOI工艺的MEMS六轴力传感器芯片，其特征在于：所述的T型梁(131)一端与第二中心质量块(132)连接，另外两端固支，四个T型梁(131)呈中心对称布置，对第二中心质量块(132)起到支撑作用；所述的第二中心质量块(132)横截面为正方形，中间开设有圆柱形的安装腔体(133)，传感器芯片工作时，将外部的载荷传递立柱安装于安装腔体(133)当中，将力/力矩传递到第二中心质量块(132)，使其产生一定的位移模式，导致梳齿电容和平板电容的变化，从而实现六轴力的检测。

4.根据权利要求1所述的一种基于SOI工艺的MEMS六轴力传感器芯片，其特征在于：所述的玻璃器件层(2)包括玻璃衬底(21)和其上设有的金属层结构(22)；

所述的玻璃衬底(21)选取热膨胀系数与硅相当的BF33玻璃，作为金属层结构(22)的沉积基底和传感器芯片的安装基底，同时与SOI晶圆进行键合；

所述的金属层结构(22)由Cr/Au两层金属材料构成，包括电极(221)、电极焊盘(222)、引线(223)和金丝焊盘(224)，电极(221)通过引线(223)和金丝焊盘(224)连接，电极焊盘(222)通过引线(223)和金丝焊盘(224)连接。

5.根据权利要求4所述的一种基于SOI工艺的MEMS六轴力传感器芯片，其特征在于：所述的电极(221)作为平板电容的一部分，与顶层硅结构(11)的第一中心质量块(114)组成平板电容，用于检测第一中心质量块(114)在面外的平动/转动即面外的力/力矩；所述的电极焊盘(222)在SOI晶圆和玻璃圆片的阳极键合过程中，与顶层硅结构(11)的固定电极贴合，两者之间形成电气连接，将固定电极中的电信号引至电极焊盘(222)；所述的引线(223)将电极(221)和电极焊盘(222)中的电信号引出至金丝焊盘(224)；所述的金丝焊盘(224)布置在传感器芯片的四周，通过金丝球焊的技术与外部调理电路的焊盘连接，将电信号引出至调理电路。

6.权利要求4所述的一种基于SOI工艺的MEMS六轴力传感器芯片的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1：选取具有一定厚度顶层硅、埋氧层和衬底层硅的双面抛光SOI晶圆；

步骤2：在顶层硅表面进行第一次光刻，并以光刻胶作为掩膜，对顶层硅进行干法刻蚀，获得第一对准标记；

步骤3：在顶层硅表面沉积一层SiO₂材料；

步骤4：在顶层硅表面进行第二次光刻，并以光刻胶作为掩膜，对SiO₂进行干法刻蚀并刻穿，获得图形化的SiO₂掩膜；

步骤5：在顶层硅表面进行第三次光刻，并以光刻胶为掩膜，对SiO₂进行第二次干法刻蚀并刻穿，同时保留光刻胶，获得由SiO₂和光刻胶组成的双层掩膜；

步骤6：以步骤5中的双层掩膜作为掩蔽，对顶层硅进行深反应离子刻蚀并刻穿，获得顶层硅的梳齿电容(111)、蟹腿型梁(112)和第一中心质量块(114)的结构；

步骤7：去除光刻胶掩膜，保留SiO₂掩膜；

步骤8：以步骤7中保留的SiO₂掩膜作为掩蔽，对顶层硅进行干法刻蚀，并控制刻蚀深度，获得顶层硅的腔体结构(115)；

步骤9：湿法腐蚀去除埋氧层释放区的埋氧材料，释放顶层硅的梳齿电容(111)和蟹腿型梁(112)结构，同时去除表面的SiO₂掩膜；

步骤10：选取双面抛光BF33玻璃圆片，并清洗、烘干；

步骤11：在玻璃圆片表面进行第一次光刻，并以光刻胶为掩膜，对玻璃圆片进行干法刻蚀，获得第二对准标记和划片标记；

步骤12：在玻璃圆片表面进行第二次光刻，并保留显影后的光刻胶；

步骤13：在步骤12中具有图形化光刻胶的玻璃圆片表面溅射Cr/Au两层金属材料；

步骤14：采用剥离工艺，溶解掉玻璃圆片表面的光刻胶，光刻胶表面的金属层脱落下来，玻璃圆片表面的金属层得以保留，获得图形化的金属层结构；

步骤15：通过硅-玻阳极键合方法，将顶层硅和玻璃圆片键合为一整体；

步骤16：在衬底硅表面进行光刻，并以光刻胶为掩膜，对衬底硅进行深反应离子刻蚀并刻穿，获得T型梁(131)、第二中心质量块(132)和安装腔体(133)的衬底层硅结构(13)；

步骤17：以步骤11制备的划片标记为对准，对加工完成后的晶圆进行划片，分离得到单个传感器芯片，完成芯片的制备。

7.根据权利要求4所述的一种基于SOI工艺的MEMS六轴力传感器芯片，其特征在于：传感器芯片工作时，首先待测力/力矩作用在载荷传递立柱顶端，进一步传递到传感器芯片第二中心质量块(132)中心，然后T型梁(131)产生受力变形使第二中心质量块(132)的空间位置发生变化，与此同时，传感器芯片内部的八个梳齿电容(111)和四个平板电容数值发生变化，最后通过调理电路和计算机输出工作方程中关于电容计算公式的结果，即实现待测力/力矩的检测。

8.根据权利要求7所述的一种基于SOI工艺的MEMS六轴力传感器芯片，其特征在于：其工作原理涉及六个关于电容的工作方程(1)～(6)，六个工作方程分别输出对应的力/力矩信息，能够消除多轴力之间的交叉轴灵敏度并抑制串扰误差，实现力/力矩的解耦；通过商用的差动脉宽调制电路输出工作方程中的电容代数式子项，具体的，需要使用六个差动脉宽调制电路，并分别将对应的两个电容接入电路当中，分别输出电容代数式子项

的值，然后通过后端数据处理对差动脉宽调制电路的六个输出值进行加或减运算，即实现对工作方程(1)～(6)计算结果的输出，得到待测力/力矩信息。

U(F_z)＝C₉+C₁₀+C₁₁+C₁₂-4·C_ref (4)

公式中：C₁～C₈为八个梳齿电容(111)的电容值，围绕第一中心质量块(114)呈镜像对称和中心对称布置；C₉～C₁₂为四个平板电容的电容值，围绕玻璃衬底中心点呈中心对称布置。

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