[发明专利]基于电容检测原理的MEMS六轴力传感器芯片及其制备方法

说明书

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。

技术领域

本发明属于微机电系统和传感器技术领域，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

微机电系统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。