[0052] 下面结合实施例和附图对本发明做详细描述。
[0053] 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；
[0054] 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体位移模式，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Δdmax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。
[0055] 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。
[0056] 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；
[0057] 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。
[0058] 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。
[0059] 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。
[0060] 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。
[0061] 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：
[0062]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 SiO2掩膜第一次刻蚀 正 阴
M10 光刻胶掩膜和SiO2掩膜第二次刻蚀 正 阴
[0063] 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：
[0064] 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；
[0065] 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；
[0066] 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；
[0067] 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；
[0068] 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；
[0069] 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：
[0070] 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；
[0071] 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；
[0072] 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；
[0073] 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；
[0074] 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：
[0075] 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；
[0076] 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；
[0077] 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；
[0078] 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；
[0079] 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；
[0080] 步骤3.6：在低阻硅晶圆片正面旋涂光刻胶75；
[0081] 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；
[0082] 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；
[0083] 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；
[0084] 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；
[0085] 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；
[0086] 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；
[0087] 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。
[0088] 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。
[0089] 面内三轴力包括水平方向力Fx和Fy，以及水平面内的力矩Mz；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Fx、Fy和力矩Mz，可以抑制Fx、Fy和Mz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：
[0090] 水平方向力Fx的检测，待测力Fx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dx，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dx，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Fx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。
[0091] 因此，电容差分方程Ux＝C1+C3‑C2‑C4＝2ΔC1+2ΔC1′，与待测力Fx呈正相关，可用于水平力Fx的检测；电容差分方程Uy＝C5+C7‑C6‑C8＝0，即Fx对Fy输出信号的交叉轴灵敏度为0；电容差分方程UMz＝C1+C4+C5+C8‑C2‑C3‑C6‑C7＝0，即Fx对Mz输出信号的交叉轴灵敏度为0。
[0092] 水平方向力Fy的检测与水平方向力Fx的检测类似，电容差分方程Uy＝C5+C7‑C6‑C8的值与待测力Fy呈正相关，通过后端调理电路检测Uy即可实现对水平力Fy的检测；相应的，Fy对Fx输出信号Ux和Mz输出信号UMz的交叉轴灵敏度均为0。
[0093] 水平面内力矩Mz的检测，待测力矩Mz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θz，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θz，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Mz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′。
[0094] 因此，电容差分方程UMz＝C1+C4+C5+C8‑C2‑C3‑C6‑C7＝4ΔC2+4ΔC2′，与待测力矩Mz呈正相关，可用于水平面内力矩Mz的检测；电容差分方程Ux＝C1+C3‑C2‑C4＝0，即Mz对Fx输出信号的交叉轴灵敏度为0；电容差分方程Uy＝C5+C7‑C6‑C8＝0，即Mz对Fy输出信号的交叉轴灵敏度为0。
[0095] 面外三轴力具体包括竖直方向作用力Fz、竖直面内力矩Mx和My；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Fz、Mx和My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：
[0096] 竖直方向力Fz的检测，待测力Fz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dz，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Fz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。
[0097] 因此，电容差分方程Uz＝C9+C10+C11+C12‑4Cref＝4ΔC3，与待测力Fz呈正相关，可以用于竖直方向力Fz的检测；电容差分方程UMx＝C9+C10‑C11‑C12＝0，即Fz对Mx输出信号的交叉轴灵敏度为0；电容差分方程UMy＝C9+C11‑C10‑C12＝0，即Fz对My输出信号的交叉轴灵敏度为0。
[0098] 竖直面内力矩Mx的检测，待测力矩Mx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θx，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Mx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′。
[0099] 因此，电容差分方程UMx＝C9+C10‑C11‑C12＝2ΔC4+2ΔC4′，与待测力矩Mx呈正相关，可以用于竖直面内力矩Mx的检测；电容差分方程Uz＝C9+C10+C11+C12‑4Cref＝2ΔC4‑2ΔC4′≈0，即Mx对Fz输出信号的交叉轴灵敏度几乎为0；电容差分方程UMy＝C9+C11‑C10‑C12＝0，即Mx对My输出信号的交叉轴灵敏度为0。
[0100] 竖直面内力矩My的检测，与竖直面内力矩Mx的检测类似，电容差分方程UMy＝C9+C11‑C10‑C12的值与待测力矩My呈正相关，通过后端的调理电路检测UMy的值即可实现对力矩My的检测；相应的，My对Fz输出信号Uz和Mx输出信号UMx的交叉轴灵敏度均为0。
[0101] 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。
[0102] 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dx、dy、dz、θx、θy、θz，取决于待测力或力矩Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz的大小和T型梁12的平动或扭转刚度Kx、Ky、Kz、KMx、KMy、KMz的值。
[0103] 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：
[0104] 量程：0～2.5N、0～6N·mm；
[0105] 灵敏度：1280fF/N、206fF/N·mm；
[0106] 交叉轴灵敏度：＜1％。
