本发明涉及电容式mems六维力传感器芯片，具体是一种结构解耦的电容式mems六维力传感器芯片及其制备工艺。
背景技术：
1、六维力传感器可实现空间内x、y、z三个方向力信号和mx、my、mz三个方向力矩信号的测量。目前，国内外六维力厂商所宣传生产的mems六维力传感器多是以mems技术生产的硅基应变片替代金属箔式应变片，整个传感器本体仍是体积较大的金属体，并不能使六维力传感器做到微型化，芯片化且不易批量化生产,成本较高。然而，完全基于mems工艺生产的六维力传感器可轻松实现六维力传感器的微型化，批量化生产。微型化的mems六维力传感器在航空航天、电子衡器、工业控制、机器人，医疗器械等领域，有着广泛的应用前景。例如，在机器人领域，它能够精确感知机器人手指的受力情况，实现精细的操作控制；在医疗器械领域，它可以安装在介入式手术器械及训练器械中，为医生培训及手术治疗提供科学的数据支持；在航空航天领域，它能够为微小型飞行器的姿态控制和结构监测提供关键的力学参数等。
2、基于mems工艺的六维力传感器按照工作原理进行分类，主要有压阻式和电容式两大类。mems压阻式传感器是在特定晶面上通过离子注入工艺制作压敏电阻，沉积金属膜工艺制作导线并将电阻以特定方式连接形成惠斯通电桥，当传感器受外部作用力或力矩时，电阻阻值发生变化，通过惠斯通电桥将压敏电阻处的应变信号转化为电信号实现力和力矩的测量。压阻式六维力传感器六轴力的解耦检测较简单,但对硅压阻制作工艺要求较高同时受温度影响较大。mems电容式传感器的工作原理是当传感器受外部作用力或力矩时，传感器上的电容极板会产生相对位移，引起电容极板之间距离或重叠面积发生变化，从而引起电容值的变化，实现力和力矩的测量。电容式mems六维力传感器具有具有结构简单，工艺易于实现，动态响应好，温度性能好等优点。目前,国内外基于mems工艺的电容式六维力传感器,较少能够实现牛顿或数十牛顿量级力的检测且多数存在轴间串扰大的问题。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种结构解耦的电容式mems六维力传感器芯片及其制备工艺，以解决现有技术中的问题。
2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种结构解耦的电容式mems六维力传感器芯片，包括顶部极板、第一外框和底部极板，所述第一外框位于顶部极板的外侧；
3、所述顶部极板包括上电极和硅柱，所述硅柱分布在上电极的中部；
4、所述底部极板包括基体、下电极、锚点和焊盘，所述锚点分布在下电极的中部，且锚点的位置与硅柱的位置相对应。
5、优选的，所述上电极包括三角形平板上电极、矩形平板上电极和梳齿型平板上电极组，所述硅柱均匀分布在三角形平板上电极处。
6、优选的，所述下电极包括三角形平板下电极、梳齿型平板下电极组和矩形平板下电极，所述锚点均匀分布在三角形平板下电极处。
7、优选的，所述矩形平板上电极与矩形平板下电极有三分之二的面积重叠，所述梳齿型平板上电极组和梳齿型平板下电极组有三分之二的面积重叠。
8、优选的，所述三角形平板上电极的面积略小于三角形平板下电极的面积。
9、优选的，四个所述矩形平板上电极分别位于四侧的两个梳齿型平板上电极组之间，四个所述矩形平板下电极分别位于四侧的两个梳齿型平板下电极组之间。
10、一种结构解耦的电容式mems六维力传感器芯片的制备工艺，包括底部极板制备工艺、顶部硅极板制备工艺、金金键合及划片工艺。
11、优选的，所述底部极板制备工艺具体包括以下步骤：
12、s11、选取一片n型(1 0 0)晶面的单晶硅晶圆，厚度为400μm；
13、s12、把硅晶圆放到热氧化炉中进行热氧化，在硅片表面形成一层大于200nm厚sio2薄膜；
14、s13、在热氧化后的硅片其中一面通过磁控溅射工艺镀上crau金属层，cr层厚度50nm，au层厚度300-500nm；
15、s14、在金属层上涂光刻胶做掩膜，通过通过干法刻蚀工艺，刻蚀金属层，制备出对准标记、焊盘、引线和下电极图形，并保留锚点键合区域金属层。
16、优选的，所述顶部硅极板制备工艺包括以下步骤：
17、s21、选取一片厚度为400um，电阻率＜0.005ω·cm的低阻值单晶硅晶圆；
18、s22、在硅晶圆上任选一面用光刻胶做掩膜，干法刻蚀出对准标记，此面称之为顶部极板正面；
19、s23、在顶部极板背面用光刻胶做掩膜，通过干法刻蚀硅工艺，刻蚀出深度4um的凹槽，只保留锚点键合区硅；
20、s24、在顶部极板背面用磁控溅射或蒸镀等工艺镀crau金属层；
21、s25、采用光刻胶做掩膜，通过干法刻蚀工艺刻蚀crau金属层，只保留上电极和锚点键合区金属；金属刻蚀区下方的硅也要刻蚀掉3-4um，制备出与下电极相对的整个上电极轮廓；
22、s26、以光刻胶做掩膜，通过深硅刻蚀工艺制备硅柱，需要精准控制刻蚀参数以便达到所需刻蚀深度，防止过刻过多。
23、优选的，所述金金键合及划片工艺具体包括以下步骤：
24、s31、底部极板和顶部极板制备完成后，在380℃温度下进行金金热压键合，利用s14和s22所述的对准标记进行对准,将底部极板和顶部极板键合为一个整体圆片；
25、s32、键合完成后，使用光刻胶作为掩膜，对顶部极板正面进行深硅刻蚀，并将其刻穿，完成上电极极板结构与外框的分离制备以及整个传感器芯片的制备；
26、s33、以s22制备的划片标记为对准标记,对键合后的整体晶圆进行划片，使传感器芯片在晶圆上分成若干个独立个体，并露出焊盘。
27、与现有技术相比，本发明的有益效果是：
28、1、该传感器芯片搭配调理电路通过时分复用技术可分别测量三个方向力fx、fy、fz和三个方向力矩mx、my、mz。该传感器包含上下两层极板，极板间共有16块平板电容，依据差分电容检测和平板变间隙式电容检测原理实现对六维力的测量；该传感器具有全维度物理结构解耦，小体积，灵敏度高，受温度影响小，易制造的优势，适用于机械手指尖，微型医疗机器人等安装及工作空间小，温度湿度急剧变化的恶劣工作环境中。
29、2、本发明解决了传统金属基六维力尺寸大，易受温度影响，不宜低成本、小型化和批量化生产的技术难题；本发明的mems六维力传感器是在硅基晶圆上采用光刻、刻蚀、镀膜、键合等mems工艺技术，制作成芯片化的六维力传感器，易于实现小型化批量化生产，下极板也可以在玻璃上制作，总体成本低。与压阻式传感器相比，mems电容式传感器的电容值与电极材料无关，受温度变化影响很小，因此mems电容式传感器具有良好的温度稳定性。
30、3、本发明解决了传统金属基六维力及mems六维力传感器结构设计中各维度串扰较大，尤其是mems六维力传感器mz力矩解耦困难或解算方法繁琐的技术难题；本发明的的结构设计在原理上实现了全维度结构解耦，六个检测通道只会检测到对应维度力引起的电容变化，基本不存在交叉轴灵敏度；本发明在mz力矩检测上采用4个平板电容，上下电极间不完全重合，把两两相对的两个下电极分为一组，分别施加正负激励，上下电极间就形成了一对差分电容，依据差分电容检测原理，在公共极板即质量块上通过电容调理电路就可检测到差分输出；本发明设计的mz检测结构，原理简单，无串扰，易于解算。
31、4、本发明解决了mems六维力传感器很难实现数十牛顿量级检测且灵敏度低的技术难题；mems六维力传感器较易实现微牛顿基测量，很难能够实现牛顿量级或数十牛顿量级力检测且灵敏度较低；本发明采用上下平行极板的结构形式，其基础电容大，采用差分电容和变间隙式电容检测原理，较小的力就可使其对应检测电容产生较大变化，可有效提高灵敏度。上电极质量块均布许多支撑硅柱，通过改变其直径和长度可以对传感器灵敏度和量程进行优化调节，可轻松设计出量程在数牛顿或数十牛顿量级的六维力传感器。
1.一种结构解耦的电容式mems六维力传感器芯片，其特征在于，包括顶部极板(1)、第一外框(2)和底部极板(3)，所述第一外框(2)位于顶部极板(1)的外侧；
2.根据权利要求1所述的一种结构解耦的电容式mems六维力传感器芯片，其特征在于，所述上电极(11)包括三角形平板上电极(111)、矩形平板上电极(112)和梳齿型平板上电极组(113)，所述硅柱(12)均匀分布在三角形平板上电极(111)处。
3.根据权利要求2所述的一种结构解耦的电容式mems六维力传感器芯片，其特征在于，所述下电极(32)包括三角形平板下电极(321)、梳齿型平板下电极组(322)和矩形平板下电极(323)，所述锚点(33)均匀分布在三角形平板下电极(321)处。
4.根据权利要求3所述的一种结构解耦的电容式mems六维力传感器芯片，其特征在于，所述矩形平板上电极(112)与矩形平板下电极(323)有三分之二的面积重叠，所述梳齿型平板上电极组(113)和梳齿型平板下电极组(322)有三分之二的面积重叠。
5.根据权利要求3所述的一种结构解耦的电容式mems六维力传感器芯片，其特征在于，所述三角形平板上电极(111)的面积略小于三角形平板下电极(321)的面积。
6.根据权利要求3所述的一种结构解耦的电容式mems六维力传感器芯片，其特征在于，四个所述矩形平板上电极(112)分别位于四侧的两个梳齿型平板上电极组(113)之间，四个所述矩形平板下电极(323)分别位于四侧的两个梳齿型平板下电极组(322)之间。
7.一种结构解耦的电容式mems六维力传感器芯片的制备工艺，其特征在于，包括底部极板制备工艺、顶部硅极板制备工艺、金金键合及划片工艺。
8.根据权利要求7所述的一种结构解耦的电容式mems六维力传感器芯片的制备工艺，其特征在于，所述底部极板制备工艺具体包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的一种结构解耦的电容式mems六维力传感器芯片的制备工艺，其特征在于，所述顶部硅极板制备工艺包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的一种结构解耦的电容式mems六维力传感器芯片的制备工艺，其特征在于，所述金金键合及划片工艺具体包括以下步骤：
