一种基于MEMS工艺的六维力传感器的制作方法

本发明涉及传感器，具体涉及一种基于mems工艺的六维力传感器。

背景技术：

1、六维力传感器可实现空间内x、y、z三个方向力信号的测量，同时也可以实现绕x、y、z三个方向的力矩测量，在各个领域应用非常广泛。目前的六轴力传感器主要应用在机器人的腕部和肩部，以及一些较大型的位移平台，体积和量程都较大，而应用于智能机器人手指尖端、微创手术和微型机器人等高精尖领域的微型化六轴力传感器研究较少。传统六维力传感器难以应用于量程小、体积小的场景。目前的六维力传感器主要应用在机器人的腕部和肩部，以及一些较大型的位移平台，体积和量程都较大，不适用于装配空间极小的场合，如机械手指尖端、微型机器人等应用场景。

2、六维力传感器的核心单元是弹性体，其结构设计影响着传感器的灵敏度、动态性能、维间耦合等关键性能参数，六维力传感器包含感应结构和数据处理结构两部分，工作原理基于应变效应，电阻式六维力传感器应用广泛，具有灵敏度高、测量范围大、可靠性高、技术成熟等优点。

3、现有的六维力传感器封装结构通常只适用于基于应变片贴装的传感方式，感受力的应变片分散贴装于传感器的各部位。传统的六维力传感器封装结构难以与力传感器芯片适配，而且不同的mems芯片需要不同的封装结构来实现感测功能。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于mems工艺的六维力传感器，将六维力传感器的所有敏感元件整合到一起，减小体积从而可以适配更小的装配空间；同时通过合理的封装结构从而使六维力传感器可以适配绝大部分的传感器芯片，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，其特征在于，包括力传感器芯片，所述力传感器芯片包括位于所述力传感器芯片中心位置的质量块，以及连接所述质量块与芯片外框的弹性梁；所述弹性梁上设置有力敏电阻；底部结构，设置在垂直于所述力传感器芯片表面的方向，用于容纳所述力传感器芯片；顶部结构，位于所述力传感器芯片一侧，通过中间结构连接所述力传感器芯片。

3、可选地，所述弹性梁为四条，连接到所述力传感器芯片各边上。

4、可选地，所述中间结构包括承力柱基座和承力柱，所述承力柱基座和所述承力柱一体成型或刚性连接。

5、可选地，所述承力柱基座与所述顶部结构刚性连接。

6、可选地，所述质量块中心位置上包括质量块通孔，所述承力柱穿过所述质量块通孔与所述力传感器芯片刚性连接。

7、可选地，所述底部结构包括芯片放置槽，所述芯片放置槽的尺寸略大于所述力传感器芯片的尺寸，所述芯片放置槽与所述力传感器芯片刚性连接。

8、可选地，所述顶部结构包括外部力传递结构、顶部梁结构和固定外框，所述外部力传递结构与所述固定外框通过所述顶部梁结构柔性连接。

9、可选地，所述外部力传递结构包括至少一个顶部连接孔，所述至少一个顶部连接孔与外部施力器件刚性连接。

10、可选地，在垂直于所述力传感器芯片表面的方向上，所述底部结构和所述顶部结构的所述固定外框包括对应设置的底部结构通孔和固定外框通孔。

11、可选地，所述底部结构和所述固定外框通过所述底部结构通孔和所述固定外框通孔刚性连接。

12、可选地，所述底部结构包括至少三个围绕所述质量块设置的底部连接孔，所述底部连接孔与外部施力器件刚性连接。

13、可选地，所述质量块与所述顶部结构通过承力柱刚性连接。

14、可选地，所述顶部结构包括顶部结构通孔，所述顶部结构通过所述顶部结构通孔与外部固定结构进行连接固定。

15、可选地，所述底部结构包括至少一个用于放置pcb的槽，所述pcb与所述力传感器芯片通过引线键合方式耦合。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果是：将顶部结构和力传感器芯片分开，通过中间结构连接，这样的设计可以将外部施力器件与力传感器芯片分隔开，便于将六维力传感器的所有敏感元件整合到一起；同时用承载结构容纳传感器芯片结构，可以适配绝大部分的传感器芯片，不需要再根据使用工况设计不同的传感器芯片封装结构。

技术特征：

1.一种基于mems工艺的六维力传感器，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的一种基于mems工艺的六维力传感器，其特征在于，所述弹性梁为四条，连接到所述力传感器芯片各边上。

3.根据权利要求1所述的一种基于mems工艺的六维力传感器，其特征在于，所述中间结构包括承力柱基座和承力柱，所述承力柱基座和所述承力柱一体成型或刚性连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于mems工艺的六维力传感器，其特征在于，所述承力柱基座与所述顶部结构刚性连接。

5.根据权利要求3所述的一种基于mems工艺的六维力传感器，其特征在于，所述质量块中心位置上包括质量块通孔，所述承力柱穿过所述质量块通孔与所述力传感器芯片刚性连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于mems工艺的六维力传感器，其特征在于，所述底部结构包括芯片放置槽，所述芯片放置槽的尺寸大于所述力传感器芯片的尺寸，所述芯片放置槽与所述力传感器芯片刚性连接。

7.根据权利要求1所述的一种基于mems工艺的六维力传感器，其特征在于，所述顶部结构包括外部力传递结构、顶部梁结构和固定外框，所述外部力传递结构与所述固定外框通过所述顶部梁结构柔性连接。

8.根据权利要求7所述的一种基于mems工艺的六维力传感器，其特征在于，所述外部力传递结构包括至少一个顶部连接孔，所述至少一个顶部连接孔与外部施力器件刚性连接。

9.根据权利要求7所述的一种基于mems工艺的六维力传感器，其特征在于，在垂直于所述力传感器芯片表面的方向上，所述底部结构和所述顶部结构的所述固定外框包括对应设置的底部结构通孔和固定外框通孔。

10.根据权利要求9所述的一种基于mems工艺的六维力传感器，其特征在于，所述底部结构和所述固定外框通过所述底部结构通孔和所述固定外框通孔刚性连接。

11.根据权利要求1所述的一种基于mems工艺的六维力传感器，其特征在于，所述底部结构包括至少三个围绕所述质量块设置的底部连接孔，所述底部连接孔与外部施力器件刚性连接。

12.根据权利要求11所述的一种基于mems工艺的六维力传感器，其特征在于，所述顶部结构包括顶部结构通孔，所述顶部结构通过所述顶部结构通孔与外部固定结构进行连接固定。

13.根据权利要求11所述的一种基于mems工艺的六维力传感器，其特征在于，所述底部结构与所述顶部结构通过承力柱刚性连接。

14.根据权利要求1所述的一种基于mems工艺的六维力传感器，其特征在于，所述底部结构包括至少一个用于放置pcb的槽，所述pcb与所述力传感器芯片通过引线键合方式耦合。

技术总结
本申请公开了一种基于MEMS工艺的六维力传感器，包括力传感器芯片，所述力传感器芯片包括位于所述力传感器芯片中心位置的质量块，以及连接所述质量块与芯片外框的弹性梁；所述弹性梁上设置有力敏电阻；底部结构，设置在垂直于所述力传感器芯片表面的方向，用于容纳所述力传感器芯片；顶部结构，位于所述力传感器芯片一侧，通过中间结构连接所述力传感器芯片。

技术研发人员：宫凯勋,李刚,吕萍
受保护的技术使用者：苏州敏芯微电子技术股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5