本发明属于微机电系统，具体涉及基于硅纳米线多维力传感器的自校准装置及其制备工艺。
背景技术：
1、微机电系统(mems)技术应用于压力和力的微小物理量的测量中，具有批量化生产、体积小、成本低等优点。现有的mems压阻式力传感器主要由隔膜、压阻探测器和信号调理电路组成，通过测量压阻材料的电阻变化来实现压力的检测。
2、典型的mems压阻式力传感器的隔膜材料为硅，压阻探测器材料为多晶硅薄膜。但存在准直度差、测量范围小、漂移大、机械疲劳寿命短的技术难题。为扩大测量范围并提高线性度，也有采用四周固定梁的正方形隔膜结构，但结构机械强度仍然有限，高压力下产生塑性变形的可能性大。
3、在目前的技术背景下，另外还存在如何在小型化设备中实现高灵敏度的力测量、如何提高传感器的稳定性和可靠性等问题，因此迫切需要设计一种更为先进、灵敏度高、稳定性高的自校准的微型压阻式力传感器来解决这些问题。
技术实现思路
1、本发明是为了克服现有技术中，传统的mems压阻式力传感器，存在准直度差、测量范围小、漂移大、机械疲劳寿命短的问题，提供了一种灵敏度高、稳定性高和可靠性高的基于硅纳米线多维力传感器的自校准装置及其制备工艺。
2、为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
3、基于硅纳米线多维力传感器的自校准装置，包括：soi硅片和键合硅；soi硅片包括位于底层的体硅、设于体硅上方的埋氧层以及设于埋氧层上方的顶层硅；所述顶层硅包括受力体以及设于受力体四周且均匀分布的硅纳米线；所述受力体上设有压电层；所述键合硅上与顶层硅中的压电层所对应的位置设有电极区域；所述压电层与电极区域构成电容；所述键合硅和soi硅片的顶层硅键合形成自校准结构；所述键合硅上设有若干个通过tsv打孔技术制作的通孔，所述通孔作为电极通道，用于引出电极；所述顶层硅与体硅电连接。
4、作为优选，所述顶层硅表面及硅纳米线表面均附着有氮化硅薄膜。
5、作为优选，所述受力体的四个角处均设有支撑梁；所述支撑梁采用u型结构。
6、作为优选，所述电极区域包括四块电极；四块电极分为两组，每组的两块电极大小相同；所述压电层包括四块pzt区域；压电层的四块pzt区域与电极区域的四块电极一一对应，分别构成判断电容c1、c2、c3和c4。
7、作为优选，所述受力体的四周均匀分布四组硅纳米线；在受力体受力时，四组硅纳米线分别构成测量电阻r1、r2、r3和r4。
8、作为优选，所述体硅包括体硅支撑梁结构，用于进行支撑。
9、作为优选，硅纳米线的每根宽度均为50nm-150nm，长度均为10um-100um，相邻两根硅纳米线之间的间距均为10um-100um。
10、作为优选，所述压电层的每块pzt区域长度均为90um-1000um，宽度均为90um-1000um，厚度均为50nm-5um。
11、本发明还提供了基于硅纳米线多维力传感器的自校准装置的制备工艺，包括如下步骤；
12、s1，选取一块soi硅片，采用光刻工艺和金属溅射工艺，在顶层硅适当位置溅射一层下电极；
13、s2，在顶层硅下电极适当位置表面涂覆一层压电涂层；所述压电涂层在600°的温度和1小时的时间条件下进行烧结，以形成坚固的pzt涂层；
14、s3，采用光刻工艺和金属溅射工艺，在pzt涂层表面溅射一层上电极，同时制备上电极引线；
15、s4，在顶层硅表面制备一层氮化硅薄膜，用于形成介质掩膜层；
16、s5，采用光刻工艺将u型结构图案转移至顶层硅四个角处，并采用干法刻蚀工艺，对顶层硅四个角处进行刻蚀，形成u型结构；
17、s6，采用光刻工艺在介质掩膜层中形成倾斜的矩形阵列窗口；
18、s7，采用干法刻蚀工艺对矩形阵列窗口处进行刻蚀，直至刻蚀到soi硅片的埋氧层，制备出深度一致的竖直槽阵列；
19、s8，对竖直槽阵列进行各向异性湿法腐蚀，形成每个侧壁均属于{111}晶面族的六边形腐蚀槽，且相邻的六边形腐蚀槽之间形成单晶硅薄壁结构；
20、s9，基于自限制热氧化工艺对soi硅片进行氧化后，单晶硅纳米墙壁的顶部中央位置形成单晶硅纳米线；
21、s10，在soi硅片的适当位置刻蚀氮化硅薄膜形成方形窗口，对方形窗口注入硼离子后再进行退火，并在相应的区域制作正、负电极；
22、s11，采用光刻工艺和干法刻蚀工艺对底层的体硅进行刻蚀，形成四周固定的支撑梁；
23、s12，采用光刻工艺和干法刻蚀工艺，在键合硅适当位置进行刻蚀，形成凹槽；
24、s13，采用光刻工艺和干法刻蚀工艺，在键合硅适当位置刻孔；
25、s14，采用光刻工艺和金属溅射工艺，在键合硅刻孔位置制作电极通道；
26、s15，采用光刻工艺和干法刻蚀工艺，对键合硅进行刻蚀，使电极通道暴露；
27、s16，采用光刻工艺和金属溅射工艺，在电极通道两端制作电极区域；
28、s17，将soi硅片的顶层硅和键合硅的凹槽部分采用硅-硅键合工艺进行键合；
29、s18，采用boe腐蚀工艺去除被氧化的单晶硅薄壁，释放单晶硅纳米线以及受力体结构。
30、作为优选，还包括自校准过程；所述自校准过程包括如下步骤：
31、s19，在力传感器出厂时，得到施加标准压力与输出标准电流的函数关系f-i；
32、s20,采用函数发生器，产生4路独立的驱动信号，并施加到压电层的各块pzt区域上，得到施加标准电压与标准压力的函数关系v-f’；
33、s21，力传感器工作设定的时间后，对力传感器施加v-f’函数下对应的标准压力，得到新的压力与输出电路的函数关系f’-i；所述标准压力通过施加到压电层的标准电压代替，依据步骤s20中的函数关系v-f’；
34、s22，通过对比f-i和f’-i两条曲线，并根据两条曲线变化规律实现自校准功能。
35、本发明与现有技术相比，有益效果是：(1)本发明通过利用硅纳米线的压阻效应，传感器实现了高度灵敏的力测量；硅纳米线的微小变形即可引起电阻的显著变化，使传感器对微小力的检测更为敏感；(2)本发明引入了压电层(pzt)在受力体四个区域，通过自校准功能可以实时调整传感器的灵敏度，确保测量的准确性和稳定性。这使得传感器能够适应不同环境和使用条件下的力测量需求；(3)本发明采用u型结构和硅纳米线等微纳米加工技术，实现了传感器的微型化设计；小巧的尺寸使其适用于有限空间的小型化设备，扩展了应用领域；(4)本发明使用soi材料和微纳米加工技术，传感器的制备工艺相对灵活；这降低了生产成本，同时提高了制造的可控性和一致性；(5)本发明由于其小型化、高灵敏度和自校准功能，该传感器在医疗器械、智能穿戴设备、自动化系统等领域具有广泛的应用前景；(6)本发明u型结构的设计和pzt的引入增强了传感器的机械强度和稳定性；氮化硅层的覆盖保护了硅纳米线，提高了传感器的耐腐蚀性，使其在复杂环境中表现更为可靠；(7)本发明利用纳米技术的优势，传感器的灵敏度和响应速度得以提高；硅纳米线的应用使得传感器在微观力测量中具备优越的性能；(8)本发明通过硅纳米线和电容组成的一种多维力解耦结构，提高了力传感器多维力解耦的准确性和可靠性。
1.基于硅纳米线多维力传感器的自校准装置，其特征在于，包括：soi硅片和键合硅；soi硅片包括位于底层的体硅、设于体硅上方的埋氧层以及设于埋氧层上方的顶层硅；所述顶层硅包括受力体以及设于受力体四周且均匀分布的硅纳米线；所述受力体上设有压电层；所述键合硅上与顶层硅中的压电层所对应的位置设有电极区域；所述压电层与电极区域构成电容；所述键合硅和soi硅片的顶层硅键合形成自校准结构；所述键合硅上设有若干个通过tsv打孔技术制作的通孔，所述通孔作为电极通道，用于引出电极；所述顶层硅与体硅电连接。
2.根据权利要求1所述的基于硅纳米线多维力传感器的自校准装置，其特征在于，所述顶层硅表面及硅纳米线表面均附着有氮化硅薄膜。
3.根据权利要求1所述的基于硅纳米线多维力传感器的自校准装置，其特征在于，所述受力体的四个角处均设有支撑梁；所述支撑梁采用u型结构。
4.根据权利要求1所述的基于硅纳米线多维力传感器的自校准装置，其特征在于，所述电极区域包括四块电极；四块电极分为两组，每组的两块电极大小相同；所述压电层包括四块pzt区域；压电层的四块pzt区域与电极区域的四块电极一一对应，分别构成判断电容c1、c2、c3和c4。
5.根据权利要求1所述的基于硅纳米线多维力传感器的自校准装置，其特征在于，所述受力体的四周均匀分布四组硅纳米线；在受力体受力时，四组硅纳米线分别构成测量电阻r1、r2、r3和r4。
6.根据权利要求1所述的基于硅纳米线多维力传感器的自校准装置，其特征在于，所述体硅包括体硅支撑梁结构，用于进行支撑。
7.根据权利要求1所述的基于硅纳米线多维力传感器的自校准装置，其特征在于，硅纳米线的每根宽度均为50nm-150nm，长度均为10um-100um，相邻两根硅纳米线之间的间距均为10um-100um。
8.根据权利要求4所述的基于硅纳米线多维力传感器的自校准装置，其特征在于，所述压电层的每块pzt区域长度均为90um-1000um，宽度均为90um-1000um，厚度均为50nm-5um。
9.基于硅纳米线多维力传感器的自校准装置的制备工艺，用于制备权利要求1-8任一项所述的基于硅纳米线多维力传感器的自校准装置，其特征在于，包括如下步骤：
10.根据权利要求9所述的基于硅纳米线多维力传感器的自校准装置的制备工艺，其特征在于，还包括自校准过程；所述自校准过程包括如下步骤：
