微型強化圓片級mems力傳感器的制造方法
【專利摘要】本文描述了一種微型固化圓片級MEMS力傳感器，所述傳感器由基底和頂蓋構(gòu)成。所述傳感器采用多個柔性膜、機械過載限制器、保持壁和壓阻應(yīng)變計。
【專利說明】微型強化圓片級MEMS力傳感器
[0001 ] 本申請要求2014年I月13日提交的美國臨時申請N0.61/926，472、2014年2月8日提交的美國臨時申請N0.61/937,509以及2014年5月29日提交的美國臨時申請N0.62/004,264的權(quán)益。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及用于將力轉(zhuǎn)化成應(yīng)變的MEMS力感測管芯，所述應(yīng)變由壓阻應(yīng)變計感測。
【背景技術(shù)】
[0003]現(xiàn)有技術(shù)的MEMS力管芯基于將施加的力關(guān)聯(lián)至包括四個壓阻應(yīng)變計的感測隔膜的中心。隔膜周圍設(shè)置有接觸墊，這使得現(xiàn)有力管芯相對較大。此外，現(xiàn)有MEMS力管芯十分易碎，缺乏其他力感測技術(shù)諸如力敏電阻器的穩(wěn)健性，并且易于因外部環(huán)境而碎裂。
[0004]因此，相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域中需要一種小型、低成本的硅力傳感器，該傳感器可以被密封并且對于機械過載具有良好的穩(wěn)健性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明涉及一種微機電(“MEMS”)力傳感器，該傳感器包括設(shè)置在管芯周邊的多個緊湊型感測元件。每個感測元件由彎曲部分和壓阻應(yīng)變計構(gòu)成。在一個示例性實施例中，每個力管芯中可采用四個感測元件，但也可使用額外的或更少的感測元件。小型感測元件減小了管芯尺寸，并且周邊布局使得可以在其中包括保持壁，從而防止切割碎片進入管芯以及堵塞過載限制器。此外，在一個實施例中，周邊布局使得管芯可以完全密封以阻止來自外部環(huán)境的碎片。
[0006]管芯可通過將頂蓋(通常為Pyrex)圓片粘合至基底(通常為硅)圓片而制成。感測元件可通過在硅圓片的頂側(cè)上蝕刻彎曲部分而形成。一些彎曲部分還可能需要在底側(cè)上蝕刻凹槽或狹槽。壓阻應(yīng)變計還可以在散布在彎曲部分上，并且互連至管芯底部上的接觸墊。
[0007]基底圓片與頂蓋圓片之間的粘合包含基底的頂部和/或頂蓋的底部上雕刻的突出部產(chǎn)生的間隙。在示例性實施例中，粘合Pyrex圓片后，在基底周邊上蝕刻釋放狹槽。在一些實施例中，狹槽將保持壁從基底的其余部分釋放，該壁被設(shè)計用于防止碎片進入空氣間隙。突出部和保持壁在力的作用下?lián)锨?，同時拉緊壓阻應(yīng)變計并產(chǎn)生與力成正比的輸出信號。間隙可被設(shè)計用于限制頂蓋的位移，以提供力過載保護。
【附圖說明】
[0008]通過參考附圖進行的詳細(xì)描述，本發(fā)明的優(yōu)選實施例的上述和其他特征將更加顯而易見，其中:
[0009]圖1為MEMS力傳感器的等軸視圖。
[0010]圖2為MEMS力傳感器的頂視圖。
[0011]圖3為MEMS力傳感器的側(cè)視圖。
[0012]圖4為MEMS力傳感器的底視圖。
[0013]圖5為包括MEMS力傳感器的2X 2陣列的圓片部分的頂視圖。
[0014]圖6為具有加工頂蓋的MEMS力傳感器的等軸視圖。
[0015]圖7為具有加工頂蓋的MEMS力傳感器的頂視圖。
[0016]圖8為具有保持壁的MEMS力傳感器的等軸視圖。
[0017]圖9為具有保持壁的MEMS力傳感器的頂視圖。
[0018]圖10為具有保持壁和拐角彎曲部分的MEMS力傳感器的等軸視圖。
[0019]圖11為具有保持壁和拐角彎曲部分的MEMS力傳感器的頂視圖。
[0020]圖12為根據(jù)另一個示例性實施例的MEMS力傳感器的等軸視圖。
[0021]圖13為根據(jù)另一個示例性實施例的MEMS力傳感器的頂視圖。
[0022]圖14為根據(jù)另一個示例性實施例的MEMS力傳感器的側(cè)視圖。
[0023]圖15為根據(jù)另一個示例性實施例的MEMS力傳感器的底視圖。
[0024]圖16為根據(jù)另一個示例性實施例的MEMS力傳感器的等軸底視圖。
【具體實施方式】
[0025]通過參考以下【具體實施方式】、實例、附圖及其先前和之后的描述，可以更容易地理解本發(fā)明。然而，在公開和描述本發(fā)明的設(shè)備、系統(tǒng)和/或方法之前，應(yīng)當(dāng)理解，除非另外指明，否則本發(fā)明不限于本發(fā)明所公開的特定設(shè)備、系統(tǒng)和/或方法，同樣地本發(fā)明當(dāng)然可以是變化的。還應(yīng)當(dāng)理解，本文所用的術(shù)語僅用于描述特定方面，并非旨在進行限制。
[0026]本發(fā)明的以下描述作為本發(fā)明的使能教導(dǎo)以其目前已知的最佳實施例的形式提供。為此，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識并理解，可對本文所述的本發(fā)明的各個方面作出多種改變，同時仍能獲得本發(fā)明的有益效果。還將顯而易見的是，本發(fā)明的期望有益效果中的一些可通過選擇本發(fā)明的一些特征而不利用其他特征來獲得。相應(yīng)地，本領(lǐng)域的工作人員將認(rèn)識到，本發(fā)明的許多修改形式和變型形式是可能的，在某些情況下甚至可以是期望的，并且是本發(fā)明的組成部分。因此，以下描述作為對本發(fā)明原理的例示提供，并非旨在對其進行限制。
[0027]如通篇所用，除非上下文另外明確指明，否則單數(shù)形式“一個”、“一種”、“該”和“所述”包括復(fù)數(shù)指代。因此，例如，除非上下文另外指明，否則對“一種力傳感器”的提及可包括兩個或更多個這樣的力傳感器。
[0028]范圍在本文中可表示為從“約”一個具體值和/或到“約”另一個具體值。當(dāng)表述這樣的范圍時，另一方面則包括從所述一個具體值和/或到所述另一個具體值。相似地，通過使用先行詞“約”將值表示為近似值時，應(yīng)當(dāng)理解，所述具體值構(gòu)成了另一方面。還應(yīng)當(dāng)理解，每個范圍的終點無論是與其他終點相關(guān)還是與其他終點無關(guān)都是有意義的。
[0029]如本文所用，術(shù)語“任選的”或“任選地”意指其后所述的事件或情況可能發(fā)生也可能不發(fā)生，并且該描述包括發(fā)生所述事件或情況的實例以及不發(fā)生所述事件或情況的實例。
[0030]本發(fā)明涉及一種微機電系統(tǒng)(“MEMS”)力傳感器設(shè)備，該傳感器設(shè)備用于測量施加到其至少一部分的力。在一個方面，如圖1至圖3所示，力傳感器設(shè)備包括基底11和頂蓋12，所述基底和頂蓋在由基底11中的至少一個剛性轂13形成的表面處粘附在一起。接觸表面14沿著頂蓋12的頂部表面存在，以接受施加的力F并將力F穿過所述至少一個剛性轂13傳遞至至少一個彎曲部分15?；?1包括位于基底11與頂蓋12之間的空氣間隙16，其中空氣間隙16的厚度通過破壞所述至少一個彎曲部分15的撓曲來測定，使得位于基底11與頂蓋12之間的空氣間隙16將會閉合并在破壞至少一個柔性膜15之前阻止發(fā)生進一步撓曲。
[0031]可以設(shè)想，在基底11與頂蓋12之間形成的空氣間隙16可以在切割設(shè)備的過程中收集碎片。為減輕此影響，基底包括擱架17，該擱架被蝕刻成明顯低于空氣間隙16。擱架17在基底11的邊緣處的切割界面與將易于收集碎片的空氣間隙16之間形成一段距離，從而形成便于水帶走碎片的通道并防止設(shè)備的作用范圍所帶來的機械干擾。
[0032]現(xiàn)在參見圖3和圖4，其中分別示出設(shè)備的側(cè)視圖和底視圖。力傳感器設(shè)備包括至少一個沉積或植入到基底11的底部表面18上的壓阻式元件。在所述至少一個彎曲部分15中誘導(dǎo)與力F成正比的應(yīng)變時，將在壓阻式元件19(示意性示出)上產(chǎn)生局部應(yīng)變，使得壓阻式元件19根據(jù)其具體取向經(jīng)歷壓縮。當(dāng)壓阻式元件壓縮和拉緊時，其電阻率以相反的方式發(fā)生變化，使得包含四個壓阻式元件19(相對于應(yīng)變，每個取向各兩個)的惠斯通電橋電路變得不平衡并在正信號終端SPOS和負(fù)信號終端SNEG上產(chǎn)生差分電壓。該差分電壓與在接觸表面14上施加的力F成正比，并通過連接至外部電路的電終端20進行測量。
[0033]現(xiàn)在參見圖5，其中示出圓片的未切割部分的頂視圖。圓片部分包括兩個切割通道21，以分隔設(shè)備的2X2陣列。所述至少一個剛性轂在兩側(cè)上由橋22支承，所述橋防止所述至少一個彎曲部分15在將基底11附接至頂蓋12的粘合過程的壓力下發(fā)生彎曲。在沒有橋22的情況下，所述至少一個剛性轂13將會僅由所述至少一個彎曲部分15支承。這將會導(dǎo)致在壓力下發(fā)生變形，同時引起空氣間隙16閉合并使得頂蓋12粘合至整個基底11，從而有效消除設(shè)備的作用范圍。將橋22布置在切割通道21中，使得它們將在切割過程中被移除，以釋放所述至少一個剛性轂13并使其隨著施加的力F移動。
[0034]仍然參見圖5，圓片部分包括位于所述至少一個彎曲部分15的邊緣處的蝕刻空穴
23。在切割之前，空穴23被蝕刻到基底中，使得在切割圓片時，刀片不會與所述至少一個彎曲部分15接觸。該技術(shù)允許通過蝕刻工藝實現(xiàn)光滑的表面邊緣，繼而增大所述至少一個彎曲部分15的屈服強度。
[0035]現(xiàn)在參見圖6和圖7，在另一個實施例中，力傳感器設(shè)備包括基底11和頂蓋12，所述基底和頂蓋在由基底11中的至少一個剛性轂13形成的表面處粘附在一起。接觸表面14沿著頂蓋12的頂部表面存在，以接受施加的力F并將力F穿過所述至少一個剛性轂13傳遞至至少一個彎曲部分15?；?1包括位于基底11與頂蓋12之間的空氣間隙16，其中空氣間隙16的厚度通過破壞所述至少一個彎曲部分15的撓曲來測定，使得位于基底11與頂蓋12之間的空氣間隙16將會閉合并在破壞至少一個柔性膜15之前阻止發(fā)生進一步撓曲。
[0036]可以設(shè)想，在基底11與頂蓋12之間形成的空氣間隙16可以在切割設(shè)備的過程中收集碎片。為減輕此影響，頂蓋包括四分之一圓加工空穴24?？昭?4在基底11的邊緣處的切割界面與將易于收集碎片的空氣間隙16之間形成一段距離，從而形成便于水帶走碎片的通道并防止設(shè)備的作用范圍所帶來的機械干擾。
[0037]現(xiàn)在參見圖8和圖9，在又一個實施例中，力傳感器設(shè)備包括基底11和頂蓋12，所述基底和頂蓋在由基底11中的至少一個剛性轂13和保持壁25形成的表面處粘附在一起。接觸表面14沿著頂蓋12的頂部表面存在，以接受施加的力F并將力F穿過所述至少一個剛性轂13和保持壁25傳遞至至少一個彎曲部分15?；?1包括位于基底11與頂蓋12之間的空氣間隙16，其中空氣間隙16的厚度通過破壞所述至少一個彎曲部分15的撓曲來測定，使得位于基底11與頂蓋12之間的空氣間隙16將會閉合并在破壞至少一個柔性膜15之前阻止發(fā)生進一步撓曲。
[0038]可以設(shè)想，在基底11與頂蓋12之間形成的空氣間隙16可以在切割設(shè)備的過程中收集碎片。為減輕此影響，基底包括保持壁25。由于狹槽26被蝕刻穿過基底，因此保持壁25被釋放并能相對于基底11的其余部分移動。頂蓋12和基底11在保持壁25處密封到一起，以防止切割過程中碎片進入空氣間隙16。
[0039]現(xiàn)在參見圖10和圖11，在又一個實施例中，力傳感器設(shè)備包括基底11和頂蓋12，所述基底和頂蓋在由基底11中的至少一個剛性拐角27和保持壁25形成的表面處粘附在一起。接觸表面14沿著頂蓋12的頂部表面存在，以接受施加的力F并將力F穿過所述至少一個剛性拐角27和保持壁25傳遞至至少一個彎曲部分15。基底11包括位于基底11與頂蓋12之間的空氣間隙16，其中空氣間隙16的厚度通過破壞所述至少一個彎曲部分15的撓曲來測定，使得位于基底11與頂蓋12之間的空氣間隙16將會閉合并在破壞至少一個柔性膜15之前阻止發(fā)生進一步撓曲。
[0040]可以設(shè)想，在基底11與頂蓋12之間形成的空氣間隙16可以在切割設(shè)備的過程中收集碎片。為減輕此影響，基底包括保持壁25。由于狹槽26被蝕刻穿過基底，因此保持壁25被釋放并能相對于基底11的其余部分移動。頂蓋12和基底11在保持壁25處密封到一起，以防止切割過程中碎片進入空氣間隙16。
[0041]圖12示出根據(jù)另一個示例性實施例的MEMS力傳感器的等軸視圖。具體地講，圖12示出一種微機電系統(tǒng)(“MEMS”)力傳感器設(shè)備110，該傳感器設(shè)備用于測量施加到其至少一部分的力。在一個方面，如圖12至圖14所示，力傳感器設(shè)備包括基底111和頂蓋112，所述基底和頂蓋在由基底111中的至少一個剛性轂113和外壁114形成的表面處粘附在一起。粘附在基底111與頂蓋112之間的表面形成密封腔體115。接觸表面116沿著頂蓋112的頂部表面存在，以接受施加的力F并將力F穿過所述至少一個剛性轂113和外壁114傳遞至至少一個彎曲部分117?；?15可包括位于基底111與頂蓋112之間的空氣間隙118，其中空氣間隙118的厚度可通過破壞所述至少一個彎曲部分117的撓曲來測定，使得位于基底111與頂蓋112之間的空氣間隙118將會閉合并在破壞至少一個彎曲部分117之前阻止發(fā)生進一步撓曲。
[0042]現(xiàn)在參見圖14和圖15，其中分別示出設(shè)備的側(cè)視圖和底視圖。力傳感器設(shè)備包括至少一個沉積或植入到基底111的底部表面119上的壓阻式元件。在所述至少一個彎曲部分117中誘導(dǎo)與力F成正比的應(yīng)變時，將在壓阻式元件120(示意性示出)上產(chǎn)生局部應(yīng)變，使得壓阻式元件120根據(jù)其具體取向經(jīng)歷壓縮。當(dāng)壓阻式元件壓縮和拉緊時，其電阻率以相反的方式發(fā)生變化，使得包含四個壓阻式元件120(相對于應(yīng)變，每個取向各兩個)的惠斯通電橋電路變得不平衡并在正信號終端SPOS和負(fù)信號終端SNEG上產(chǎn)生差分電壓。該差分電壓與在接觸表面116上施加的力F成正比，并可通過連接至外部電路的電終端121進行測量。電終端121可包括焊接凸塊，以允許進行倒裝芯片裝配。
[0043]現(xiàn)在參見圖16，其中示出設(shè)備的底部的等軸視圖。力傳感器設(shè)備可包括雕刻到基底111的底部表面中的凹槽122。凹槽122可用于減少圍繞外電終端121的周邊彎曲部分所吸收的力的量，并增加一個或多個中心彎曲部分所吸收的力的量，從而增大壓阻式元件120中的應(yīng)變并提高力傳感器設(shè)備的總體靈敏度。
【主權(quán)項】
1.一種力傳感器，包括: 頂蓋，其中所述頂蓋在由至少一個剛性轂限定的表面處附接至基底， 其中至少一個彎曲部分通過蝕刻而形成于所述基底中并圍繞所述至少一個剛性轂， 其中對所述基底的一部分進行蝕刻，以在所述基底與所述頂蓋之間產(chǎn)生過載限制器，使得所述彎曲部分不會變形超過其斷裂點， 其中壓電電阻器被沉積或植入到所述彎曲部分下方所述基底的底部表面上以形成惠斯通電橋，并被布置成使得所述惠斯通電橋?qū)⑤敵雠c所述壓電電阻器中誘導(dǎo)的應(yīng)變成正比的電壓信號。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的力傳感器，包括: 圍繞所述基底的周長的蝕刻擱架，充當(dāng)用于在圓片切割的過程中提取碎片的通道。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的力傳感器，包括: 位于所述頂蓋中的加工空穴，充當(dāng)用于在圓片切割的過程中提取碎片的通道。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的力傳感器，包括: 圍繞所述基底的周邊的保持壁，所述保持壁由蝕刻到所述基底中的狹槽釋放。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的力傳感器，包括: 其中至少一個彎曲部分形成于所述基底的拐角中。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的力傳感器的圓片部分，包括: 橋，所述橋用于在將所述頂蓋附接至所述基底的過程中固定所述轂，并被設(shè)置成在切割過程中被移除。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的力傳感器的圓片部分，包括: 位于所述彎曲部分的邊緣處的蝕刻空穴，使得切割刀片不會接觸所述彎曲部分。8.一種力傳感器，包括: 頂蓋，所述頂蓋在由至少一個剛性轂和外壁限定的表面處附接至基底，從而形成密封腔體， 至少一個彎曲部分，所述彎曲部分形成于所述基底中并圍繞所述至少一個剛性轂，以將施加于所述頂蓋的力轉(zhuǎn)換成應(yīng)變， 位于所述基底與所述頂蓋之間的間隙，所述間隙在力施加到所述頂蓋上時變窄，使得所述彎曲部分不會變形超過其斷裂點， 感測應(yīng)變的裝置，所述裝置位于所述基底的底部表面上。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的力傳感器，其中所述彎曲部分通過蝕刻而形成于所述基底中并圍繞所述至少一個剛性轂。10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的力傳感器，其中所述感測應(yīng)變的裝置由壓阻式換能器、壓電式換能器或電容式換能器構(gòu)成。11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的力傳感器，其中所述感測應(yīng)變的裝置產(chǎn)生與所述應(yīng)變成正比的電壓、電流或電荷信號。12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的力傳感器，其中由所述感測應(yīng)變的裝置產(chǎn)生的所述電信號被發(fā)送至所述基底的所述底部表面上的電終端。13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的力傳感器，其中所述基底的所述底部表面上的所述電終端由焊接凸塊構(gòu)成。14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的力傳感器，其中所述基底具有凹槽，用以將機械應(yīng)變集中到一個或多個中心彎曲部分上。
【文檔編號】G01L1/18GK105934661SQ201580004398
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2015年1月13日
【發(fā)明人】A·布羅施, R·戴斯特兒霍斯特, S·納斯里
【申請人】觸控解決方案股份有限公司