微型强化圆片级mems力传感器的制造方法

文档序号:10573845阅读:300来源:国知局
微型强化圆片级mems力传感器的制造方法
【专利摘要】本文描述了一种微型固化圆片级MEMS力传感器,所述传感器由基底和顶盖构成。所述传感器采用多个柔性膜、机械过载限制器、保持壁和压阻应变计。
【专利说明】微型强化圆片级MEMS力传感器
[0001 ] 本申请要求2014年I月13日提交的美国临时申请N0.61/926,472、2014年2月8日提交的美国临时申请N0.61/937,509以及2014年5月29日提交的美国临时申请N0.62/004,264的权益。
技术领域
[0002]本发明涉及用于将力转化成应变的MEMS力感测管芯,所述应变由压阻应变计感测。
【背景技术】
[0003]现有技术的MEMS力管芯基于将施加的力关联至包括四个压阻应变计的感测隔膜的中心。隔膜周围设置有接触垫,这使得现有力管芯相对较大。此外,现有MEMS力管芯十分易碎,缺乏其他力感测技术诸如力敏电阻器的稳健性,并且易于因外部环境而碎裂。
[0004]因此,相关技术领域中需要一种小型、低成本的硅力传感器,该传感器可以被密封并且对于机械过载具有良好的稳健性。

【发明内容】

[0005]本发明涉及一种微机电(“MEMS”)力传感器,该传感器包括设置在管芯周边的多个紧凑型感测元件。每个感测元件由弯曲部分和压阻应变计构成。在一个示例性实施例中,每个力管芯中可采用四个感测元件,但也可使用额外的或更少的感测元件。小型感测元件减小了管芯尺寸,并且周边布局使得可以在其中包括保持壁,从而防止切割碎片进入管芯以及堵塞过载限制器。此外,在一个实施例中,周边布局使得管芯可以完全密封以阻止来自外部环境的碎片。
[0006]管芯可通过将顶盖(通常为Pyrex)圆片粘合至基底(通常为硅)圆片而制成。感测元件可通过在硅圆片的顶侧上蚀刻弯曲部分而形成。一些弯曲部分还可能需要在底侧上蚀刻凹槽或狭槽。压阻应变计还可以在散布在弯曲部分上,并且互连至管芯底部上的接触垫。
[0007]基底圆片与顶盖圆片之间的粘合包含基底的顶部和/或顶盖的底部上雕刻的突出部产生的间隙。在示例性实施例中,粘合Pyrex圆片后,在基底周边上蚀刻释放狭槽。在一些实施例中,狭槽将保持壁从基底的其余部分释放,该壁被设计用于防止碎片进入空气间隙。突出部和保持壁在力的作用下挠曲,同时拉紧压阻应变计并产生与力成正比的输出信号。间隙可被设计用于限制顶盖的位移,以提供力过载保护。
【附图说明】
[0008]通过参考附图进行的详细描述,本发明的优选实施例的上述和其他特征将更加显而易见,其中:
[0009]图1为MEMS力传感器的等轴视图。
[0010]图2为MEMS力传感器的顶视图。
[0011]图3为MEMS力传感器的侧视图。
[0012]图4为MEMS力传感器的底视图。
[0013]图5为包括MEMS力传感器的2X 2阵列的圆片部分的顶视图。
[0014]图6为具有加工顶盖的MEMS力传感器的等轴视图。
[0015]图7为具有加工顶盖的MEMS力传感器的顶视图。
[0016]图8为具有保持壁的MEMS力传感器的等轴视图。
[0017]图9为具有保持壁的MEMS力传感器的顶视图。
[0018]图10为具有保持壁和拐角弯曲部分的MEMS力传感器的等轴视图。
[0019]图11为具有保持壁和拐角弯曲部分的MEMS力传感器的顶视图。
[0020]图12为根据另一个示例性实施例的MEMS力传感器的等轴视图。
[0021]图13为根据另一个示例性实施例的MEMS力传感器的顶视图。
[0022]图14为根据另一个示例性实施例的MEMS力传感器的侧视图。
[0023]图15为根据另一个示例性实施例的MEMS力传感器的底视图。
[0024]图16为根据另一个示例性实施例的MEMS力传感器的等轴底视图。
【具体实施方式】
[0025]通过参考以下【具体实施方式】、实例、附图及其先前和之后的描述,可以更容易地理解本发明。然而,在公开和描述本发明的设备、系统和/或方法之前,应当理解,除非另外指明,否则本发明不限于本发明所公开的特定设备、系统和/或方法,同样地本发明当然可以是变化的。还应当理解,本文所用的术语仅用于描述特定方面,并非旨在进行限制。
[0026]本发明的以下描述作为本发明的使能教导以其目前已知的最佳实施例的形式提供。为此,相关领域的技术人员将认识并理解,可对本文所述的本发明的各个方面作出多种改变,同时仍能获得本发明的有益效果。还将显而易见的是,本发明的期望有益效果中的一些可通过选择本发明的一些特征而不利用其他特征来获得。相应地,本领域的工作人员将认识到,本发明的许多修改形式和变型形式是可能的,在某些情况下甚至可以是期望的,并且是本发明的组成部分。因此,以下描述作为对本发明原理的例示提供,并非旨在对其进行限制。
[0027]如通篇所用,除非上下文另外明确指明,否则单数形式“一个”、“一种”、“该”和“所述”包括复数指代。因此,例如,除非上下文另外指明,否则对“一种力传感器”的提及可包括两个或更多个这样的力传感器。
[0028]范围在本文中可表示为从“约”一个具体值和/或到“约”另一个具体值。当表述这样的范围时,另一方面则包括从所述一个具体值和/或到所述另一个具体值。相似地,通过使用先行词“约”将值表示为近似值时,应当理解,所述具体值构成了另一方面。还应当理解,每个范围的终点无论是与其他终点相关还是与其他终点无关都是有意义的。
[0029]如本文所用,术语“任选的”或“任选地”意指其后所述的事件或情况可能发生也可能不发生,并且该描述包括发生所述事件或情况的实例以及不发生所述事件或情况的实例。
[0030]本发明涉及一种微机电系统(“MEMS”)力传感器设备,该传感器设备用于测量施加到其至少一部分的力。在一个方面,如图1至图3所示,力传感器设备包括基底11和顶盖12,所述基底和顶盖在由基底11中的至少一个刚性毂13形成的表面处粘附在一起。接触表面14沿着顶盖12的顶部表面存在,以接受施加的力F并将力F穿过所述至少一个刚性毂13传递至至少一个弯曲部分15。基底11包括位于基底11与顶盖12之间的空气间隙16,其中空气间隙16的厚度通过破坏所述至少一个弯曲部分15的挠曲来测定,使得位于基底11与顶盖12之间的空气间隙16将会闭合并在破坏至少一个柔性膜15之前阻止发生进一步挠曲。
[0031]可以设想,在基底11与顶盖12之间形成的空气间隙16可以在切割设备的过程中收集碎片。为减轻此影响,基底包括搁架17,该搁架被蚀刻成明显低于空气间隙16。搁架17在基底11的边缘处的切割界面与将易于收集碎片的空气间隙16之间形成一段距离,从而形成便于水带走碎片的通道并防止设备的作用范围所带来的机械干扰。
[0032]现在参见图3和图4,其中分别示出设备的侧视图和底视图。力传感器设备包括至少一个沉积或植入到基底11的底部表面18上的压阻式元件。在所述至少一个弯曲部分15中诱导与力F成正比的应变时,将在压阻式元件19(示意性示出)上产生局部应变,使得压阻式元件19根据其具体取向经历压缩。当压阻式元件压缩和拉紧时,其电阻率以相反的方式发生变化,使得包含四个压阻式元件19(相对于应变,每个取向各两个)的惠斯通电桥电路变得不平衡并在正信号终端SPOS和负信号终端SNEG上产生差分电压。该差分电压与在接触表面14上施加的力F成正比,并通过连接至外部电路的电终端20进行测量。
[0033]现在参见图5,其中示出圆片的未切割部分的顶视图。圆片部分包括两个切割通道21,以分隔设备的2X2阵列。所述至少一个刚性毂在两侧上由桥22支承,所述桥防止所述至少一个弯曲部分15在将基底11附接至顶盖12的粘合过程的压力下发生弯曲。在没有桥22的情况下,所述至少一个刚性毂13将会仅由所述至少一个弯曲部分15支承。这将会导致在压力下发生变形,同时引起空气间隙16闭合并使得顶盖12粘合至整个基底11,从而有效消除设备的作用范围。将桥22布置在切割通道21中,使得它们将在切割过程中被移除,以释放所述至少一个刚性毂13并使其随着施加的力F移动。
[0034]仍然参见图5,圆片部分包括位于所述至少一个弯曲部分15的边缘处的蚀刻空穴
23。在切割之前,空穴23被蚀刻到基底中,使得在切割圆片时,刀片不会与所述至少一个弯曲部分15接触。该技术允许通过蚀刻工艺实现光滑的表面边缘,继而增大所述至少一个弯曲部分15的屈服强度。
[0035]现在参见图6和图7,在另一个实施例中,力传感器设备包括基底11和顶盖12,所述基底和顶盖在由基底11中的至少一个刚性毂13形成的表面处粘附在一起。接触表面14沿着顶盖12的顶部表面存在,以接受施加的力F并将力F穿过所述至少一个刚性毂13传递至至少一个弯曲部分15。基底11包括位于基底11与顶盖12之间的空气间隙16,其中空气间隙16的厚度通过破坏所述至少一个弯曲部分15的挠曲来测定,使得位于基底11与顶盖12之间的空气间隙16将会闭合并在破坏至少一个柔性膜15之前阻止发生进一步挠曲。
[0036]可以设想,在基底11与顶盖12之间形成的空气间隙16可以在切割设备的过程中收集碎片。为减轻此影响,顶盖包括四分之一圆加工空穴24。空穴24在基底11的边缘处的切割界面与将易于收集碎片的空气间隙16之间形成一段距离,从而形成便于水带走碎片的通道并防止设备的作用范围所带来的机械干扰。
[0037]现在参见图8和图9,在又一个实施例中,力传感器设备包括基底11和顶盖12,所述基底和顶盖在由基底11中的至少一个刚性毂13和保持壁25形成的表面处粘附在一起。接触表面14沿着顶盖12的顶部表面存在,以接受施加的力F并将力F穿过所述至少一个刚性毂13和保持壁25传递至至少一个弯曲部分15。基底11包括位于基底11与顶盖12之间的空气间隙16,其中空气间隙16的厚度通过破坏所述至少一个弯曲部分15的挠曲来测定,使得位于基底11与顶盖12之间的空气间隙16将会闭合并在破坏至少一个柔性膜15之前阻止发生进一步挠曲。
[0038]可以设想,在基底11与顶盖12之间形成的空气间隙16可以在切割设备的过程中收集碎片。为减轻此影响,基底包括保持壁25。由于狭槽26被蚀刻穿过基底,因此保持壁25被释放并能相对于基底11的其余部分移动。顶盖12和基底11在保持壁25处密封到一起,以防止切割过程中碎片进入空气间隙16。
[0039]现在参见图10和图11,在又一个实施例中,力传感器设备包括基底11和顶盖12,所述基底和顶盖在由基底11中的至少一个刚性拐角27和保持壁25形成的表面处粘附在一起。接触表面14沿着顶盖12的顶部表面存在,以接受施加的力F并将力F穿过所述至少一个刚性拐角27和保持壁25传递至至少一个弯曲部分15。基底11包括位于基底11与顶盖12之间的空气间隙16,其中空气间隙16的厚度通过破坏所述至少一个弯曲部分15的挠曲来测定,使得位于基底11与顶盖12之间的空气间隙16将会闭合并在破坏至少一个柔性膜15之前阻止发生进一步挠曲。
[0040]可以设想,在基底11与顶盖12之间形成的空气间隙16可以在切割设备的过程中收集碎片。为减轻此影响,基底包括保持壁25。由于狭槽26被蚀刻穿过基底,因此保持壁25被释放并能相对于基底11的其余部分移动。顶盖12和基底11在保持壁25处密封到一起,以防止切割过程中碎片进入空气间隙16。
[0041]图12示出根据另一个示例性实施例的MEMS力传感器的等轴视图。具体地讲,图12示出一种微机电系统(“MEMS”)力传感器设备110,该传感器设备用于测量施加到其至少一部分的力。在一个方面,如图12至图14所示,力传感器设备包括基底111和顶盖112,所述基底和顶盖在由基底111中的至少一个刚性毂113和外壁114形成的表面处粘附在一起。粘附在基底111与顶盖112之间的表面形成密封腔体115。接触表面116沿着顶盖112的顶部表面存在,以接受施加的力F并将力F穿过所述至少一个刚性毂113和外壁114传递至至少一个弯曲部分117。基底115可包括位于基底111与顶盖112之间的空气间隙118,其中空气间隙118的厚度可通过破坏所述至少一个弯曲部分117的挠曲来测定,使得位于基底111与顶盖112之间的空气间隙118将会闭合并在破坏至少一个弯曲部分117之前阻止发生进一步挠曲。
[0042]现在参见图14和图15,其中分别示出设备的侧视图和底视图。力传感器设备包括至少一个沉积或植入到基底111的底部表面119上的压阻式元件。在所述至少一个弯曲部分117中诱导与力F成正比的应变时,将在压阻式元件120(示意性示出)上产生局部应变,使得压阻式元件120根据其具体取向经历压缩。当压阻式元件压缩和拉紧时,其电阻率以相反的方式发生变化,使得包含四个压阻式元件120(相对于应变,每个取向各两个)的惠斯通电桥电路变得不平衡并在正信号终端SPOS和负信号终端SNEG上产生差分电压。该差分电压与在接触表面116上施加的力F成正比,并可通过连接至外部电路的电终端121进行测量。电终端121可包括焊接凸块,以允许进行倒装芯片装配。
[0043]现在参见图16,其中示出设备的底部的等轴视图。力传感器设备可包括雕刻到基底111的底部表面中的凹槽122。凹槽122可用于减少围绕外电终端121的周边弯曲部分所吸收的力的量,并增加一个或多个中心弯曲部分所吸收的力的量,从而增大压阻式元件120中的应变并提高力传感器设备的总体灵敏度。
【主权项】
1.一种力传感器,包括: 顶盖,其中所述顶盖在由至少一个刚性毂限定的表面处附接至基底, 其中至少一个弯曲部分通过蚀刻而形成于所述基底中并围绕所述至少一个刚性毂, 其中对所述基底的一部分进行蚀刻,以在所述基底与所述顶盖之间产生过载限制器,使得所述弯曲部分不会变形超过其断裂点, 其中压电电阻器被沉积或植入到所述弯曲部分下方所述基底的底部表面上以形成惠斯通电桥,并被布置成使得所述惠斯通电桥将输出与所述压电电阻器中诱导的应变成正比的电压信号。2.根据权利要求1所述的力传感器,包括: 围绕所述基底的周长的蚀刻搁架,充当用于在圆片切割的过程中提取碎片的通道。3.根据权利要求1所述的力传感器,包括: 位于所述顶盖中的加工空穴,充当用于在圆片切割的过程中提取碎片的通道。4.根据权利要求1所述的力传感器,包括: 围绕所述基底的周边的保持壁,所述保持壁由蚀刻到所述基底中的狭槽释放。5.根据权利要求1所述的力传感器,包括: 其中至少一个弯曲部分形成于所述基底的拐角中。6.根据权利要求1所述的力传感器的圆片部分,包括: 桥,所述桥用于在将所述顶盖附接至所述基底的过程中固定所述毂,并被设置成在切割过程中被移除。7.根据权利要求1所述的力传感器的圆片部分,包括: 位于所述弯曲部分的边缘处的蚀刻空穴,使得切割刀片不会接触所述弯曲部分。8.一种力传感器,包括: 顶盖,所述顶盖在由至少一个刚性毂和外壁限定的表面处附接至基底,从而形成密封腔体, 至少一个弯曲部分,所述弯曲部分形成于所述基底中并围绕所述至少一个刚性毂,以将施加于所述顶盖的力转换成应变, 位于所述基底与所述顶盖之间的间隙,所述间隙在力施加到所述顶盖上时变窄,使得所述弯曲部分不会变形超过其断裂点, 感测应变的装置,所述装置位于所述基底的底部表面上。9.根据权利要求8所述的力传感器,其中所述弯曲部分通过蚀刻而形成于所述基底中并围绕所述至少一个刚性毂。10.根据权利要求8所述的力传感器,其中所述感测应变的装置由压阻式换能器、压电式换能器或电容式换能器构成。11.根据权利要求8所述的力传感器,其中所述感测应变的装置产生与所述应变成正比的电压、电流或电荷信号。12.根据权利要求8所述的力传感器,其中由所述感测应变的装置产生的所述电信号被发送至所述基底的所述底部表面上的电终端。13.根据权利要求8所述的力传感器,其中所述基底的所述底部表面上的所述电终端由焊接凸块构成。14.根据权利要求8所述的力传感器,其中所述基底具有凹槽,用以将机械应变集中到一个或多个中心弯曲部分上。
【文档编号】G01L1/18GK105934661SQ201580004398
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2015年1月13日
【发明人】A·布罗施, R·戴斯特儿霍斯特, S·纳斯里
【申请人】触控解决方案股份有限公司
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1