一种力传感器芯片及其制备方法与流程

：本发明属于微电子传感器，涉及一种力传感器芯片及其制备方法。

背景技术

0、
背景技术：

1、健康是人类永恒的话题。随着科学技术的发展，人们对自身健康程度的关注逐渐增加，利用可穿戴监测技术获取的健康数据也日益增长。传感器是可穿戴技术的核心，通常通过不同的方式将传感器、电池、天线、发光二极管等与柔性衬底相结合实现信号的监测。与传统的刚性硅基器件相比，柔性压力传感器可以承受各种变形，如拉伸、压缩、弯折和扭曲等，是柔性电子器件家族中不可或缺的一部分，而连续生命体征监测是柔性压力传感器的一个有吸引力的应用。与传统的医疗保健设备只能提供人体生理状态的快照不同，柔性传感器可以附着在人体上，通过捕捉不同的生理参数，如心率、血压和脉搏等，实时监测生理异常，进行早期检测和诊断，为保护人体健康提供更安全、更舒适的方式。

2、随着新材料、新工艺的不断更新，对柔性传感的研究也十分活跃，无论是基于基底材料的理论研究还是基于柔性传感的应用研究，都涌现了丰硕的学术成果，不论是柔性压力传感器采集信号灵敏度，或是对人体脉搏以及心率等生理信号的测量精度均不亚于传统医疗级设备，因此，柔性传感技术在健康监测领域具有非常广阔的应用前景。

3、尤其在血压健康监测领域，通过脉搏波信号的实时监测以获得医疗级精度的血压值，是柔性传感技术能否在血压监测市场实现产品化的关键技术难点。目前主要采用胶作为脉搏信号传导介质，但该介质在信号传递过程中易造成信号衰减或失真，且受环境影响较大，长期反复使用其性能易发生变化，导致采集到的信号无法反应人体生理特性的真实性和完整性。综合来看，随着物联网技术的快速发展，市场对可穿戴电子产品的便携性、舒适性和准确性提出更高的要求。目前现有的测量方式无法同时满足这些要求。因此，一种力传感器的设计及制备在解决现有问题的基础上，进一步提升了可穿戴电子产品的市场应用范围。

技术实现思路

0、
技术实现要素：

1、本发明的目的是为mems力敏感区提供一种力传导机制，通过柔性板和金属球将力传导至mems力敏感区，使其感应外界力的变化，具有成本低、响应快、灵敏度高和重复性好的特点。

2、本发明的技术解决方案：一种力传感器芯片，包括mems力感应芯片、开口封外壳、金属球和柔性电路板；其中mems力感应芯片内置于开口封外壳内，力敏感区外露于开口位置，开口封外壳底部带有引脚pad，mems力感应芯片与外壳底部引脚pad通过金丝连接；柔性电路板上分布有弹簧结构和焊盘，其中弹簧结构包含3条或多条矩形粱，焊盘位于柔性电路板中心位置，与弹簧结构相连接；金属球通过焊锡与焊盘连接。未施加外力时，金属球与mems力敏感区呈未接触状态，当施加外力时，柔性电路板弹簧结构拉伸，中心焊盘带动金属球发生位移变化，金属球与mems力敏感区接触引起敏感区内电阻发生变化，最终导致输出电压的变化，外力的大小与敏感区电阻的变化呈线性关系。当外力撤离，弹簧结构收缩，中心焊盘带动金属球回到初始位置，保持金属球与敏感区呈未接触状态。

3、所述柔性电路板，其整体结构尺寸与开口封外壳尺寸一致。

4、所述柔性电路板上分布的弹簧结构和焊盘，整体呈圆周型，圆周尺寸大小由开口封尺寸决定。

5、所述弹簧结构，由3条及以上矩形粱构成，其中矩形数量和粱的宽度的设定，根据开口封结构的开口深度、金属球密度和直径，以及力的应用范围综合考量，通过仿真计算确定。

6、所述焊盘大小，根据金属球尺寸确定。

7、所述金属球，选用易与焊锡焊接的材质，一般可选铜或碳钢材质。

8、所述柔性电路板与开口封外壳，通过胶粘合。

9、所述一种力传感器芯片，根据应用场景需求可设置一个或多个阵列式结构，采集多路信号。

10、本发明的一种力传感器芯片，以柔性弹簧结构和金属球为力传导介质，外力通过该组合结构将力传导至mems力感应芯片敏感区域，mems力感应芯片将应力变化转换为电压信号。

11、本发明的另一个目的是提供力传感器芯片的制备方法。一种力传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：

12、1.mems力感应芯片内置于开口封外壳内，力敏感区外露于开口位置；

13、2.设计柔性电路板，整体尺寸依据开口封外壳尺寸，确保器件对准；

14、3.根据开口封直径和高度尺寸，并结合被测力范围，仿真计算弹簧结构所用矩形梁数量及粱的宽度；

15、4.设计焊盘尺寸，加工制备柔性电路板；

16、5.选择金属球材质，将金属球焊接至焊盘上；

17、6.将柔性电路板倒装至开口封外壳，弹簧结构正向对准开口封开口位置；

18、7.外围涂敷胶，粘合，固化。

19、本发明的一种力传感器芯片，选用弹簧结构和金属球组合作为力传递介质，将被测力通过弹簧结构和金属球组合实时传递至mems力感应芯片敏感区，通过电压信号实时反应外力变化。这种力传递方式，既保护了mems力感应芯片的金丝焊线，又将外力通过金属球刚性传递保证了信号的完整性和实时性，同时柔性电路板弹簧结构的设计提高了与皮肤直接接触的舒适性，提升了可穿戴电子产品的适用性。在保证用户舒适性地基础上，提升了监测信号地测试精度。

技术特征：

1.一种力传感器芯片，其特征在于，包括mems力感应芯片、开口封外壳、金属球和柔性电路板；其中mems力感应芯片内置于开口封外壳内，力敏感区外露于开口位置；柔性电路板上分布有弹簧结构和焊盘，焊盘位于柔性电路板中心位置，与弹簧结构相连接；金属球通过焊锡与焊盘连接；

2.根据权利要求1所述的一种力传感器芯片，其特征在于，所述柔性电路板整体结构尺寸与开口封外壳尺寸一致。

3.根据权利要求1所述的一种力传感器芯片，其特征在于，所述柔性电路板上的弹簧结构和焊盘部分，整体呈圆周型，圆周尺寸大小由开口封外壳开口尺寸决定。

4.根据权利要求1所述的一种力传感器芯片，其特征在于，所述弹簧结构由大于等于3条的矩形粱构成，其中矩形数量和粱的宽度的设定，根据开口封外壳的开口深度、金属球密度和直径，以及力的应用范围综合考量，通过仿真计算确定。

5.根据权利要求1所述的一种力传感器芯片，其特征在于，所述焊盘大小根据金属球尺寸确定。

6.根据权利要求1所述的一种力传感器芯片，其特征在于，所述金属球选用易与焊锡焊接的铜或碳钢材质。

7.根据权利要求1所述的一种力传感器芯片，其特征在于，所述力传感器芯片根据应用场景需求设置一个或多个阵列式结构，采集多路信号。

8.一种力传感器芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明提供了一种力传感器，包括MEMS力感应芯片、开口封外壳、金属球和柔性电路板；其中MEMS力感应芯片内置于开口封外壳内，力敏感区外露于开口位置；柔性电路板上分布有弹簧结构和焊盘，焊盘位于柔性电路板中心位置，与弹簧结构相连接；金属球通过焊锡与焊盘连接。施加外力时，柔性电路板弹簧结构拉伸，中心焊盘带动金属球发生位移变化，金属球与MEMS力敏感区接触引起敏感区内电阻发生变化，最终导致输出电压的变化。采用柔性弹簧结构加金属球组合的方式实现力的传导，避免了上述情况的发生，最重要地，在保证用户舒适性地基础上，提升了监测信号地测试精度。

技术研发人员：周浩楠,赵晓东,李宋,张亚婷
受保护的技术使用者：北京智芯传感科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29