微型强化圆片级MEMS力传感器制造技术

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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本申请要求2014年1月13日提交的美国临时申请No.61/926,472、2014年2月8日提交的美国临时申请No.61/937,509以及2014年5月29日提交的美国临时申请No.62/004,264的权益。
本专利技术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。
技术介绍
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。因此，相关
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。
技术实现思路
本专利技术涉及一种微机电(“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。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。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。附图说明通过参考附图进行的详细描述，本专利技术的优选实施例的上述和其他特征将更加显而易见，其中：图1为MEMS力传感器的等轴视图。图2为MEMS力传感器的顶视图。图3为MEMS力传感器的侧视图。图4为MEMS力传感器的底视图。图5为包括MEMS力传感器的2×2阵列的圆片部分的顶视图。图6为具有加工顶盖的MEMS力传感器的等轴视图。图7为具有加工顶盖的MEMS力传感器的顶视图。图8为具有保持壁的MEMS力传感器的等轴视图。图9为具有保持壁的MEMS力传感器的顶视图。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。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。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。图13为根据另一个示例性实施例的MEMS力传感器的顶视图。图14为根据另一个示例性实施例的MEMS力传感器的侧视图。图15为根据另一个示例性实施例的MEMS力传感器的底视图。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专利技术。然而，在公开和描述本专利技术的设备、系统和/或方法之前，应当理解，除非另外指明，否则本专利技术不限于本专利技术所公开的特定设备、系统和/或方法，同样地本专利技术当然可以是变化的。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。本专利技术的以下描述作为本专利技术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，可对本文所述的本专利技术的各个方面作出多种改变，同时仍能获得本专利技术的有益效果。还将显而易见的是，本专利技术的期望有益效果中的一些可通过选择本专利技术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，本专利技术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，并且是本专利技术的组成部分。因此，以下描述作为对本专利技术原理的例示提供，并非旨在对其进行限制。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。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。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。本专利技术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。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。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。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2×2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。本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.01.13 US 61/926,472;2014.02.08 US 61/937,509;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...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·布罗施，R·戴斯特儿霍斯特，S·纳斯里，
申请(专利权)人：触控解决方案股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US