集成数字力传感器和相关制造方法技术

本文描述了一种加固型晶片级微机电(“MEMS”)力传感器，其包括基部和盖。MEMS力传感器包括柔性膜和感测元件。感测元件电连接到设置在与感测元件相同的衬底上的集成互补金属氧化物半导体(“CMOS”)电路。CMOS电路可被配置成通过电端子将力值放大、数字化、校准、存储和/或传送到外部电路。

Integrated digital force sensor and related manufacturing methods

In this paper, a kind of reinforced MEMS force sensor is described, which includes base and cover. MEMS force sensor includes flexible membrane and sensing element. The sensing element is electrically connected to an integrated complementary metal oxide semiconductor (\CMOS\) circuit disposed on the same substrate as the sensing element. CMOS circuits may be configured to amplify, digitize, calibrate, store, and / or transmit force values to external circuits via electrical terminals.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】集成数字力传感器和相关制造方法相关申请的交叉引用本申请要求2017年2月9日提交的名称为“集成数字力传感器(INTEGRATEDDIGITALFORCESENSOR)”的美国临时专利申请第62/456,699号和2017年3月9日提交的名称为“固态机械开关(SOLIDSTATEMECHANICALSWITCH)”的美国临时专利申请第62/469,094号的权益，所述临时专利申请的公开内容以全文引用的方式明确并入本文中。
本公开涉及微机电(“MEMS”)力感测管芯、MEMS开关和相关制造方法。MEMS力感测管芯和/或MEMS开关可用于将力转换成数字输出码。
技术介绍
当前技术的MEMS力管芯基于将所施加的力链接到具有应变计的感测隔膜，所述应变计位于两个或更多个堆叠硅或玻璃管芯的表面上。引线键合焊盘围绕感测隔膜定位并且所得结构被封装，这使得装置相比更现代的芯片级封装传感器和电子器件相对较大。此外，当前MEMS力管芯产生模拟输出，所述模拟输出在转换为数字信号之前通常必须通过经常嘈杂的电气环境传送。当前机电开关主要由变形以完成电路的导电穹顶结构组成。这些开关在其耐久性方面受到限制，原因是导电材料(通常是金属)会随时间推移而磨损。这些开关也不能被配置成用于多级致动，随着软件应用的复杂性增加并且需要来自用于控制它们的用户界面的更多通用性，因此更加期望开关能用于多级致动。因此，在相关领域中需要一种小型低成本数字力传感器。
技术实现思路
本文描述了一种包括多个感测元件和定位在力传感器管芯的表面上的数字电路的MEMS力传感器。每个感测元件可以包括弯曲部和感测元件(例如，压阻式应变计)。在一种实施方式中，可以采用四个感测元件，但也可以使用更多或更少的感测元件。在标准互补金属氧化物半导体(“CMOS”)过程中MEMS的包括允许传感器将其模拟输出转换成数字码，并传输数字码，而不会由于电噪声而损失信号完整性。本文中所描述的MEMS力传感器可通过将盖晶片(capwafer)结合到具有感测元件(例如，压阻式应变计)和CMOS功率、处理和通信电路两者的基础晶片(例如，力传感器管芯)来制造。可以通过在基础晶片的顶侧上蚀刻弯曲部来形成感测元件。基础晶片与盖晶片之间的结合可以包括由在基础晶片顶部上和/或盖晶片底部上雕刻的突起产生的间隙。间隙可被设计成限制盖晶片的位移，以便为MEMS力传感器提供力过载保护。基础晶片的突起和外壁在施加力时偏转，使感测元件发生应变，并产生模拟输出信号。模拟输出信号可以被数字化并存储在CMOS电路的片上寄存器中，直到主机装置请求。本文还描述了一种晶片级MEMS机械开关，其包括基部和盖。机械开关采用至少一个感测元件。所述至少一个感测元件电连接到相同衬底上的集成CMOS电路。CMOS电路可放大、数字化和校准力值，所述力值与可编程力阈值进行比较以调制数字输出。本文还描述了一种包括定位在开关管芯的表面上的多个感测元件的MEMS开关。在一种实施方式中，可以采用四个感测元件，但也可以使用更多或更少的感测元件。感测元件可以使其模拟输出数字化并且与多个编程的力水平比较，从而输出数字码以指示开关的当前状态。MEMS开关可被制成紧凑式的以仅需要少数输入/输出(“I/O”)端子。装置的输出可被配置成指示2N个输入力水平，其中N是输出端子的数量，其可由用户编程。此外，装置的响应可以选择性地被过滤，使得仅测量动态力。所得装置是一个完全可配置的多级动态数字开关。本文中描述了示例性MEMS力传感器。MEMS力传感器可包括被配置成接收所施加力的传感器管芯。传感器管芯具有顶表面和与其相对的底表面。MEMS力传感器还可包括布置在传感器管芯的底表面上的感测元件和数字电路。感测元件可以被配置成将传感器管芯的底表面上的应变转换成与应变成比例的模拟电信号。另外，数字电路可以被配置成将模拟电信号转换成数字电输出信号。另外，感测元件可以是压阻式、压电式或电容式换能器。替代地或另外，MEMS力传感器还可包括布置在传感器管芯的底表面上的多个电端子。由数字电路产生的数字电输出信号可以被传送到电端子。例如，所述电端子可以是焊料凸块或铜柱。替代地或者另外，MEMS力传感器可还包括附接到传感器管芯的盖。盖可在由传感器管芯的外壁限定的表面处结合到传感器管芯。另外，密封腔可形成于盖与传感器管芯之间。替代地或者另外，传感器管芯可包括形成于其中的弯曲部。弯曲部可将所施加的力转换成传感器管芯的底表面上的应变。任选地，弯曲部可通过蚀刻形成于传感器管芯中。感测元件布置在弯曲部上。替代地或者另外，间隙可布置在传感器管芯与盖之间。间隙可以被配置成在施加所施加的力时变窄，使得弯曲部不能变形超过其断裂点。替代地或者另外，数字电路还可以被配置成基于多个预定力阈值提供数字输出码。本文中描述了用于制造MEMS力传感器的示例性方法。所述方法可包括在力传感器管芯的表面上形成至少一个感测元件，并在力传感器管芯的表面上形成互补金属氧化物半导体(“CMOS”)电路。至少一个感测元件可以配置有与下游CMOS过程兼容的特性。替代地或者另外，至少一个感测元件可以在形成CMOS电路之前形成。替代地或者另外，所述特性可以是至少一个感测元件的热退火分布。替代地或者另外，所述方法还可包括蚀刻力传感器管芯的相对表面以形成过载间隙，蚀刻力传感器管芯的相对表面以形成沟道，以及将盖晶片结合到力传感器管芯的相对表面以密封盖晶片与力传感器管芯之间的腔。腔可由沟道限定。替代地或者另外，所述方法还可包括在力传感器管芯的相对表面上形成多个电端子。替代地或者另外，力传感器管芯可以由p型或n型硅制成。替代地或者另外，可以使用注入过程或沉积过程形成至少一个感测元件。替代地或者另外，CMOS电路可以被配置成对由至少一个感测元件产生的模拟电输出信号进行放大和数字化。替代地或者另外，沟道可以被构造成当力施加到MEMS力传感器时增加至少一个感测元件上的应变。替代地或者另外，过载间隙的深度可被配置成为MEMS力传感器提供过载保护。替代地或者另外，电端子可以是焊料凸块或铜柱。本文还描述了示例性MEMS开关。MEMS开关可包括被配置成接收所施加的力的传感器管芯。传感器管芯具有顶表面和与其相对的底表面。MEMS开关还可包括布置在传感器管芯的底表面上的感测元件和数字电路。感测元件可以被配置成将传感器管芯的底表面上的应变转换成与应变成比例的模拟电信号。另外，数字电路可以被配置成将模拟电信号转换成数字信号，并且基于多个预定力阈值提供数字输出码。替代地或者另外，数字电路还可以被配置成将数字信号与预定力阈值进行比较。可选地，预定力阈值是相对于基线的。替代地或者另外，数字电路还可被配置成以预定频率更新基线。例如，可以通过将数字信号与自动校准阈值进行比较来更新基线。在研究以下图式和详细描述时，其它系统、方法、特征和/或优点对于本领域技术人员而言将是或者可变得显而易见的。旨在将本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微机电(“MEMS”)力传感器，包括：/n传感器管芯，所述传感器管芯被配置成接收所施加的力，其中，所述传感器管芯包括顶表面和与其相对的底表面；/n感测元件，所述感测元件布置在所述传感器管芯的底表面上，其中，所述感测元件被配置成将所述传感器管芯的底表面上的应变转换成与所述应变成比例的模拟电信号，和/n数字电路，所述数字电路布置在所述传感器管芯的底表面上，其中，所述数字电路被配置成将所述模拟电信号转换成数字电输出信号。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170209 US 62/456,699;20170309 US 62/469,0941.一种微机电(“MEMS”)力传感器，包括：
传感器管芯，所述传感器管芯被配置成接收所施加的力，其中，所述传感器管芯包括顶表面和与其相对的底表面；
感测元件，所述感测元件布置在所述传感器管芯的底表面上，其中，所述感测元件被配置成将所述传感器管芯的底表面上的应变转换成与所述应变成比例的模拟电信号，和
数字电路，所述数字电路布置在所述传感器管芯的底表面上，其中，所述数字电路被配置成将所述模拟电信号转换成数字电输出信号。


2.根据权利要求1所述的MEMS力传感器，其中，所述感测元件包括压阻式、压电式或电容式换能器。


3.根据权利要求1或权利要求2中任一项所述的MEMS力传感器，还包括布置在所述传感器管芯的底表面上的多个电端子，其中，由所述数字电路产生的数字电输出信号被传送到所述电端子。


4.根据权利要求3所述的MEMS力传感器，其中，所述电端子包括焊料凸块或铜柱。


5.根据权利要求1-4中任一项所述的MEMS力传感器，还包括盖，所述盖在由所述传感器管芯的外壁限定的表面处附接到所述传感器管芯，其中，在所述盖与所述传感器管芯之间形成密封腔。


6.根据权利要求5所述的MEMS力传感器，其中，所述传感器管芯包括形成在其中的弯曲部，并且其中，所述弯曲部将所施加的力转换成所述传感器管芯的底表面上的应变。


7.根据权利要求6所述的MEMS力传感器，其中，所述弯曲部通过蚀刻形成在所述传感器管芯中。


8.根据权利要求5-7中任一项所述的MEMS力传感器，其中，间隙布置在所述传感器管芯与所述盖之间，并且其中，所述间隙被配置成在施加所施加的力时变窄，使得所述弯曲部不能变形超过其断裂点。


9.根据权利要求1-8中任一项所述的MEMS力传感器，其中，所述数字电路还被配置成基于多个预定力阈值提供数字输出码。


10.一种用于制造微机电(“MEMS”)力传感器的方法，所述方法包括：
在力传感器管芯的表面上形成至少一个感测元件，其中，所述至少一个感测元件配置有与下游互补金属氧化物半导体(“CMOS”)工艺兼容的特性，以及
在所述力传感器管芯的表面上形成CMOS电路。


11.根据权利要求10所述的方法，其中，在形成所述CMOS电路之前形成所述至少一个感测元件。


12.根据权利要求10或权利要求11中任一项所述的方法，其中，所述特性是所述至少一个感测元件的热退火分布。


13.根据权利要求10-12中任一项所述的方法，还包括：
蚀刻所述力传感器管芯的相对表面以形成过载间隙；
蚀刻所述力传感器管芯的相对表面以形成沟道；以及
将盖晶片结合到所述力传感器管芯的相对表面以密封所述盖晶片与所述力传感器管芯之间的腔，其中，所述腔由所述沟道限定。


14.根据权利要求13所述的方法，还包括在所述力传感器管芯的相对表面上形成多个电端子。


15.根据权利要求10-14中任一项所述的方法，其中，所述力传感器管芯包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·富吉，R·戴斯特儿霍斯特，D·本杰明，J·M·蔡，M·杜威可，
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