【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及微机电系统和封装，特别是关于一种mems多维力传感器的封装结构及封装方法。
技术介绍
0、技术背景
1、以笛卡尔坐标系为基准，多维力传感器可以测量施加于其上的多个轴向(x，y，z)的力或扭矩，并输出所测量力或扭矩的电学信号。目前广泛应用的多维力传感器是机械式多维力传感器和mems多维力传感器。机械式多维力传感器是一种传统的且目前广泛应用的力传感器，主要通过在应变体上粘贴多个金属应变电阻构成，一般采用铜镍或镍铬合金作为力敏电阻粘贴在应变体上，当传感器被施加外力时，力传感器内的应变体会产生形变，使得粘贴在其上的金属应变电阻也一起伸缩，随着金属材料的变长或缩短，其阻值也会产生相应的变化。机械式多维力传感器在产生形变时产生相应的电阻值改变，通过合理的设计就能转换为电信号来检测多维的力和扭矩。尽管机械式多维力传感器的可靠性较高、量程范围大，但其分辨率很低、灵敏度很低、精度低、延迟大、成本高，特别是其制备会受限于贴片工艺，多维的机械式力传感器通常只能通过单轴的应变片组装而成，尺寸都比较大，价格昂贵，限制了其在高精度、微型化领域的应用。
2、基于mems技术的力传感器是在力作用下产生应变的器件，可以利用压阻型转换元件来测量这种形变，也可以通过压电式、电容式、光电式感测应变结构的变化量来进行测量，其中，压阻式力传感器应用最为普遍。压阻式力传感器的力敏转换元件集成在应变结构中，外部负载作用下产生的应力导致力敏元件阻值的变化，通过惠斯通电桥的方式将力敏电阻的变化量转化为电压信号来检测力或扭矩的信息。压阻式力传感
3、压阻式mems多维力传感器由应变体、力接触界面和作为敏感元件的力敏电阻组成。应变体是通过刻蚀衬底材料从而获得一定厚度的膜、梁等结构得到，应变体的厚度决定了测量灵敏度。力接触界面传递外力到芯片的应变体上。限制于应变体的尺寸，mems多维力传感器的应变体易于断裂，导致其量程和过载均较小，限制了mems多维力传感器的应用范围。解决mems多维力传感器的量程和过载问题可为其广泛应用奠定坚实的基础。
技术实现思路
1、本专利技术为保证mems多维力传感器的测量精度、低耦合、高线性度，以及量程小和过载问题，提出一种可以扩大量程和过载保护的mems多维力传感器封装技术。利用该技术封装后的mems多维力传感器在保证测量高精度、高线性度、低耦合、高响应速度、低成本等优势的同时，有效弥补其量程小、抗过载能力差的问题，利用本专利技术技术封装后的mems多维力传感器有望在机器人和高精度自动控制等领域得到广泛应用。
2、基于上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：
3、本专利技术提供了一种mems多维力传感器的扩大量程、过载保护的封装结构，该封装结构包括mems多维力传感器芯片、封装帽、封装管座。所述mems多维力传感器芯片固定在封装管座上，所述封装帽盖在封装管座上。mems多维力传感器芯片包括芯片应变体、芯片力接触界面、支撑应变体的框架以及敏感元件，所述芯片力接触界面设置在芯片应变体的上表面正中心位置，所述敏感元件嵌入于芯片应变体。所述封装帽包括帽应变体、帽受力体、力传递柱和支撑帽应变体的框架，所述帽应变体的上表面正中心区域连接着帽受力体，帽应变体的下表面正中心区域连接着力传递柱，所述力传递柱与芯片力接触界面之间通过金属共晶键合或者粘接或者焊锡连接。所述封装帽用于承接外界的力、扭矩，所述封装管座作为力传感器芯片的固定端，所述多维力传感器芯片用于输出所测量力和扭矩的电学信号。封装帽通过力传递柱将多维力传递到芯片的力接触界面，从而带动芯片应变体形变，敏感元件将应变体的应力或应变转换为电信号输出。具体来说：
4、所述的mems多维力传感器芯片由芯片应变体、芯片力接触界面、支撑应变体的框架、以及敏感元件组成。芯片应变体四周为支撑框架所支撑，芯片应变体的上表面正中心区域为芯片力接触界面，敏感元件嵌入于芯片应变体。所述芯片应变体可以是膜片式、双支梁、悬臂梁、十字梁、米字梁。所述芯片力接触界面的面积小于应变体的面积，形状为正方形、圆形、矩形等。当外界多维力作用于芯片力接触界面时，将会带动应变体产生形变。所述支撑框架用于支撑应变体，为内外壁为方形、圆形、多边形等形状的带有通孔或空腔的结构。所述敏感元件可以是压阻式、电容式、电感式、压电式等元件，位于应变体应力集中的位置，当应变体产生发生形变时，敏感元件将应变体的应力或应变转换为电信号输出。
5、所述的封装帽由帽应变体、帽受力体、力传递柱、支撑帽应变体的框架组成。帽应变体四周为支撑框架所支撑，帽应变体的上表面正中心区域连接着帽受力体，帽应变体的下表面正中心区域连接着力传递柱。帽应变体可以是对称的方形、圆形、多边形膜片式及其他们的拓扑结构。帽受力体可以是方形、圆形、多边形等形状，面积小于帽应变体。力传递柱的截面形状可以是方形、圆形、多边形等形状，与芯片力接触界面的形状一致，力传递柱的截面面积等于芯片力接触界面的面积，所述力传递柱也可以独立于封装帽结构制备，在连接在一起。力传递柱与芯片力接触界面相连接，力传递柱将封装帽受到的外界多维力传递到芯片的力接触界面，力传递柱可以和封装帽一体制备，也可以单独制备。根据应用要求，选择不同封装帽材料和形状，封装帽的材料可以是金属、陶瓷、塑料、树脂、pdms、pmma等形变线性度好的材料。封装帽可以采用各种高精度加工方法制备，包括但不限于微电子微机械加工、高精度3d打印、注塑、金属锻造、pdms倒模方法，保证多维力传感器高精度和低耦合。
6、所述封装帽上的力传递柱与芯片之间可以采用键合、粘接、焊接等方式进行封接。所述芯片力接触界面与力传递柱之间可以具有插接结构，芯片力接触界面的部分区域可以相对芯片应变体凸起，也可以相对芯片应变体凹进，相对芯片应变体凸起的芯片力接触界面，力传递柱截面的部分相应区域是凹陷的，而对于相对芯片应变体凹进的芯片力接触界面，力传递柱截面的部分相应区域是凸起的，以实现芯片力接触界面与力传递柱的精确对准，减小轴间耦合。多维力传感器芯片力接触界面与封装帽上的力传递柱之间进行连接时，需限制粘接剂或焊料的流动范围。当采用粘接的方式时，可以采用点胶机精确控制粘接剂的量，以避免粘接剂量过多或过少造成应力分布变化从而导致轴间输出耦合、输出非线性等。当采用焊接的形式时，需要在芯片的力接触界面制备金属粘附层，以提高力接触界面和焊料的粘附性，然后采用smt回流焊形成封接，当焊料在金属焊盘上流动时，由于表面张力作用，焊料被限定在金属粘附层区域，避免了焊料超出金属粘附层区域从而导致输出耦合和非线性。当采用键合工艺时，接触面也需要制备出相应的共晶材料，可以采用微电子制备工艺制备，保证接触面的高精度，以降低传感器的输出耦合和非线性。此外，芯片力接本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种MEMS多维力传感器封装结构，其特征在于，包括MEMS多维力传感器芯片、封装帽和封装管座。所述MEMS多维力传感器芯片固定在封装管座上，所述封装帽盖在封装管座上。MEMS多维力传感器芯片包括芯片应变体、芯片力接触界面、支撑应变体的框架以及敏感元件，所述芯片力接触界面设置在芯片应变体的上表面正中心位置，结构高于或者低于芯片应变体，或者与芯片应变体在同一个平面上，所述敏感元件嵌入于芯片应变体中。所述封装帽包括帽应变体、帽受力体、力传递柱和支撑帽应变体的框架，所述帽应变体的上表面正中心区域连接帽受力体，帽应变体的下表面正中心区域连接力传递柱，所述力传递柱与芯片力接触界面之间通过金属共晶键合或者粘接或者焊锡连接，所述封装管座用于固定力传感器芯片，并引出传感器信号，在封装管座上对应芯片应变体的下方中心设计凸起的结构，防止MEMS多维力传感器芯片过载损坏，所述封装帽的受力体用于承接外界的力和扭矩，通过力传递柱将多维力传递给多维力传感器芯片，多维力传感芯片以电学信号输出形式测量传感器所受的力和扭矩。
2.如权利要求1所述的MEMS多维力传感器封装结构，其特征在于，所述芯片应
3.如权利要求1所述的MEMS多维力传感器封装结构，其特征在于，所述帽应变体是对称的方形、圆形、多边形膜片式及其他们的拓扑结构；帽受力体是方形、圆形、多边形形状；力传递柱的截面形状是方形、圆形、多边形形状，与芯片力接触界面的形状一致，使得其便于连接至芯片力接触界面上。
4.如权利要求1所述的MEMS多维力传感器封装结构，其特征在于，封装帽的材料是金属、陶瓷、塑料、树脂、PDMS、PMMA等形变线性度好的材料，使多维力传感器具有很好的线性度。所述封装帽采用各种高精度加工方法制备，包括但不限于微电子微机械加工、高精度3D打印、注塑、金属锻造、PDMS倒模方法，保证多维力传感器高精度和低耦合。
5.如权利要求1所述的MEMS多维力传感器封装结构，其特征在于，所述封装帽上的力传递柱与多维力传感器芯片之间采用键合、粘接、焊接等方式进行连接。所述多维力传感器芯片的力接触界面与力传递柱之间采用插接方式对准，多维力传感器芯片的力接触界面相对芯片应变体凸起，或相对芯片应变体凹进，保证多维力传感器芯片力接触界面与封装帽上的力传递柱精确对准，减小轴间耦合。多维力传感器芯片力接触界面与封装帽上的力传递柱之间进一步通过共晶键合、粘接、焊接等方式进行连接，但需限制粘接剂或焊料的流动范围。
6.如权利要求1所述的MEMS多维力传感器封装结构，其特征在于，所述封装管座上表面设计有过载保护块，过载保护块位于多维力传感器芯片应变体的中心，过载保护块的高度高于封装管座，与传感器芯片应变体下表面保持一定距离，过载保护块上表面与芯片应变体下表面的距离应是2-3倍最大量程下应变体位移的距离。
7.如权利要求6所述的MEMS多维力传感器封装结构，其特征在于，所述封装管座的材料是金属、陶瓷、塑料、FR4，所述过载保护块是方形、圆形、多边形形状。所述封装管座的类型是QFN、COB、DIP、PLCC、PGA、BGA、QFP、TSOP。
8.如权利要求5所述的MEMS多维力传感器封装结构，其特征在于，在所述封装管座上的芯片区域设计凹进或者凸起标记，使封装管座与多维力传感器芯片之间对准固定，以提高对准精度和可靠性。
9.如权利要求1所述的MEMS多维力传感器封装结构，其特征在于，所述封装帽与封装管座之间形成的空腔是空气或者填充聚合物弹性材料，以调整多维力传感器的量程。
10.一种MEMS多维力传感器的封装方法，其步骤包括：
11.如权利要求10所述的封装方法，其特征在于，进行多重封装，即在第一次封装的封装帽上进行第二次封装，第二次封装的力传递柱连接在第一次封装的封装帽的受力体上。
...【技术特征摘要】
1.一种mems多维力传感器封装结构，其特征在于，包括mems多维力传感器芯片、封装帽和封装管座。所述mems多维力传感器芯片固定在封装管座上，所述封装帽盖在封装管座上。mems多维力传感器芯片包括芯片应变体、芯片力接触界面、支撑应变体的框架以及敏感元件，所述芯片力接触界面设置在芯片应变体的上表面正中心位置，结构高于或者低于芯片应变体，或者与芯片应变体在同一个平面上，所述敏感元件嵌入于芯片应变体中。所述封装帽包括帽应变体、帽受力体、力传递柱和支撑帽应变体的框架，所述帽应变体的上表面正中心区域连接帽受力体，帽应变体的下表面正中心区域连接力传递柱，所述力传递柱与芯片力接触界面之间通过金属共晶键合或者粘接或者焊锡连接，所述封装管座用于固定力传感器芯片，并引出传感器信号，在封装管座上对应芯片应变体的下方中心设计凸起的结构，防止mems多维力传感器芯片过载损坏，所述封装帽的受力体用于承接外界的力和扭矩，通过力传递柱将多维力传递给多维力传感器芯片，多维力传感芯片以电学信号输出形式测量传感器所受的力和扭矩。
2.如权利要求1所述的mems多维力传感器封装结构，其特征在于，所述芯片应变体是膜片式、双支梁、悬臂梁、十字梁、米字梁；所述芯片力接触界面位于芯片应变体中心，形状为正方形、圆形、矩形等；所述支撑应变体的框架为内外壁为方形、圆形或多边形的带有通孔或空腔的结构，所述敏感元件是压阻式、电容式、电感式或压电式元件，位于应变体应力集中的位置，当力接触界面承接力传递柱的外力和扭矩时，使应变体产生发生形变，敏感元件将应变体的应变转换为电信号输出。
3.如权利要求1所述的mems多维力传感器封装结构，其特征在于，所述帽应变体是对称的方形、圆形、多边形膜片式及其他们的拓扑结构；帽受力体是方形、圆形、多边形形状；力传递柱的截面形状是方形、圆形、多边形形状，与芯片力接触界面的形状一致，使得其便于连接至芯片力接触界面上。
4.如权利要求1所述的mems多维力传感器封装结构，其特征在于，封装帽的材料是金属、陶瓷、塑料、树脂、pdms、pmma等形变线性度好的材料，使多维力传感器具有很...
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