力输入控制器件及其制造制造技术

本发明专利技术是一种用于感受向量力并将其转换成用于在电子信号处理系统中进行处理的电子信号的力输入控制器件，芯片内的所有元件都用单个半导体基片来制造。这种芯片具有：弹性元件；围绕所述弹性元件的框架；定位在弹性元件上的至少三个机械应力敏感IC元件；刚性支柱，该刚性支柱可把外部向量力传递到弹性元件进而传递到各IC元件，而各IC元件产生输出电信号，刚性支柱的高度高出框架元件的厚度；外部力传递元件，把刚性支柱与外力关联起来；以及用于处理来自机械应力敏感IC元件的输出信号的电子线路。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总地涉及半导体器件、微电子机械系统(MEMS)、传感器，更具体地说，涉及与信号处理电子电路集成在同一个基片上的三维三轴力传感器。特别是，涉及用于消费产品和其它用途的三轴手指力传感器、手指鼠标和微动操纵杆。
技术介绍
用带有在柔性膜片上的应力敏感元件的微加工的硅片制成的三维力传感器是已 知的。图I中所示的已有技术采用一个由芯片(die)的刚性框架12和刚性的中心部分16构成的传感器芯片10，中心部分、即凸部由一个较薄的膜片14连接于框架12。一个外部施加的力可被传递到刚性支柱16，该支柱的挠变可使弹性的膜片14内产生变形和应力，而达到应力敏感IC元件18、20、22所在的位置。由于刚性的支柱16是位于芯片10的厚度尺寸之内，以及圆的膜片的宽度很小且处于不到一毫米的范围内，很难在横向的X和Y方向对刚性支柱16施加外力来得到良好的响应，因此已有技术的这种应用不能适用于许多消费产品和人机界面。为了解决这个不足，把一个刚性的力传递元件31添加于芯片10和支柱16的结构。用一个居间层33把这个刚性的力传递元件31牢固地联接于传感器芯片10的刚性支柱16。刚性支柱的高度延伸到芯片框架的厚度以上可增强传感器对在所有正交的方向施加的向量力的灵敏度。力的那些分量被传递到传感器芯片的刚性支柱，继而传递到弹性部件和敏感IC元件。但是，这种解决办法的缺点是，需要用作刚性的力传递元件的附加晶片，需要进行附加的微加工，需要把两个晶片对准和结合起来，还需要更复杂的过程来把芯片分离于晶片，以及通常还需要成本更高的制造过程。人们所需要的是这样一种器件，它能降低制造和生产成本，并能容易地与硅基片上更高密度的IC电路系统集成。
技术实现思路
本专利技术揭示一种用于感受向量力并将其转换成用于在电子信号处理系统中进行处理的电信号的力输入控制器件，传感器芯片内的所有部件都由单个半导体基片来制造。 典型的这种器件包括形成在半导体基片内的传感器芯片；在所述半导体基片内的弹性元件；形成为围绕着所述弹性元件并连接于完全在基片内的所述弹性元件的周缘的至少一部分的框架；定位在弹性元件中的至少三个机械应力敏感IC元件，其用于产生与各IC元件所在位置里的机械应力成比例的输出电信号；形成在基片内并联接于弹性元件的至少一个刚性支柱元件，该刚性支柱可把外部的向量力传递到弹性元件进而传递到各IC元件，而各IC元件可产生输出电信号，这个刚性支柱的高度大于框架的厚度减去弹性元件的厚度；至少一个把这种力传递元件与外力关联起来的弹簧元件；以及至少一个用于处理来自机械应力敏感IC元件的输出信号的电子线路。为了实现本专利技术的各不同的方面和优点，所有构成部分在设计和材料上都是可以改变的。揭示了几种制造方法，其中一种典型的方法包括以下步骤提供有第一侧面和第二侧面的半导体基片；在基片的第一侧面上制造应力敏感IC元件和信号处理IC ;在基片的第二侧面上制造闭合的沟槽，这些沟槽形成弹性元件、框架区域和刚性支柱的界线，用于芯片分离的沟槽；以及在框架区域处从基片的第二侧面除去附加的基片材料，使刚性支柱的尺寸从第二侧面突出并大于框架的余下的厚度尺寸减去弹性元件的厚度，留下的突出于基片的刚性支柱用于连接于外部力传递元件或用于接受任一和所有方向的机械力。在框架元件从第二侧面除去基片的一部分可采用选择性蚀刻来进行。 在芯片区域内在基片第二侧面上制造闭合的沟槽的一种改变的方案还包括在基片的第二侧面上沉积保护性掩盖层；用光刻(或称照相平版印刷)工艺限定刚性支柱、弹性元件、框架和划分芯片的沟槽的图形；从弹性元件和划分芯片的沟槽除去掩盖层并从基片的第二侧面在弹性元件和划分芯片的沟槽处将基片蚀刻到选择的厚度，这样就使闭合的划分芯片的沟槽为按照限定的图形分开芯片在基片中提供了形状和厚度轮廓，这样的制造过程耗用的基片较少且产生的废料也较少。附图说明图I表示出已有技术的一个三维力传感器芯片，其带有一个位于芯片的厚度尺寸内的力传递刚性支柱和一个连接于刚性支柱的顶部的附加的力传递元件；图2是本专利技术的一个实施例的力传感器芯片及其主要微结构元件的俯视和仰视立体图；图3表示出本专利技术的一个实施例的一种用在手持式器件里的具有不同功能的三维输入手指控制的原理，其中三维力传感器芯片连接于外部按钮，该外部按钮用于通过一个弹簧之类的元件施加力，以便使控制响应所施加的力或挠变达到所要求的灵敏度、范围和精度的组合；图4表示出本专利技术的一个实施例的扁平的矮型面手指力控制器件的例子，其是基于一个直接连接于力传感器芯片的弹性材料按钮；图5表不出本专利技术的一个实施例的扁平的手指力控制器件,其有一个直接连接于刚性力传递元件的弹性材料按钮，并包括一个触觉机械反馈机构，用以对感受被按压的按钮的点击(click)；图6表示出本专利技术的一个实施例的操纵杆型式的手指力控制器件的一个例子，其基于一个弹性材料突头体可弹回地变形的元件，该元件直接联接于一个刚性力传递元件，该刚性力传递元件可把力向量传递到安装在居间的基片芯片上的传感器芯片；图7表示出本专利技术的一个实施例的平头操纵杆型式的手指力控制器件的另一个例子，其中传感器芯片是直接安装于一个PCB (印刷电路板)；图8表示出本专利技术的一个实施例的可挠曲的平头手指力控制器件的一个例子，该器件包括一个可摇摆的弹性塑料按钮，该按钮直接联接于力传感器芯片的刚性力传递元件并且埋入一层塑料，其用作一个集成的按钮芯片；图9表示出本专利技术的一个实施例的可挠曲的平头手指力控制器件的另一个例子，该器件包括一个可摇摆的弹性塑料按钮，该按钮 直接联接于力传感器芯片的刚性力传递元件并包括一个在按钮表面上的触觉式机械反馈机构，用以响应按钮的按压动作发出的触觉机械反馈； 图10表示出本专利技术的一个实施例的手指力控制器件的一个例子，其基于弹性材料包封件，该包封件直接连接于刚性的力传递支柱并包括取决于不同设计的芯片的与不同按钮的连接结构；图11表示出本专利技术的一个实施例的扁平的手指力控制器件的一个例子，其带有一个附加的力传递元件和一个用于感受对被按压的按钮的点击的弹性壳；图12表示出本专利技术的一个实施例的可挠曲的平头手指力控制器件的另一个例子，该器件包括一个可摇摆的弹性塑料按钮，该按钮直接联接于一个附加的力传递元件，而该力传递元件有增大的对塑料按钮的结合力，并包括一个在按钮表面上的触觉式机械反馈机构，用以响应按钮的按压动作而发出触觉机械反馈；图13表示出本专利技术的一个实施例的制造工艺过程的一个例子，这种工艺过程基于先局部蚀刻出膜片，然后减薄芯片框架；图14表示出本专利技术的一个实施例的制造工艺过程的一个例子，这种工艺过程基于先把膜片局部蚀刻到一定深度，然后减薄芯片框架并同时地继续蚀刻膜片；图15表示出本专利技术的一个实施例的制造工艺过程的一个例子，这种工艺过程基于先对膜片进行局部蚀刻，然后在膜片区域上沉积一个掩盖层，以及然后通过蚀刻芯片来减薄框架；图16表示出本专利技术的一个实施例的制造工艺过程的一个例子，这种工艺过程基于沉积两层掩盖材料和进行两道平版印刷工序，以便蚀刻构成膜片区域的阶梯型面，然后减薄框架；图17表示出本专利技术的一个实施例的制造工艺过程的一个例子，这种工艺过程基于沉积一层掩盖材料和进行两道平版印刷工序，以便蚀刻构成膜片的阶梯型面，然后减薄框架；图18表示出本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
2006.01.06 US 60/756,2001.一种在单个基片上的用于感受向量力并将其转换成用于处理的电信号的力输入控制器件，该控制器件包括 传感器芯片，该传感器芯片能感受施加于该芯片内的刚性支柱的力的量值和方向，并且还包括联接于力传递刚性支柱的弾性元件、联接于所述弹性元件的周缘的芯片框架、在所述弹性元件上的一个或多个应カ敏感元件、信号处理1C，芯片电联接于所述基片， 其中，所述芯片的所有元件都形成在单个半导体基片上， 其中，所述刚性支柱的高度大于所述框架的厚度和所述弹性元件的厚度之间的差值。2.如权利要求I所述的用于感受向量力并将其转换成用于处理的电信号的力输入控制器件，其特征在于，它还包括 包覆着传感器芯片的外部力传递元件，该外部力传递元件感知外力并将外力传递到传感器芯片的刚性支柱，所述传感器芯片根据被施加的力的量值和方向产生ー组输出信号， 其中，所述外部力传递元件用容易被以批量方式施加于多个传感器芯片的材料来制造，所述材料选自包括下列材料的材料组塑料、弾性材料、以及以上材料的组合。3.一种在单个基片上的用于感受向量力并将其转换成用于处理的电信号的力输入控制器件，该控制器件包括 形成在单个半导体基片内的传感器芯片； 在所述半导体基片内的弾性元件； 框架，该框架围绕着所述弹性元件形成并联接于完全在所述基片内的所述弹性元件的周缘的至少一部分； 定位在所述弹性元件中的ー个或多个机械应カ敏感IC元件,用于提供与所述ー个或多个IC元件所在位置内的机械应カ成比例的输出电信号； 至少ー个成形在初始基片上的刚性支柱，该支柱联接于所述弹性元件并可把外部的向量力传递到所述弹性元件进而传递到所述IC元件，所述IC元件产生输出电信号； 其中，所述刚性支柱的高度大于所述框架的厚度和所述弹性元件的厚度之间的差值。4.如权利要求3所述的カ输入控制器件，其特征在干，所述半导体基片是用选自包括下列材料的材料组中的材料制造的硅、锗、碳化硅、金刚石类的碳、神化镓、氮化镓、磷化铟、以及元素周期表的III、IV和V族中的元素。5.如权利要求3所述的カ输入控制器件，其特征在干，所述半导体基片上的所述弹性元件有环形的或η边多边形的几何形状和均匀的厚度，并且该厚度小于毗邻的所述框架元件的厚度，所述刚性支柱位于所述弾性元件的中央区域。6.如权利要求3所述的カ输入控制器件，其特征在于，所述弹性元件具有不均匀的厚度。7.如权利要求3所述的カ输入控制器件，其特征在干，所述弹性元件在其厚度尺寸内有至少ー个穿透部分。8.如权利要求3所述的カ输入控制器件，其特征在干，它还包括至少ー个定位在所述弾性元件上的应カ集中元件，该应カ集中元件的形状选自包括下列形状的ー组形状V形槽、梯形槽、侧壁与所述弹性元件的表面形成约90°角的槽以及组合。9.如权利要求3所述的カ输入控制器件，其特征在干，所述刚性支柱元件的形状选自下列ー组形状圆锥体、圆柱体、半球体、球体、多面锥体、多面柱体、多面半球体、多面球体以及组合。10.如权利要求3所述的カ输入控制器件，其特征在于，所述刚性支柱元件具有至少ー种不均匀结构，这种不均匀性选自下列一组不均匀结构空腔、沟槽、孔、高台、突脊、桥、悬臂、负的斜坡区域以及它们的组合。11.如权利要求3所述的カ输入控制器件，其特征在于，它还包括把外力耦合到所述刚性支柱元件的弹簧元件，该弹簧元件选自包括下列弹回元件的一组弹簧元件弹簧、薄梁、金属丝、弾性的塑料杆、弾性的塑料摇摆按钮、像脊椎骨那样的结构、带有机械反馈的弾性拱顶、内部充满液体的塑料壳、充满胶体的塑料壳、弾性材料按钮或它们的组合。12.如权利要求3所述的カ输入控制器件，其特征在于，所述应カ敏感IC元件选自包括下列应カ敏感IC元件的一组元件压敏电阻器、pn结、隧道ニ极管、肖特基ニ极管、剪切应力元件、压阻惠斯登电桥、MOS晶体管、CMOS晶体管的互补对、双极晶体管、p-n-p和n-p-n双极晶体管对、双极晶体管和连接于它的至少ー个压敏电阻器、MOS晶体管和连接于它的至少ー个压敏电阻器、双极晶体管电路、以及CMOS晶体管电路或组合。13.如权利要求3所述的カ输入控制器件，其特征在于，它还包括可提供包括下列功能的一组功能中的功能的电子电路模拟信号放大、模ー数和数一模转换、多路传输、信号处理、门逻辑、存储、数字接ロ、电源管理、编码加密、压缩和解压、混合的信号处理、发送和接收无线信号、感受除力之外的各种物理域以及它们的组合。14.如权利要求3所述的カ输入控制器件，其特征在干，它还包括连接于所述刚性支柱的顶部的附加的力传递元件，该附加的力传递元件提供的表面面积比所述刚性支柱的顶部的表面面积大，用干与外部カ传递元件更好地连接，用于从所述刚性支柱那ー侧保护所述弹性元件，该附加的力传递元件用选自下列ー组材料的材料制造塑料、金属、半导体、陶瓷、玻璃以及它们的组合。15.如权利要求3所述的カ输入控制器件，其特征在于，它还包括连接于所述刚性支柱的顶部和弾性壳的附加的刚性カ传递元件，该弹性壳用于产生机械反馈，使得可感受对被按压的按钮的点击并发出用于启动所要求的电子动作的信号。16.如权利要求3所述的カ输入控制器件，其特征在于，它还包括连接于所述刚性支柱的顶部的附加的刚性カ传递元件，该附加的刚性カ传递元件设有附加的空腔、沟槽、隆起和突脊，用于更好地结合于外部力传递元件、用于保护所述弹性元件以及用于附加的机械过载保护。17.一种用于制造一种在单个基片上的用于感受向量力并将其转换成用于处理的电信号的力输入控制器件的方法，该方法包括以下步骤 准备有第一侧面和第二侧面的半导体基片； 在所述基片的第一侧面上制造一个或多个应カ敏感IC元件和信号处理IC ； 在所述基片的第二侧面上制造闭合的沟槽，这些沟槽形成限定弾性元件、框架区域以及刚性支柱的界线；以及 在所述框架区域从所述基片的第二侧面除去附加的基片材料，使所述刚性支柱的尺寸...

【专利技术属性】
技术研发人员：弗拉多米尔·瓦格诺夫，
申请(专利权)人：弗拉多米尔·瓦格诺夫，
类型：发明
国别省市：