CN101479581A - 力传感器封装及其形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低成本力传感器封装以及形成这种封装的方法。所述力传感器包括：外壳或封装，比如表面安装技术封装(SMT)；以及在所述外壳或封装上所承载的压阻式硅管芯或其他力感测元件。一个致动器可操作地耦合到所述力感测元件，以便响应于接收到来自外部来源的力而向该感测元件传递力。所述力感测元件被配置成感测所述外力并且生成表示所述力的输出信号。在所述外壳上还承载一个信号调节器以用于接收所述输出信号。当该信号调节器电耦合到所述力感测元件时，该信号调节器可以调节所述输出信号并且生成经过调节的输出。

Description

力传感器封装及其形成方法

技术领域

本发明的实施例总体上涉及力传感器，特别涉及分立的力传感器以及制造这种力传感器的方法。本发明的实施例还涉及具有MEMS器件的形式的力传感器。本发明的实施例还涉及封装力传感器的方法以及由此形成的力传感器封装。

背景技术

力传感器被配置成测量施加到所述传感器上的外力并且提供表示所施加的力的输出信号。

分立的力传感器(比如基于MEMS的力传感器)可以应用在医疗设备控制中，比如肾脏透析机、给药系统、血液设备以及医疗仪器。分立的力传感器的其他应用包括机器人末端执行器和可变张力设备中的超低位移感测。

基于小型MEMS的力传感器被用于以良好的精度测量非常小的力。这种力传感器采用力感测组件与致动器的组合，其中所述力感测组件比如是压阻硅(Si)管芯，所述致动器被设置成响应于施加在其上的外力而挤压所述硅管芯。所述硅管芯包括响应于所述致动器压在所述硅管芯上而偏转的柔性隔膜。所述隔膜的偏转导致布置在所述硅管芯上的压阻器产生应力并且改变电阻。通过电路感测所述电阻改变并且根据该电阻改变确定所述外力。

需要提供可以按照更加高效并且成本有效的方式被实现在医疗和其他应用中的力传感器。

发明内容

下面所提供的发明概要便于理解本发明所特有的一些创新特征，而不意图作为完整的描述。通过整体阅读整个说明书、权利要求书、附图以及摘要可以全面理解本发明的各方面。

因此，根据本发明的一方面，提供一种改进的力传感器。

根据本发明的另一方面，提供一种低成本力传感器封装。

现在可以按照这里所描述的那样实现本发明的上述方面以及其他目的和优点。

根据本发明的一方面，一种力传感器包括：外壳或封装，其优选地是表面安装技术封装(SMT)；以及力感测元件，其优选地是在所述外壳或封装上所承载的压阻式硅管芯。致动器优选地耦合到所述力感测元件，以便响应于接收到来自外部来源的力而向该感测元件传递力。所述力感测元件被配置成感测所述外力并且生成表示所述力的输出信号。在所述外壳上还承载有信号调节器以用于接收所述输出信号，从而当该信号调节器电耦合到所述力感测元件时，该信号调节器可以调节所述输出信号并且生成经过调节的输出。

通过把所述信号调节器设置在与所述致动器和感测元件相同的外壳上可以提供一种分立的低成本力传感器封装。有利的是，可以把单个封装安装在诸如PCB的电路上(未示出)，其表面积小于单独安装现有的力感测和信号调节硬件所需的表面积，从而在所述电路上占用较少的总表面积。

可以把所述力感测元件与所述信号调节器隔离。通过把所述力感测元件与所述信号调节器隔离可以把所述力感测元件保持在稳定的操作位置处。可以通过把所述力感测元件装在形成于所述外壳内的空腔中而把该感测元件与所述信号调节器隔离。所述致动器可以被配置在所述外壳上以便向所述空腔内部传递力。

所述外壳可以限定把所述信号调节器装在其中的另一个空腔。通过把所述信号调节器和所述力感测管芯装在对应的空腔内可以提供鲁棒的传感器封装。

所述力感测元件可以是被夹在一对密封件中间的压阻式硅管芯。所述信号调节器可以是ASIC、仪表放大器或者运算放大器，并且可选地是温度补偿电路。

所述力感测元件和信号调节器可以在所述封装的内部或外部电连接在一起。

优选地，在所述外壳上所承载的一个或多个引线框电连接到所述力感测元件和所述信号调节器，从而所述力感测元件和信号调节器可以通过所述引线框电连接到印刷电路板。所述力感测元件可以通过所述印刷电路板电连接到所述信号调节器。

根据本发明的另一方面，一种力传感器封装包括：具有外表面、形成在所述外表面上的开口的封装；以及布置在所述封装的内部的力感测元件。致动器被布置在所述开口中，以便响应于接收到来自外部来源的力而向该所述封装的内部传递力。所述力感测元件被配置成检测力并且生成表示所述力的输出信号。在所述封装中集成信号调节电路以用于接收所述输出信号，从而当该信号调节器电耦合到所述力感测元件时，该信号调节器可以调节所述输出信号并且提供经过调节的输出。

所述封装可以是SMT封装，其可以具有被配置成彼此组装在一起的基底和盖，从而使得所述盖和基底限定出空腔。所述开口可以被形成在所述盖或基底中。所述封装可以包括另一个盖，其被配置成与所述基底组装在一起，从而使得该另一个盖和基底限定另一个空腔，可以把所述信号调节器装在该另一个空腔内。

所述感测元件可以是压阻式硅管芯。所述致动器可以是保持在所述开口中的球状物体，比如金属球。所述信号调节器可以是包括温度补偿电路和/或放大电路的ASIC。

在所述封装上可以承载一个或多个引线框。所述力感测元件和信号调节器可以电耦合到所述(多个)引线框，从而把所述力感测元件和信号调节器电耦合到印刷电路板。

根据本发明的另一方面，一种力传感器封装方法包括：提供外壳；在所述外壳上设置力感测元件；可操作地把所述外壳上的致动器耦合到所述力感测元件，以便响应于接收到来自外部来源的力而向该力感测元件传递力；以及还把信号调节器设置在所述外壳上以用于接收所述输出信号，其中当所述信号调节器电耦合到所述力感测元件时，所述信号调节器可以调节所述输出信号并且提供经过调节的输出。

优选地，所述外壳限定出空腔。在所述外壳上设置所述力感测元件的所述方法步骤包括把该力感测元件装在所述空腔内，其中，可操作地把所述外壳上的所述致动器耦合到所述力感测元件的所述方法步骤包括把所述外壳上的该致动器设置成向所述空腔内部传递力。

优选地，所述外壳还限定另一个空腔。把所述信号调节器设置在所述外壳上的所述方法步骤包括把该信号调节器装在所述另一个空腔内。

附图说明

在附图中，相同的附图标记在各单独视图中指代完全相同的或者在功能上类似的元件。附图被合并在说明书中并且形成说明书的一部分，其进一步说明本发明并且与本发明的详细描述一起用来解释本发明的原理。

图1示出了从根据一个优选实施例的力传感器封装的上方取得的平面图；

图2-4示出了分别沿着图2的线A-A、B-B和C-C取得的横截面图；

图5示出了图1的力传感器封装的分解图；

图6示出了在被合并到电路中之后的图1的力传感器封装的功能方框图，其中所述力感测元件电耦合到所述信号调节器；以及

图7示出了基于图6的功能方框图，其中还示出了图1的力传感器封装的ASIC和压阻式硅管芯的电组件。

具体实施方式

在下面的非限制性实例中所讨论的特定数值和配置可以被改变，并且其仅仅被引用来说明本发明的至少一个实施例而不意图限制本发明的范围。

参照附图中的图1，该图示出了从根据一个实施例的力传感器封装的上方取得的平面图，该图与图4相结合地示出了力传感器封装1，其中图4示出了沿着图1的线C-C取得的横截面图，所述力传感器封装1通常包括承载在外壳或封装2上的力感测元件11以及同样承载在所述外壳上以用于接收外力的致动器8。致动器8可操作地耦合到所述感测元件11，其响应于被施加到该致动器上的外力而向该感测元件施力。在所述外壳2上还承载有信号调节器13，其用于调节输出信号。图6示出了被合并在电路中的所述力传感器封装的功能方框图，其中所述力感测元件和信号调节器彼此电耦合，如图6中所最佳地示出的那样，所述力感测元件11被配置成感测施加在所述致动器8上的力，并且生成表示所施加的外力的输出信号50。当所述信号调节器13电耦合到所述力感测元件11时，该信号调节器13可以调节所述输出信号50并且生成经过调节的输出信号51。

通过把所述信号调节器13设置在与所述致动器8和感测元件11相同的外壳2上，可以提供分立的低成本力传感器封装1。有利的是，可以把所述力感测元件和所述信号调节器全部合并到完全独立的单个封装内。所述力传感器封装1可以被安装在诸如PCB的电路上(未示出)，其表面积小于安装现有的力感测和信号调节硬件所需的表面积，从而在所述电路上占用较少的总表面积。

在所述力传感器封装1的该说明性实施例中，所述力感测元件11包括压阻式硅力传感器管芯11，比如本领域内所公知的具有电阻电桥网络的微加工压阻式硅传感器管芯。但是也可以采用其他类型的压敏设备来替换压阻式硅管芯，比如压阻式MEMS设备或者其他力敏组件。此外，在该说明性实施例中，所述致动器8包括球状物体8(比如不锈钢球或其他类型的金属球)，其被布置在形成于所述外壳2的外表面上的开口43中并且与所述力感测元件11接触。但是在所述力传感器封装1中也可以很容易地利用其他类型的致动器8，比如除了球状物体之外的可滑动安装的柱塞或轴或者点接触类型组件。

所述说明性实施例的力传感器封装1的外壳2是具有弹性构造的表面安装技术封装。但是所述外壳2不必是SMT封装，其可以是由优选地具有高熔点的塑料或其他材料制成的任何类型的外壳，其适于承载所述致动器、感测元件和信号调节器并且适于按照需要电隔离所述各组件。在1993年2月2日授予Maurer的标题为“Piezoresistive pressuretransducer with a conductive elastomeric sea1(具有导电弹性密封的压阻式压力换能器)”的美国专利5,184，107中公开了具有弹性构造的压阻式压力换能器的一个例子，该专利被合并在此以作参考。

附加地参照图5，该图示出了图1的力传感器封装的分解透视图，所述外壳2包括第一和第二空腔21、29，把所述力感测元件11和信号调节器13与其相关联的组件一起分别装在所述第一和第二空腔21、29内。可以按照多种方式在所述外壳中形成所述外壳空腔21、29。通过把所述信号调节器13和力感测管芯11装在单独的空腔内可以提供鲁棒的传感器封装。

图2示出了沿着图1和图5的线B-B取得的横截面图，如该图中最佳地示出的那样，所述外壳2包括被配置成彼此组装在一起的第一盖4和基底3，当所述第一盖附着到该基底上时，该第一盖和该基底限定第一空腔21。

形成在所述基底3的上部凹陷19具有底表面25，所述信号调节器管芯13被布置在该底表面上。所述信号调节器13电耦合到所述基底3上所承载的引线框34，以便安装到PCB的接触焊盘上。引线框34优选地被夹物模压在外壳2中，并且包括单独的引线或引脚14以用于表面安装到PCB的相应的导电焊盘上。结合线15把所述信号调节器13电连接到引线14的部分16，所述引线部分被嵌入在所述凹陷底表面25中并且穿过所述基底向外延伸到外部。

第一盖4具有形成在其上部的互补凹陷18，并且被超声焊接或者热密封到所述基底3上以便覆盖所述基底凹陷19，从而所述基底凹陷19与所述第一盖凹陷18一起形成所述空腔21，所述信号调节器13以及相关联的接合线15和引线部分16被密封在所述空腔21内。本领域技术人员将认识到，可以通过除了超声焊接或热密封之外的方法把所述第一盖4密封到所述基底上。如果需要的话可以把对准引脚合并到所述基底3中，以便允许把所述封装1精确地定位在PCB上。

在所述说明性实施例中，所述信号调节器13优选地包括ASIC。所述ASIC可以被配置成数字放大器，其具有内建的温度传感器以用于补偿影响到所述力传感器封装组件的操作特性的由温度所导致的所述力传感器管芯输出信号50的温度引发的改变。这种ASIC的一个例子是由ZMD America，Inc.(Sensor ICs Business Unit 201 Old Country Road，Suite204 Melville，NY 11747 U.S.A.)所提供的差分传感器信号调节器ZMD 31050。

在图7中示出了ASIC信号调节器13，该图示出了电耦合到所述ASIC 13的力感测管芯11的各电组件的方框图。来自所述传感器管芯11的电阻电桥39的差分输出被可编程增益放大器30(PGA)前置放大。耦合到所述PGA 30的多路复用器31(MUX)把来自所述电桥39的信号传送到模拟-数字转换器32(ADC)。温度传感器36被配置成与所述MUX 31通信。校准微控制器(CMC)44基于处在存储器ROM 33和EEPROM 35中的校准规则和数据来校正所述数字信号。数字-模拟转换器(DAC)把来自所述CMC的经过校准的信号转换回模拟信号，从而提供模拟形式的输出51，串行接口(SI)37提供数字形式的输出51。因此，如图7所示，所述ASIC电路被配置成提供数字输出或模拟输出。可以替换地采用其他类型的信号调节器，比如仪表放大器或运算放大器。

结合图2(其示出了沿着图1的线A-A取得的横截面图)参照图5，在所述基底的上部还形成了与凹陷19相邻并且与之间隔开的另一个凹陷22，其具有向上突出所述基底的上表面26之外的侧壁27。如图2所示，凹陷22的尺寸被确定成使得可以把所述压阻式硅传感器管芯11与弹性密封板10和弹性导电板12一起容纳在所述凹陷22中，其中所述传感器管芯11被夹在所述密封与导电板10、12中间。所述密封板10具有通孔28，所述致动器8(在本例中是金属球8)被布置在其中并且与所述压阻式硅传感器11接触。

第二盖9被固定附着在适当位置处，其与所述基底3协作覆盖凹陷22，从而所述第二盖9与基底3形成另一个空腔29，其中通过所述第二盖把所述感测管芯11、密封板10、导体板12以及致动器8保持在其操作位置处。通过纵向的凸缘或凸起40把所述第二盖9装配到所述基底3上，所述凸缘或凸起40被设置成与形成在侧壁27顶部的配对凹陷41接合，并且随后把所述第二盖9超声接合或热焊接到所述基底上。所述密封和导电板10、12确保把所述传感器管芯11密封在所述外壳2内。

通过把所述力感测管芯11与所述信号调节器13隔离，可以把所述弹性密封板10、力感测元件11和弹性导电板12的层叠保持在受约束的位置处，从而确保在所述层叠元件中没有相对移动。

所述传感器管芯11电耦合到所述引线框34，所述引线框经由弹性导电密封12穿过所述外壳延伸到所述空腔29。所述致动器球8突出形成在所述第二盖9中的开口43，从而通过该球8把施加到所述第二盖的外表面上的外力直接集中到所述传感器管芯11。所述金属球8提供高机械稳定性并且适于多种应用。

通过把所述信号调节器13、力感测管芯11和致动器8封装在相同的外壳3内，可以产生分立的独立低成本力传感器封装1。此外，通过利用单一封装1可以降低把所述信号调节器13、所述力感测管芯11以及所述致动器8一起安装在PCB或其他外部电路上的成本，并且可以消除与安装相关的附属操作。此外，通过采用单一外壳2(特别是SMT封装)可以提供小型力传感器，可以利用较小的焊盘尺寸把所述小型力传感器安装在PCB上从而确保占用所述PCB上的较少空间。此外，所述力传感器封装1可以直接提供经过放大的和/或经过温度补偿的力感测读数，这在医疗感测应用和其他感测应用中将是有利的。

在附图中示出的力传感器封装的说明性实施例中，所述传感器管芯11和信号调节器13位于彼此隔离的单独的空腔21、29内并且电连接到所述引线框34的对应的引线14，从而所述传感器管芯11和信号调节器13可以通过所述引线框34被安装在其上的所述PCB电路从外部电耦合在一起。但是所述信号调节器13和传感器管芯11也可以借助于所述引线框34本身从内部电连接在一起，其中所述引线框34可以被夹物模压到所述外壳中，从而使得该引线框互连空腔21和29。

下面将参照图1-5中示出的说明性实施例的力传感器封装来描述根据一个实施例的力传感器封装方法。首先提供通过本领域内公知的塑料成型技术形成的所述基底3以及第一和第二盖4、9。随后通过夹物模压技术把所述引线框34嵌入在所述基底3中。

所述信号调节器13优选地是ASIC 13管芯，其位于所述基底凹陷19内并且被接合到所述凹陷的底表面25上。优选地，所述ASIC13位于所述凹陷19内，其中该ASIC管芯的至少一部分被放置成与所述引线框34直接热接触，从而使得所述ASIC中的温度传感器可以更为高效地感测所述封装1的温度改变以便进行补偿。

随后可以利用接合线15把所述ASIC 13上的电接触件/引脚(未示出)电连接到对应的嵌入部分16，所述接合线15的一端被导电地接合到所述ASIC接触件，其另一端被导电接合到对应的引线部分16。可以通过公知的回流焊接技术在大约250℃的最大峰值回流温度下执行所述导电接合，或者通过本领域技术人员所能想到的其他技术来执行所述导电接合。把第一盖4超声接合或者热密封到所述基底3的上表面26上，从而使得所述第一盖4与凹陷19形成把所述ASIC 13和接合线15密封在其中的空腔21。

把所述导电密封板12、力感测管芯11和密封板10安装在所述另一个基底凹陷22内，从而把所述力感测管芯11夹在两个板12、10中间。随后把所述致动器球8安装在所述密封板通孔28中并且令其与所述力感测管芯11接触。随后，把所述第二盖9与所述侧壁27对准，把所述第二盖凸起40压装到所述侧壁配对凹陷41中，并且把所述第二盖超声接合到所述基底上，从而使得所述第二盖9被固定附着到所述侧壁27的顶部，并且从而在由所述第二盖9与凹陷22限定的空腔29内把所述力感测管芯11与所述导电密封和密封板12、10以及球8一起保持在其操作位置处。

优选地，利用传统的半导体和微机电系统(MEMS)设备及制造技术在晶片级形成所述传感器管芯和信号调节器。利用已知的划片或切割(saw)技术形成单个的所述传感器管芯和信号调节器，并且随后按照已划片的形式把所述传感器管芯和信号调节器与所述密封板一起组装在所述基底上。在通过回流焊接进行引线接合之后，通过附着所述盖而把所述传感器管芯、信号调节器以及相关联的组件密封在所述封装中，从而形成最终的力传感器组件。

下面将参照附图并且特别是附图6和7来描述根据一个实施例的力传感器封装操作方法。

首先，把所述力传感器封装连接到外部控制电路(未示出)，并且通过该控制电路把所述信号调节器和力感测元件电连接在一起。在图1中所示的力传感器封装的情况下，把所述封装1合并到所述控制电路中，这是通过把所述封装表面安装在形成控制电路的一部分的外部PCB上而实现的。通过所述PCB把所述力传感器管芯11与ASIC 13电连接在一起，从而可以通过所述PCB把所述传感器管芯输出信号50馈送到所述ASIC。外部电源(未示出)通过适当的引线14把电源电压Vs提供到所述传感器和ASIC管芯。

致动器8响应于被施加到所述第二盖9的外表面的外力而对所述力传感器管芯11施力。如图6和7所示，所述力传感器管芯11生成表示所施加的力的传感器输出信号50，该输出信号随后被馈送到所述信号调节器13，该信号调节器13调节所述传感器信号。在图1的力传感器封装的例子中，所述致动器8是把所述力直接传递到所述传感器管芯11的金属球，从而导致所述传感器管芯电桥电阻器的偏转，所述偏转导致所述电桥的电阻增量R的改变。所述电阻改变导致传感器输出电压Vo发生改变。信号调节器13接收到所述输出信号电压的改变，并且相应地在传感器信号中调节所述改变。所述ASIC优选地包括对所述传感器信号的温度补偿和放大。

给出这里阐述的实施例和实例是为了最好地解释本发明及其实践应用，从而使得本领域技术人员能够制作并且利用本发明。但是本领域技术人员将认识到，给出前面的描述和实例仅仅是出于说明和举例的目的。本领域技术人员可以想到其他变型和修改，所附权利要求书意图覆盖这种变型和修改。

例如，在所述说明性实施例中，单独的盖可以与所述基底组合形成对应的信号调节器和力感测空腔，但是也可以把单个盖配置成与所述基底协作形成两个空腔。此外，可以在不把所述信号调节器装在空腔内的情况下将所述信号调节器与所述力感测管芯及其相关联的元件隔离。

上面的描述不意图穷尽或限制本发明的范围。在不偏离所附权利要求书的范围的情况下，根据上面的教导可能有许多修改和变型。已经设想到使用本发明可能涉及具有不同特性的组件。本发明的范围应当由所附权利要求书及其等效表述限定。

Claims (10)

1、一种力传感器，其包括：

外壳；

承载在所述外壳上的力感测元件；

致动器，其可操作地耦合到所述力感测元件，以便响应于接收来自外部来源的力而向该感测元件传递力，所述力感测元件被配置成感测所述外力并且生成表示所述力的输出信号；以及

同样承载在所述外壳上的信号调节器，其用于接收所述输出信号，从而当所述信号调节器电耦合到所述力感测元件时，所述信号调节器能够调节所述输出信号并且生成经过调节的输出。

2、权利要求1的传感器，其中，所述外壳包括表面安装技术(SMT)封装。

3、权利要求1的传感器，其中，所述力感测元件与所述信号调节器隔离。

4、权利要求3的传感器，其中，所述外壳限定装入所述力感测元件装的空腔，所述致动器承载在所述外壳上以便把所述力传递到所述空腔的力感测元件。

5、权利要求4的传感器，其中，所述外壳还限定另一个空腔，所述信号调节器装在该另一个空腔内。

6、权利要求4的传感器，其中，所述力感测元件包括压阻式硅管芯，所述压阻式硅管芯被夹在设置于所述空腔内的一对密封件中间。

7、一种力传感器封装，其包括：

具有外表面和形成在所述外表面上的开口的封装；

被布置在所述封装的内部的力感测元件；

被布置在所述开口中的致动器，其响应于接收来自外部来源的力而向所述封装的所述力感测元件传递力，所述力感测元件被配置成检测所述力并且生成表示所述力的输出信号；以及

信号调节电路，其被集成在所述封装中以用于接收所述输出信号，从而当所述信号调节器电耦合到所述力感测元件时，所述信号调节器能够调节所述输出信号并且提供经过调节的输出。

8、权利要求10的传感器，其中，所述封装包括SMT封装。

9、一种封装力传感器的方法，其包括：

提供外壳；

在所述外壳上设置力感测元件；

可操作地把所述外壳上的致动器耦合到所述力感测元件，以便响应于接收来自外部来源的力而向所述力感测元件传递力；以及

还把信号调节器设置在所述外壳上以用于接收所述输出信号，从而当所述信号调节器电耦合到所述力感测元件时，所述信号调节器可以调节所述输出信号并且提供经过调节的输出。

10、权利要求18的方法，其中，所述外壳限定出空腔，在所述外壳上设置所述力感测元件的所述方法步骤包括把所述力感测元件装在所述空腔内，并且可操作地把所述外壳上的所述致动器耦合到所述力感测元件的所述方法步骤包括把所述外壳上的所述致动器设置成向所述空腔内部传递所述力。

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