CN101943617B - 力传感器设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种力传感器设备。一种力传感器设备和形成其的方法。该设备包括能够被附连到基底的力感知元件。设置在形成于帽内的孔中的致动器可操作地耦合到力感知元件以用来响应于从外部源处接收到力而将力传递给该感知元件。力感知元件被配置成感测外力并且生成代表该力的输出信号。优选地，与力感知元件和基底相关联的一个或多个结合区可以经由线结合予以电连接。为了保护与力传感器设备相关联的内部组件免受外部环境的影响，与集成挠性膜相关联的盖能够被安装在基底上。

Description

力传感器设备

技术领域

实施例总体上涉及力传感器(force sensor)。实施例还涉及供力传感器使用的力感知元件(force sense element)。实施例另外还涉及用于力传感器的封装方法。

发明背景

力传感器测量施加到感知元件的外力并且生成代表该施加的力的输出信号。这样的力传感器一般被用在众多的应用中，诸如像汽车、航天、医疗、工业、和消费者应用。力传感器工作的操作环境可能非常苛刻并且通常要求高精度、高可重复性、快速响应时间，以及高可靠性。这样的力传感器能够用来以可靠的精度测量非常小的力。

发明内容

提供了下列概要以便于对所公开的这些实施例独具的一些创新特征的理解，并不试图是全面的描述。通过将整个说明书、权利要求书、附图和摘要做为一个整体可以获得对所述实施例的各方面的全面理解。

因此，所公开实施例的一个方面是提供一种改进的力传感器设备。

所公开实施例的另一方面是提供一种改进的力传感器配置，该配置包括与致动器和力感知元件相关联的帽。

所公开实施例的又一方面是提供一种用于封装力传感器设备的改进方法。

如这里所描述的上述方面和其他目的及优点现在能够达到。公开了一种力传感器设备和形成其的方法。该设备包括力感知元件(例如，压阻硅片)，其能够在粘晶材料的帮助下附连到基底。设置在与帽相关联的开口中的致动器(例如，滚珠轴承)能够可操作地耦合到力感知元件以响应于从外部源接收到力而将力传递到感知元件。力感知元件检测外部力并生成表示该力的输出信号。优选地，与力感知元件和基底相关联的一个或多个结合区可以进行电连接，例如通过线结合(wirebond)进行电连接。

前述与帽相关联的孔通常限制致动器的横向运动，以确保其与力感知元件在可重复位置接触，从而使得高可重复信号得以实现。优选地，帽能够配置成具有大于致动器直径的高度。可选择地，帽能够被设计成短些，其仍然能够减小致动器的横向移动。

为了保护与力传感器设备相关联的内部组件受到外部环境的影响，与集成挠性膜相关联的盖能够被安装在基底上。另外，盖中的膜有助于保持致动器并且被布置成提供小的“预加载”以进一步确保可重复性，使得小负载情况下的准确操作能够实现，并且还可以减少重力循环期间否则可能发生的对感知元件的机械影响。

电耦合到力感知元件的信号调节器，也能够被安装在基底上。信号调节器能够调节输出信号并且生成针对在操作范围上温度和力灵敏度以及非线性性的影响而校正的校准信号。力感知元件和信号调节器能够通过直接的线结合或者通过基底所连接的线结合而予以电连接。致动器，通过与帽相关联的孔进行动作，其提供了快速响应时间和到感知元件的统一的力施加。

与帽、线结合和盖相关联的这种力传感器设备提供了封装设计的灵活性、快速的响应时间、可重复性信号，和高可靠性的机械和电连接。

附图说明

附图与详细描述一起用来解释在这里所公开的实施例，在附图中，遍及各个视图类似的附图标记指示同样的或者功能类似的元素，且这些附图被并入本说明书并形成其一部分，所述附图还图示了实施例。

图1图示了根据实施例的与帽相关联的力传感器设备的透视图；

图2图示了根据实施例的与盖相关联的力传感器设备的透视图；和

图3图示了举例说明用于力传感器设备的装配方法的逻辑操作步骤的操作的高级流程图，其能够根据实施例实现。

具体实施方式

在这些非限制性的示例中所论述的特定值和配置能够予以改变，并且其被引证仅用来举例说明至少一个实施例而不是试图限定其范围。

力传感器可以采用与致动器结合的力感知元件，诸如压阻硅片。该致动器能够被布置为响应于向该致动器施加的外力而压抵力感知元件。力感知元件可以包括挠性膜片，其响应于致动器对该力感知元件的挤压而弯曲。该膜片的弯曲可以引起设置在该膜片上或者附近的一个或多个压敏电阻器重压并改变电阻。电子电路检测电阻的变化并且根据电阻变化确定该外力。

所公开的实施例通常涉及分割的晶圆部分。通过精确制作这样的晶圆、对所述晶圆进行对准、以及然后将这样的晶圆分割成相应晶圆部分，使用这样的晶圆和分割的晶圆部分提高了效率。这样的方法例如比对单个传感器的各个组件进行精确机加工和对准有效率得多。

图1图示了根据实施例的具有帽(cap)135的力传感器设备100的透视图。力传感器设备100通常包括与测量参考区域160相关联的基底110。分割的第一晶圆部分130被配置成使得该晶圆部分130构成了MEMS力感测元件。注意，如这里所使用的，附图标记130可以等同地指示该分割的第一晶圆部分和MEMS力感测元件。力传感器设备100通常包括致动器140，其具有邻近MEMS力感测元件130的第一区域141和与该第一区域141相对的第二区域143。

还要注意，如这里所使用的，首字母缩略词MEMS通常指的是“微型机电系统(Microelectromechanical System)”类型装置，制造和处理技术，以及组件。微型机电系统(MEMS)(还可被记为微型-机-电(micro-electro-mechanical)或微型机电(MicroElectroMechanical))是非常微小尺寸的技术并且在纳米尺度上融入纳米机电系统(NEMS，nanoelectromechanical system)和纳米技术。MEMS还被称为微型机器(micromachines)(在日本)，或者微系统技术(Micro SystemsTechnology-MST)(在欧洲)。MEMS典型地被配置为尺寸上在1到100微米(即0.001至0.1mm)之间的组件并且MEMS装置在尺寸上范围通常从20微米(百万分之二十米)到1毫米。

力传感器设备100还包括分割的第二晶圆部分135，其具有在其中所形成的开口145。致动器140设置在开口145中，使得撞击在该第二区域143上的力被致动器140传递到MEMS感测元件130邻近第一区域141的部分。该分割的第二晶圆部分135相对于MEMS感测元件130能够起到帽的作用。注意，如在这里所使用的附图标记135能够指示该帽和该分割的第二晶圆部分这二者。因此该分割的第二晶圆部分135包括通过其的开口145，使得该分割的第二晶圆部分或帽135结合到分割的第一晶圆部分或MEMS感测元件130，并且设置成使得致动器140在横向上范围优选由该开口145限定。

分割的第二晶圆部分135优选通过结合层150结合到分割的第一晶圆部分130，所述结合层150诸如像玻璃粉结合层(glass frit bond)、阳极结合层(anodicbond)和/或粘合结合层。帽或分割的第二晶圆部分135可以用诸如硅或玻璃之类的刚性材料来配置。MEMS力感测元件130能够通过粘晶材料155的帮助附连到基底110上。MEMS力感测元件130能够被进一步地配置为测量施加到膜片165上的外力并且提供代表所施加力的输出信号。

MEMS力感测元件130例如能够从布置在电阻电桥网络布置中的膜片165上或附近的具有一个或多个压阻区域的硅来形成。当然，能够意识到，依据设计考虑和目标，除了压阻元件之外或者代替压阻元件，还能够采用其他类型的压敏器件或者其他力敏件。

设备100还包括帽135，其具有在其中形成的开口145(例如球形形状孔或其他适当形状)，并且其通过结合层150可操作地耦合到MEMS力感测元件130。结合层150能够利用诸如玻璃粉结合或阳极结合之类的标准晶圆结合(wafer-bonding)工艺来形成，或者可选择地能够利用在感知元件130和帽135之间的粘结结合层来形成。注意，为了说明的目的，在图1中把帽135描绘为在顶侧附连布置中的“顶帽”。但是，应当意识到，背侧配置同样是可能的。

为了响应于从外部源接收到力而将力传递到感知元件130，致动器140能够被插入到与该帽135相关联的开口145中。注意，致动器140可以包括球形对象，诸如像设置在帽135中形成的开口145中并且与力感知元件130相接触的金属球轴承。应当意识到，根据可选实施例，除了球形对象外可以使用其他类型的致动器，诸如像可滑动安装的柱塞或者轴或者点接触型组件。致动器140能够被保持在与帽135相关联的开口145中。

MEMS力感测元件130能够被配置为感测经由致动器140所施加的力并且生成表示该力的输出信号。与致动器140相关联的帽135提供了相对于感知元件130的统一的力施加。因此，通过约束致动器140可以达到力传感器设备100的可重复性。例如，假设致动器140被实现为金属球轴承，如果此球自由的移动到左侧，例如这个球会接触到膜片165的不同位置，那么在同样程度的力的情况下，该膜片会弯曲不同的量。

通过将帽135结合到力感知元件130并且相对于致动器140以精确尺寸配置开口145，所公开的实施例可以用来将致动器140保持在更加受限的位置中。另外，帽135优选从刚性材料或基本上刚性的材料来配置。这样的配置防止了在致动器的接触点处的易变性并且与当由其他方式限定致动器时相比在结构上具有更小的灵活性。

与基底110和MEMS力感测元件130相关联的结合区115和125能够经由线结合连接120予以电连接。感知元件130和基底110之间的线结合连接120提供了稳定的、鲁棒的、和可重复的电连接。但是，应当意识到，诸如可导弹性体预成型、可导粘合剂、和各向异性可导粘合剂之类的其它电连接同样是可能的。

图2图示了根据可选择实施例的与盖210相关联的力传感器设备100的透视图。注意，在图1-3中，同样或类似的部分或元素通常采用同样的附图标记来指示。如图2中所描绘的，挠性膜220可以设置在致动器140的第二区域143附近且在其上。挠性膜220将球形致动器140、开口145和MEMS力感测元件130从撞击到第二区域143的力所源自的外部区域隔离开。挠性膜220可以被拉紧以将致动器140偏抵MEMS力感测元件130。总的来说，响应于撞击在第二区域143上的力，MEMS力感测元件130的电特性变化。这是用于实现信号调节电路240的重要考虑，在下面对其予以更详细的讨论。

使用粘结剂155能够把盖210安装到基底110上。挠性膜220能够从挠性片配置得到，该挠性片基本上“拉靠”在致动器140的顶部。根据设计考虑，盖210能够从诸如像热固材料之类的材料配置得到。

与盖210相关联的挠性膜220能够从薄层材料(例如聚酰亚胺薄膜(KaptonTM)，根据设计考虑)配置得到，并且通过诸如像模制、粘结结合和焊接之类的任何数目的工艺与盖210集成。可以理解，根据设计考虑，当然可以使用其他类型的工艺来代替所建议的工艺。

在实施例中，集成膜220还能够保持致动器140并且提供了小的“预加载”来确保可重复性、对小力的准确响应、以及减少对力感知元件130的机械影响，它们否则可能作为力循环的结果而出现。挠性膜220可以被拉紧以使致动器140偏抵MEMS力感知元件130。

注意，分割的第二晶圆部分135的高度优选大于或者等于致动器140的直径。但是，应当意识到，分割的第二晶圆部分135也可以更短一些，其仍然可以防止致动器140的横向移动。与集成膜220相关联的盖210可以提供其它保持力。

应当意识到，环境密封和保持功能还能够通过不同于集成膜的方法来提供，诸如像在盖210和致动器140和/或分割的第二晶圆部分135之间的粘结或者弹性的密封。

信号调节器240，其优选为ASIC(Application Specific Integrated Circuit，特定用途集成电路)，其也能够被安装到基底110上用来调节(例如传送、放大、和/或补偿)输出信号。信号调节器240能够经由线结合230与MEMS力感测元件130直接电耦合。MEMS力感测元件130的电特性响应于撞击第二区域143的力而变化。因此信号调节器240包括电路，该电路检测电特性的变化并且在响应中生成输出信号，该输出信号的幅值代表了力的幅值。信号调节器240能够调节输出信号以校正可重复的变动，例如偏移、灵敏度、非线性性、和温度效应。信号调节器240(例如，信号调节电路)通常调节输出信号以补偿电特性中依赖温度的变动和/或解决电特性变化和对应的力幅值变化之间的非线性关系。

图3图示了图示依据实施例用于装配力传感器设备100的方法300的逻辑操作步骤的操作的高级流程图。该过程通常从如在块301所指示的开始。其后，如在块302所示，MEMS力感测元件130(即分割的第一晶圆部分)能够使用本领域已知的标准MEMS工艺以晶圆形式予以制作。下一步，如在块304所描绘的，与圆形开口145相关联的帽135(即分割的第二晶圆部分)能够使用晶圆结合操作被安装在晶圆形式的MEMS力感测元件130上。然后，如在块306所描绘的，MEMS力感测元件130能够经由晶圆切割过程予以分割。此后，如在块308所示，与力元件130相关联的结合区125和115能够经由诸如线结合120之类的一个或多个线结合而被电连接到基底110。

下一步，如在块310所描绘的，为了帮助将所施加的力传递到力感知元件130，致动器140能够被插入帽135的开口145中。然后，如在块312所示，为了保护和保持与力传感器设备100相关联的组件，盖210能够与集成挠性膜220一起被安装在基底110上。下一步，如在块314所示，MEMS力感测元件130的响应能够被校准为施加到致动器140的已知力。此后，如在块316所示，经校准的输出信号能够使用信号调节器240生成。

力传感器设备100提供了快速的响应时间、可重复的信号，以及与力传感器设备相关联的机械连接和电连接的高可靠性。根据前述对本发明和附图的详细描述，本领域技术人员可以想到各种改变和修改。

还将可以意识到，上面公开的各种改变和其他特征和功能，或其替代物，都可以很好地组合到很多其他不同的系统或应用中。再者，随后的权利要求试图包括由本领域技术人员随后可能做出的各种当前意料之外或未预料到的替代、修改、变化，或在其中的改进。

Claims (11)

1.一种力传感器，包括：

分割的第一晶圆部分，包括MEMS力感测元件；

球形致动器，具有邻近所述MEMS力感测元件的第一区域和相对于所述第一区域的第二区域，其中所述球形致动器被设置成使得撞击在所述第二区域上的力被所述球形致动器传递到所述MEMS力感测元件邻近所述第一区域的部分；和

分割的第二晶圆部分，其具有穿过其的开口，所述分割的第二晶圆部分通过结合层而被结合到所述分割的第一晶圆部分，而且被设置成使得所述球形致动器在横向上范围被所述开口限定。

2.如权利要求1所述的力传感器，其中所述结合层选自包括玻璃粉结合层、阳极结合层和粘结结合层的组。

3.如权利要求1所述的力传感器，还包括设置在所述第二区域附近且之上的挠性膜。

4.如权利要求3所述的力传感器，其中所述挠性膜将所述球形致动器、所述开口和所述MEMS力感测元件从撞击在所述第二区域上的所述力所源自的外部区域隔离。

5.如权利要求3所述的力传感器，其中所述挠性膜被拉紧以将所述球形致动器偏抵所述MEMS力感测元件。

6.如权利要求1所述的力传感器，其中所述MEMS力感测元件的电特性响应于撞击在所述第二区域上的所述力而变化。

7.如权利要求6所述的力传感器，还包括电路，其检测所述电特性的变化并且在响应中生成输出信号，所述输出信号的幅值代表所述力的幅值。

8.如权利要求7所述的力传感器，还包括信号调节电路，其调节所述输出信号以补偿所述电特性中的依赖温度的变动。

9.如权利要求7所述的力传感器，还包括信号调节电路，其调节所述输出信号以解决所述电特性的变化间的非线性关系且对应于所述力的所述幅值的变化。

10.如权利要求8所述的力传感器，还包括线结合，其将所述MEMS力感测元件电耦合到所述信号调节电路。

11.如权利要求1所述的力传感器，其中所述致动器包括下列类型的致动器中的至少一个：

球形致动器；

矩形致动器；

可滑动安装的柱塞；

可滑动安装的轴；和

点接触型组件。