CN107121223A - 微机电力量传感器以及力量感测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微机电力量传感器，其包括第一基板、第二基板以及多个导电端子。第二基板与第一基板对向配置且包括可形变部以及受力部。可形变部具有多个感测组件。受力部凸出于可形变部背对第一基板的表面，而在可形变部上围设出凹槽。导电端子与感测组件电性连接，且导电端子集中配置在凹槽的下方。第二基板通过导电端子而固定在第一基板上。另提供一种力量感测装置。本发明提供的微机电力量传感器可感测施加在微机电力量传感器上的力量变化，同时本发明提供的力量感测装置可感测施加在力量感测装置上的力量变化。

Description

微机电力量传感器以及力量感测装置

技术领域

本发明涉及一种微机电传感器以及感测装置，尤其涉及一种微机电力量传感器以及力量感测装置。

背景技术

微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)技术是一种以微小化机电整合结构为出发点的设计。目前常见的微机电技术主要应用于微传感器(Micro sensor)、微制动器(Micro actuator)与微结构(Micro structure)组件等三大领域，其中微传感器可将外界环境变化(如力量、压力、声音、速度等)转换成电信号(例如电压或电流等)，而实现环境感测功能，如力量感测、压力感测、声音感测、加速度感测等。由于微传感器可利用半导体制程技术制造且可与集成电路整合，因此具有较佳的竞争力。是以，微机电传感器以及应用微机电传感器的感测装置实为微机电系统的发展趋势。

发明内容

本发明提供一种微机电力量传感器，其可感测施加在微机电力量传感器上的力量变化。

本发明提供一种力量感测装置，其可感测施加在力量感测装置上的力量变化。

本发明的一种微机电力量传感器，其包括第一基板、第二基板以及多个导电端子。第二基板与第一基板对向配置且包括可形变部以及受力部。可形变部具有多个感测组件。受力部凸出于可形变部背对第一基板的表面，而在可形变部上围设出凹槽。导电端子与感测组件电性连接，且导电端子集中配置在凹槽的下方。第二基板通过导电端子而固定在第一基板上。

在本发明的一实施例中，上述的第一基板是印刷电路板或显示面板。

在本发明的一实施例中，上述的感测组件包括多个连接部以及多个压阻式感测组件。各压阻式感测组件连接两相邻连接部。可形变部的四侧分别具有感测单元。感测单元由至少一压阻式感测组件与多个上述连接部所组成。

在本发明的一实施例中，上述的压阻式感测组件在可形变部背对第一基板的表面的正投影落在凹槽所涵盖的范围内。

在本发明的一实施例中，上述的感测组件邻近可形变部的中央区域配置，且连接部以及压阻式感测组件在可形变部背对第一基板的表面的正投影落在凹槽所涵盖的范围内。

在本发明的一实施例中，上述的第二基板还包括线路结构。线路结构配置在可形变部面向第一基板的表面上，且感测组件藉由线路结构而与导电端子电性连接，其中相邻两感测单元藉由线路结构而共享其中一导电端子，并形成惠斯通电桥(Wheatstone bridge)。

在本发明的一实施例中，上述的微机电力量传感器还包括过载防护层。过载防护层填充在凹槽中，且过载防护层的顶面高于受力部的顶面。

在本发明的一实施例中，上述的过载防护层的刚性小于第二基板的刚性。

在本发明的一实施例中，上述的微机电力量传感器还包括过载防护层。过载防护层配置在可形变部面向第一基板的表面上且暴露出导电端子。过载防护层与第一基板保持间隙。

本发明的一种力量感测装置，其包括微机电力量传感器以及第三基板。微机电力量传感器包括第一基板、第二基板以及多个导电端子。第二基板与第一基板对向配置且包括可形变部以及受力部。可形变部具有多个感测组件。受力部凸出于可形变部背对第一基板的表面，而在可形变部上围设出凹槽。导电端子与感测组件电性连接，且导电端子集中配置在凹槽的下方。第二基板通过导电端子而固定在第一基板上。第三基板具有凸出部。凸出部的宽度小于凹槽的宽度，且凸出部的厚度小于凹槽的深度。第三基板组装于第二基板上，且凸出部嵌入凹槽中。

在本发明的一实施例中，上述的第三基板是触控面板的基板或显示面板的基板。

基于上述，在本发明的实施例中，可形变部具有多个感测组件，而受力部凸出于可形变部背对第一基板的表面。当外力施加于受力部时，可形变部受到下压的力量而变形，使得可形变部中的感测组件对应产生物理量的变化，从而微机电力量传感器及具有微机电力量传感器的力量感测装置可利用上述物理量的变化判断施加在微机电力量传感器或力量感测装置上的力量变化。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1是依照本发明的一实施例的一种微机电力量传感器的剖面示意图；

图2是图1的微机电力量传感器的第一种实施形态的仰视示意图；

图3A至图3J是图2的微机电力量传感器的制造流程的剖面示意图；

图4是图1的微机电力量传感器的第二种实施形态的仰视示意图；

图5是图1的微机电力量传感器的第三种实施形态的剖面示意图；

图6A及图6B分别是图1的微机电力量传感器的第四种实施形态的剖面示意图及仰视示意图；

图7是依照本发明的一实施例的一种力量感测装置的剖面示意图。

附图标记：

10：力量感测装置

12、100、100A、100B、100C、100D：微机电力量传感器

14：第三基板

110：第一基板

120：第二基板

122：可形变部

124：受力部

130：导电端子

140：第一层间介电层

150：导线

160：第二层间介电层

170：接垫

180、180A：过载防护层

C：凹槽

CS：线路结构

D：深度

G、G’：间隙

H：厚度

IN：绝缘层

L1：第一层

L3：第二层

L3：第三层

O1：第一开口

O2：第二开口

PT：凸出部

S：表面

SB：基板

SS：感测组件

SS1：连接部

SS2：压阻式感测组件

ST124、ST180：顶面

U：感测单元

WC、WPT：宽度

具体实施方式

图1是依照本发明的一实施例的一种微机电力量传感器的剖面示意图。请参照图1，微机电力量传感器100包括第一基板110、第二基板120以及多个导电端子130。第二基板120与第一基板110对向配置且包括可形变部122以及受力部124。可形变部122具有多个感测组件SS。受力部124凸出于可形变部122背对第一基板110的表面，而在可形变部122上围设出凹槽C。导电端子130与感测组件SS电性连接，且导电端子130集中配置在凹槽C的下方。第二基板120通过导电端子130而固定在第一基板110上。

第一基板110可以是印刷电路板、显示面板或其他合适的板材，且第一基板110具有适于将电信号导出至处理器的线路。第二基板120可以是一半导体基板经由图案化制程而形成可形变部122以及受力部124。受力部124环绕配置在可形变部122的边缘，使凹槽C位于第二基板120的中间。上述半导体基板例如是绝缘层覆硅(Silicon-On-Insulator,SOI)基板，但不以此为限。导电端子130位于第一基板110与第二基板120之间，其可将电信号导出且可作为机械上的固定端。在本实施例中，导电端子130是锡球，其具有导电性佳、免于封装且体积小等优点。

感测组件SS可邻近可形变部122面向第一基板110的表面配置，且可邻近可形变部122的边缘配置，但不以此为限。在另一实施例中，感测组件SS也可邻近可形变部122的中央区域配置。第二基板120可进一步包括线路结构(未显示)以将感测组件SS与导电端子130电性连接。如此，当外力施加于受力部124时，可形变部122受到受力部124下压的力量而变形，使得可形变部122中的感测组件SS对应产生物理量的变化。上述物理量的变化对应产生电信号的变化，而电信号的变化可依序经由线路结构以及导电端子130而输出至外部电路(如处理器)，以进行后续的信号处理及分析。如此，微机电力量传感器100可判断施加于其上的力量变化。

以下藉由图2至图6B说明微机电力量传感器100的多种具体实施型态，其中相同的组件以相同的标号表示，于下便不再赘述。图2是图1的微机电力量传感器的第一种实施形态的仰视示意图。图3A至图3J是图2的微机电力量传感器的制造流程的剖面示意图。图4是图1的微机电力量传感器的第二种实施形态的仰视示意图。图5是图1的微机电力量传感器的第三种实施形态的剖面示意图。图6A及图6B分别是图1的微机电力量传感器的第四种实施形态的剖面示意图及仰视示意图。为清楚表示感测组件及线路结构，图2、图4及图6B省略显示第一基板110，并以虚线表示导电端子130。

请先参照图2及图3J，在微机电力量传感器100A中，感测组件SS可包括多个连接部SS1以及多个压阻式感测组件SS2。各压阻式感测组件SS2连接两相邻连接部SS1，且压阻式感测组件SS2在可形变部122背对第一基板110的表面的正投影落在凹槽C所涵盖的范围内。即，压阻式感测组件SS2的边缘不超出凹槽C所涵盖的范围(图2以虚线表示凹槽C所涵盖的范围)。

可形变部122的四侧分别具有感测单元U。感测单元U由至少一压阻式感测组件SS2与多个上述连接部SS1所组成，且例如由两个压阻式感测组件SS2与三个连接部SS1所组成，但不以此为限。

请参照图3J，第二基板120还包括线路结构CS。线路结构CS配置在可形变部122面向第一基板110的表面S上，且感测组件SS藉由线路结构CS而与导电端子130电性连接，其中相邻两感测单元U藉由线路结构CS而共享其中一导电端子130，并形成惠斯通电桥。

在本实施例中，线路结构CS包括第一层间介电层140、多条导线150、第二层间介电层160以及多个接垫170。第一层间介电层140配置在可形变部122面向第一基板110的表面S上。第一层间介电层140具有多个第一开口O1。各第一开口O1暴露出其中一连接部SS1的部分。导线150配置在第一层间介电层140上。各连接部SS1的部分与其中一导线150连接。第二层间介电层160配置在第一层间介电层140以及导线150上且具有多个第二开口O2。各第二开口O2暴露出其中一导线150的部分。接垫170配置在第二层间介电层160上。各接垫170通过其中一第二开口O2与对应的导线150的部分连接。各导电端子130与其中一接垫170连接，以将电信号导出第二基板120。

接着说明微机电力量传感器100A的一种制造方法。请参照图3A，提供基板SB。基板SB例如为SOI基板。举例而言，基板SB可由第一层L1、第二层L2以及第三层L3堆栈而成。第一层L1以及第三层L3可为硅基板，而第二层L2可为绝缘层，如氧化硅层，但不以此为限。

接着，于基板SB上形成绝缘层IN。绝缘层IN例如覆盖基板SB的所有表面，但不以此为限。此外，绝缘层IN例如为氧化硅层，但亦不以此为限。

请参照图3B，于第三层L3中形成感测组件SS(包括连接部SS1以及压阻式感测组件SS2)。形成连接部SS1与压力感测组件SS2的方法例如包括离子掺杂(ion implant)，且各压力感测组件SS2的掺杂浓度低于各连接部SS1的掺杂浓度。

请参照图3C，移除绝缘层IN。移除绝缘层IN的方法可包括蚀刻。蚀刻所使用的蚀刻剂例如是二氧化硅蚀刻剂(Buffered Oxide Etch,BOE)，但不以此为限。

请参照图3D，在第三层L3上形成第一层间介电层140，其中连接部SS1以及压力感测组件SS2位在第一层间介电层140与第二层L2之间。第一层间介电层140具有多个第一开口O1。各第一开口O1暴露出其中一连接部SS1的部分。形成第一层间介电层140的方法可以是在第三层L3上藉由电浆辅助化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,PECVD)形成一第一层间介电材料层，再藉由湿蚀刻形成第一开口O1，但不以此为限。第一层间介电层140的材料可以是氧化硅或氮化硅，但不以此为限。

请参照图3E，在第一层间介电层140上形成多条导线150，其中各连接部SS1的部分与其中一导线150连接。形成导线150的方法可以是藉由溅镀(Sputtering)形成一导电层，再藉由干蚀刻来图案化导电层，形成导线150，但不以此为限。

请参照图3F，在第一层间介电层140以及导线150上形成第二层间介电层160。第二层间介电层160具有多个第二开口O2。各第二开口O2暴露出其中一导线150的部分。形成第二层间介电层160的方法可以是藉由电浆辅助化学气相沉积形成一第二层间介电材料层，再藉由干蚀刻形成第二开口O2，但不以此为限。第二层间介电层160的材料可以是氮化硅，但不以此为限。

请参照图3G，在第二层间介电层160上形成多个接垫170。各接垫170通过其中一第二开口O2与对应的导线150的部分连接。形成接垫170的方法可以是藉由溅镀形成一导电层，再藉由干蚀刻来图案化导电层，形成接垫170，但不以此为限。

请参照图3H，移除部分第一层L1以及部分第二层L2以形成第二基板120。第二基板120包括可形变部122以及受力部124，其中可形变部122例如由第三层L3构成，而受力部124例如由图案化的第二层L2以及图案化的第一层L1构成。受力部124凸出于可形变部122的表面，而在可形变部122上围设出凹槽C。

请参照图3I，于接垫170上形成导电端子130。形成导电端子130的方法可以是印刷，但不以此为限。

请参照图3J，通过导电端子130将第一基板110与第二基板120接合。

依据不同的需求，任何所属技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可改变上述制程顺序或增设其他组件或膜层，或改变上述组件的形状或相对配置关系。举例而言，如图4所示，在微机电力量传感器100B中，感测组件SS可邻近可形变部122的中央区域配置。在此架构下，连接部SS1以及压阻式感测组件SS2在可形变部122背对第一基板110的表面的正投影例如落在凹槽C所涵盖的范围内(图4以虚线表示凹槽C所涵盖的范围)。

此外，如图5所示，微机电力量传感器100C可进一步包括过载防护层180。过载防护层180填充在凹槽C中，且过载防护层180例如在图3H或图3J的步骤后填入凹槽C。过载防护层180的顶面ST180可高于受力部124的顶面ST124，如此，施加于微机电力量传感器100C的外力会先作用在过载防护层180上。藉由使过载防护层180的刚性小于第二基板120的刚性，可利用过载防护层180吸收掉部分的外力，以达到应力缓冲的效果。举例而言，过载防护层180的材质可以包括聚合物，但不以此为限。

另外，如图6A及图6B的微机电力量传感器100D所示，过载防护层180A也可配置在可形变部122面向第一基板110的表面S上并暴露出导电端子130。具体地，线路结构CS位于可形变部122与过载防护层180A之间，且过载防护层180A与第一基板110保持间隙G。过载防护层180A的制造方法可以是在图3H的步骤后在第二层间介电层160以及接垫170上全面地覆盖一过载防护材料层，再藉由图案化制程(如干蚀刻)移除部分过载防护材料层，而暴露出欲容纳导电端子130的区域，但不以此为限。

由于过载防护层180A配置在可形变部122上，因此过载防护层180A的刚性会影响可形变部122的可形变程度，即过载防护层180A的刚性会影响感测灵敏度。本实施利可藉由改变过载防护层180A的材质来微调感测灵敏度。举例而言，过载防护层180A的材质可为聚合物，但不以此为限。

另外，由于间隙G的大小决定微机电力量传感器100C的最大下压距离，因此本实施利可藉由调变间隙G的大小，例如使间隙G小于可形变部122的最大形变量，以避免下压距离超过可形变部122的最大形变量而导致可形变部122损坏的情况。

图7是依照本发明的一实施例的一种力量感测装置的剖面示意图。请参照图7，力量感测装置10包括微机电力量传感器12以及第三基板14。在本实施例中，微机电力量传感器12采用图3J中微机电力量传感器100A的架构，但不以此为限。在其他实施例中，微机电力量传感器12也可采用图4、图5或图6A的架构。相同组件的说明请参照前述，于此不再赘述。

第三基板14具有凸出部PT。凸出部PT的宽度WPT小于凹槽C的宽度WC，且凸出部PT的厚度H小于凹槽C的深度D。藉此，第三基板14组装于第二基板120上时，凸出部PT可嵌入凹槽C中，而有助于提升对位的便利。

此外，本实施例亦可藉由调变凸出部PT与可形变部122之间的间隙G’的大小，来调变可形变部122的受压范围。例如使间隙G’小于可形变部122的最大形变量，以避免下压距离超过可形变部122的最大形变量而导致可形变部122损坏的情况。换句话说，凸出部PT除了有助于提升对位的便利之外还具有过载防护的效果。

依据不同的需求，第三基板14上可配置有其他膜层。举例而言，第三基板14上可配置有触控组件，即第三基板14可以是触控面板的基板。如此，力量感测装置10可在力量感测功能之外进一步提供二维触控功能，即力量感测装置10除了可检测Z轴方向上的力量变化之外，还可检测X-Y平面上的触控坐标。然而，本发明不以此为限。在另一实施例中，第三基板14也可以是显示面板的基板。

综上所述，在本发明的实施例中，可形变部具有多个感测组件，而受力部凸出于可形变部背对第一基板的表面。当外力施加于受力部时，可形变部受到下压的力量而变形，使得可形变部中的感测组件对应产生物理量的变化，从而微机电力量传感器及具有微机电力量传感器的力量感测装置可利用上述物理量的变化判断施加在微机电力量传感器或力量感测装置上的力量变化。在其他实施例中，微机电力量传感器可进一步配置过载防护层以提供应力缓冲或过载防护的效果。此外，力量感测装置的第三基板藉由凸出部的设计，除了可提升对位的便利之外还具有过载防护的效果。

虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的改动与润饰，故本发明的保护范围当视所附权利要求界定范围为准。

Claims (11)

1.一种微机电力量传感器，其特征在于，包括：

第一基板；

第二基板，与所述第一基板对向配置且包括：

可形变部，具有多个感测组件；以及

受力部，凸出于所述可形变部背对所述第一基板的表面，而在所述可形变部上围设出凹槽；以及

多个导电端子，与所述多个感测组件电性连接，且所述多个导电端子集中配置在所述凹槽的下方，所述第二基板通过所述多个导电端子而固定在所述第一基板上。

2.根据权利要求1所述的微机电力量传感器，其特征在于，所述第一基板是印刷电路板或显示面板。

3.根据权利要求1所述的微机电力量传感器，其特征在于，所述多个感测组件包括多个连接部以及多个压阻式感测组件，各所述压阻式感测组件连接两相邻连接部，所述可形变部的四侧分别具有感测单元，所述感测单元由至少一所述压阻式感测组件与多个所述多个连接部所组成。

4.根据权利要求3所述的微机电力量传感器，其特征在于，所述多个压阻式感测组件在所述可形变部背对所述第一基板的表面的正投影落在所述凹槽所涵盖的范围内。

5.根据权利要求3所述的微机电力量传感器，其特征在于，所述多个感测组件邻近所述可形变部的中央区域配置，且所述多个连接部以及所述多个压阻式感测组件在所述可形变部背对所述第一基板的表面的正投影落在所述凹槽所涵盖的范围内。

6.根据权利要求1所述的微机电力量传感器，其特征在于，所述第二基板还包括：

线路结构，配置在所述可形变部面向所述第一基板的表面上，且所述多个感测组件藉由所述线路结构而与所述多个导电端子电性连接，其中相邻两感测单元藉由所述线路结构而共享其中一导电端子，并形成惠斯通电桥。

7.根据权利要求1所述的微机电力量传感器，其特征在于，还包括：

过载防护层，填充在所述凹槽中，且所述过载防护层的顶面高于所述受力部的顶面。

8.根据权利要求7所述的微机电力量传感器，其特征在于，所述过载防护层的刚性小于所述第二基板的刚性。

9.根据权利要求1所述的微机电力量传感器，其特征在于，还包括：

过载防护层，配置在所述可形变部面向所述第一基板的表面上且暴露出所述多个导电端子，所述过载防护层与所述第一基板保持间隙。

10.一种力量感测装置，其特征在于，包括：

微机电力量传感器，包括：

第一基板；

第二基板，与所述第一基板对向配置且包括：

可形变部，具有多个感测组件；以及

受力部，凸出于所述可形变部背对所述第一基板的表面，而在所述可形变部上围设出凹槽；以及

多个导电端子，与所述多个感测组件电性连接，且所述多个导电端子集中配置在所述凹槽的下方，所述第二基板通过所述多个导电端子而固定在所述第一基板上；以及

第三基板，具有凸出部，所述凸出部的宽度小于所述凹槽的宽度，且所述凸出部的厚度小于所述凹槽的深度，所述第三基板组装于所述第二基板上，且所述凸出部嵌入所述凹槽中。

11.根据权利要求10所述的力量感测装置，其特征在于，所述第三基板是触控面板的基板或显示面板的基板。