CN108627286B - 具有向边缘通气的埋置腔的微机电系统（mems）力芯片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有向边缘通气的埋置腔的微机电系统（MEMS）力芯片，具体公开了一种力传感器，力传感器可包括传感芯片，传感芯片包括盖和支撑件。一般地，支撑件的第一表面可包括埋置腔和一个或多个通道。一个或多个通道可从埋置腔朝向支撑件的外边缘延伸，并且可确保力传感器对环境或大气压力变化不敏感。盖可结合到支撑件的第一表面，由此形成定位在埋置腔上方的传感膜。另外，力传感器可包括用以感测来自外部媒介的力变化的致动元件。致动元件可将力传递到传感膜，从而导致其挠曲进入埋置腔内。传感膜上的一个或多个传感元件可基于挠曲的量提供对力的变化的指示。

Description

具有向边缘通气的埋置腔的微机电系统（MEMS）力芯片

技术领域

本公开一般地涉及力传感器，并且更具体地，涉及包括埋置腔和过力（over-force）止挡件的力传感器。

背景技术

力传感器被用在多种应用中，包括例如商业应用、汽车应用、航空航天应用、工业应用、以及医疗应用。一般地，力传感器可依靠部件的位移（例如，施加到应力敏感元件的应力场）来测量力的存在和/或施加在力传感器上的力的量。力传感器通常使用力传感芯片（die），力传感芯片使用芯片贴装安装到力传感器封装件。通常，力传感芯片通常构造成通过如下方式来检测力：将由作用在力传感芯片的传感膜上的力引起的机械应力转变成电输出信号。

发明内容

本发明包括如下技术方案：

方案1：一种力传感器，包括：

传感芯片，所述传感芯片包括盖和支撑件，其中，所述盖联接到所述支撑件的第一表面并且包括传感膜，其中，所述支撑件在所述第一表面中包括埋置腔，并且其中，所述传感膜邻近所述埋置腔定位；

一个或多个通道，所述一个或多个通道定位在所述支撑件的第一表面与所述盖之间，其中，所述一个或多个通道从所述埋置腔延伸到所述支撑件的外边缘；以及

一个或多个传感元件，所述一个或多个传感元件由所述盖的传感膜支撑。

方案2：如方案1所述的力传感器，还包括致动元件，所述致动元件构造成将力传递到所述传感芯片的传感膜。

方案3：如方案1所述的力传感器，还包括由所述盖支撑的一个或多个电接触部，其中，所述一个或多个电接触部中的每个邻近所述传感膜定位并且电连接到所述一个或多个传感元件，并且其中，所述一个或多个传感元件包括一个或多个压阻式元件。

方案4：如方案3所述的力传感器，还包括邻近所述传感芯片定位的衬底，其中，所述衬底包括电迹线，并且其中，所述一个或多个电接触部构造成电联接到所述衬底的电迹线。

方案5：如方案4所述的力传感器，其中，所述衬底结合到所述支撑件的第二表面，并且其中，所述结合包括以下中的至少一种：直接结合、粘接、钎焊、或其任何组合。

方案6：如方案3所述的力传感器，还包括一个或多个结合垫，其中，所述一个或多个电接触部电联接到所述一个或多个结合垫。

方案7：如方案1所述的力传感器，其中，所述埋置腔由所述盖的第二表面与所述支撑件的第一表面之间的空隙限定。

方案8：如方案1所述的力传感器，其中，所述一个或多个通道和所述腔通过蚀刻形成，并且其中，蚀刻包括以下中的至少一种：KOH湿法蚀刻、深反应离子蚀刻（DRIE）、等离子蚀刻、或其任何组合。

方案9：如方案1所述的力传感器，其中，所述一个或多个通道使所述埋置腔向所述传感芯片的边缘通气，其中，所述一个或多个通道确保来自所述力传感器的输出信号与由所述致动元件施加在所述传感膜上的力相关，并且其中，使所述腔向所述传感芯片的边缘通气消除了环境压力变化和大气压力变化并使所述传感膜上方和下方的压力相等。

方案10：如方案1所述的力传感器，其中，所述腔的表面包括平面状的、均匀的表面，其中，所述传感膜构造成接触所述腔的所述表面。

方案11：如方案1所述的力传感器，其中，所述盖的第二表面通过硅熔融结合而接合到所述支撑件的第一表面。

方案12：如方案1所述的力传感器，其中，所述腔的深度大于所述一个或多个通道的深度。

方案13：一种使用力传感器检测力的方法，所述方法包括：

将力施加到所述力传感器，所述力传感器包括传感芯片，其中，所述传感芯片包括盖和支撑件，其中，埋置腔和一个或多个通道定位在所述盖与所述支撑件之间，其中，所述一个或多个通道从所述埋置腔延伸到所述支撑件的外边缘，其中，所述盖的一部分限定传感膜，并且其中，所述力传感器包括由所述传感膜支撑的一个或多个传感元件和构造成将力传递到所述传感膜的致动元件；

当所述传感膜在所述腔内自由移动时，检测处于第一速率的力增加；

使所述传感膜至少部分地接触所述腔的表面；

当所述传感膜至少部分地接触所述腔的表面时，检测处于第二速率的力增加；以及

通过所述一个或多个通道使所述埋置腔通气。

方案14：如方案13所述的方法，其中，所述一个或多个通道使所述埋置腔向所述传感芯片的边缘通气，其中，使所述腔向所述传感芯片的边缘通气消除了环境压力变化和大气压力变化，并且使所述膜上方和下方的压力相等，并且其中，来自所述力传感器的输出信号指示由所述致动元件施加在所述膜上的力。

方案15：一种组装力传感器的传感芯片的方法，其中，所述组装包括：

在支撑晶片的第一表面中创建多个凹部；

在支撑晶片的第一表面中创建多个通道，其中，所述多个通道与所述多个凹部中的一个或多个相交；

将盖晶片结合到所述支撑晶片的第一表面；

将传感元件施加到所述盖晶片的第一表面；以及

裁切经结合的盖晶片和支撑晶片以形成多个传感芯片。

方案16：如方案15所述的方法，其中，所述多个传感芯片中的每个传感芯片包括所述支撑晶片的一部分、所述盖晶片的一部分、凹部、以及所述多个通道中的一个或多个通道。

方案17：如方案15所述的方法，其中，在裁切经结合的盖晶片和支撑晶片以形成多个传感芯片之前，所述多个凹部被真空密封在所述盖晶片与所述支撑晶片之间。

方案18：如方案16所述的方法，其中，裁切经结合的盖晶片和支撑晶片使所述通道在所述传感芯片的边缘处打开，并使所述传感芯片的凹部通气。

方案19：如方案16所述的方法，其中，所述凹部定位在所述传感芯片的中心处位于所述支撑晶片的所述部分与所述盖晶片的所述部分之间，并且其中，所述一个或多个通道从所述凹部延伸到所述传感芯片的边缘。

方案20：如方案15所述的方法，其中，所述传感元件近似置放在所述一个或多个通道与对应的凹部之间的相交部上方。

附图说明

为了更加充分地理解本公开，现在结合附图和具体实施方式，参考以下的具体实施方式，其中，相似的附图标记表示相似的部件。

图1图示了力传感器的示例性实施例的截面图；

图2A图示了传感芯片的示例性实施例的截面图，该传感芯片包括盖、支撑件、传感膜、腔、以及一个或多个通道；

图2B图示了传感芯片（与图2A中示出的传感芯片的示例性实施例相似）的示例性实施例的侧视图，该传感芯片包括盖、通道、以及支撑件；

图3图示了传感芯片的支撑件的俯视图，该传感芯片包括腔和多个通道；

图4A图示了示例性支撑晶片（wafer）的俯视图，该示例性支撑晶片包括一个或多个支撑件；

图4B图示了包括一个或多个支撑件的示例性支撑晶片的替代的俯视图；以及

图5图示了传感芯片的盖的示例性实施例的示意性俯视图。

具体实施方式

在开始时应理解的是，尽管以下说明了一个或多个实施例的说明性实施方式，然而所公开的系统和方法可使用多种技术来实施，无论是目前已知的还是尚未存在的。不应以任何方式将本公开限制于以下所说明的说明性实施方式、附图和技术，而是可在所附权利要求的范围及它们的等同物的全部范围内修改本公开。

术语的以下简短限定将适用于本申请通篇：

术语“包括”表示包括但不限于，并且应以其在专利语境中通常被使用的方式来解释；

短语“在一个实施例中”、“根据一个实施例”等等一般表示短语之后的特定的特征、结构、或特点可被包括在本发明的至少一个实施例中，并且可被包括在本申请的多于一个的实施例中（重要的是，这样的短语不必指的是相同的实施例）；

如果本说明书将某物描述为“示例性”或“示例”，则应理解的是，这指的是非排它的示例；

术语“大约”或“近似”等等，当与数字一起使用时，可表示特定的数字，或替代地，接近该特定数字的如本技术领域的技术人员将理解的那样（例如，+/-10%）的范围；以及

如果本说明书陈述部件或特征“可”、“能够”、“可以”、“应该”、“将会”、“优选地”、“可能地”、“通常”、“可选地”、“例如”、“经常”或者“也许”（或其它这样的语言）被包括或具有一特征，该具体的部件或特征不必须要被包括或不必须具有该特征。这样的部件或特征可以可选地被包括在一些实施例中，或者其可被排除。

本公开的实施例一般地涉及力传感器，且更具体地，力传感器包括定位在盖与传感芯片的支撑件之间的一个或多个通道和埋置腔。

由于力传感器发展成装配到越来越小的封装件中，所以实现高过力保护水平所面对的挑战增加。市场上典型的力传感器或测压元件（load cell）利用加入设计的一个或多个机械特征来实现它们的过力保护。在测压元件的情况中，这可通过在进行感测的梁（beam）元件上放置机械行程限制器来实现。然而，对于测压元件和力传感器，较小的封装件会限制包括机械特征（诸如止挡件或控制元件）的能力。

本公开的实施例在传感器自身的结构内提供过力保护，其中，所述结构可不依靠任何总体组装控制，而是利用精确的晶片结合工艺。实施例可包括传感芯片，该传感芯片包括结合到支撑件的盖。盖可包含惠斯通电桥、传感元件、以及可在所施加的力的作用下移动的膜。支撑件可包括创建（例如，蚀刻）在其上的埋置腔/浅腔。当盖的膜因为操作力而移位时，盖的膜可向下移动到支撑件的埋置腔/浅腔中。当负载持续增加超过第一（操作）力范围并进入第二（校验）力范围时，膜可接近埋置腔/浅腔的底表面，并且最终可接触底表面，并可停止移动。当膜接触腔的底表面时，这可使来自所施加的力的全部负载传递到支撑件，并可限制膜上的应力，由此防止膜的过力（以及可能的损伤）。

通常，包括埋置腔/浅腔并且在低的力范围（例如，小于10牛顿）内操作的压力传感器会对埋置腔/浅腔内的压力敏感，埋置腔/浅腔会对压力传感器的精确度具有显著影响。常规上，压力传感器的埋置腔/浅腔可被真空密封在盖与支撑件之间。因此，传感芯片的输出会依赖于大气压力变化和局部环境压力干扰两者。为了减小/消除大气和环境压力对力传感器的影响，所公开的实施例可包括使埋置腔/浅腔通气。

在一些实施例中，埋置腔/浅腔可向传感芯片的底部通气。一般地，这会需要另外地加工传感芯片和力传感器的封装件，以确保没有妨碍计量基准。另外，传感芯片在底部处进行通气不可排除来自可能发生在压力传感器的顶部处而非底部处的局部压力干扰。例如，在应用中，当力传感器的致动元件正由外部管件向下推时，空气可在覆盖空间中被压缩。在这种情况下，输出信号会反映出力传感器上方空气压缩的影响。因此，埋置腔/浅腔的底部通气可能不能有效地排除力传感器上的压力干扰。

本公开的实施例可包括使埋置腔/浅腔侧通气。例如，一个或多个通道可从支撑件中的埋置腔/浅腔延伸到支撑件的边缘。传感芯片在侧部处进行通气可确保膜在其上方和下方具有相同的压力。因此，装置可仅对传感芯片的力改变敏感（如通过致动元件联接）。另外，在侧部处进行通气使腔的底部保持平面状并避免孔或其它的不规则部。这对于包括过力保护的力传感器是重要的，在这种传感器中，膜可构造成接触埋置腔/浅腔的底部。腔在底部处进行通气在重复的力循环的情况下会限制力传感器的可靠性。在一些实施例中，可在与形成埋置腔/浅腔相同的过程期间形成一个或多个通道——由此，降低传感芯片的成本。另外，力传感器的组装和使用可不受影响，因为传感芯片可就像没有进行通气的传感芯片那样安装（例如，会无需在传感芯片和力传感器封装件的底部中形成基准孔）。

力传感器的示例性传感芯片可以以盖晶片和支撑晶片为开始来进行制造。通常，可在支撑晶片的第一表面上形成多个凹部。多个凹部中的各凹部可限定各传感芯片的埋置腔/浅腔。通常，可在支撑晶片的第一表面上形成多个通道，使得多个通道与多个凹部中的一个或多个相交。多个通道可从多个埋置腔/浅腔向外延伸，使得各埋置腔/浅腔包括相等数目的相交通道。在一些实施例中，多个通道可从相应的埋置腔/浅腔的角部向外延伸。在一些实施例中，多个通道可与多个埋置腔/浅腔的边缘垂直相交。可使用多种微制造技术来形成多个凹部和多个通道，多种微制造技术包括但不限于光刻技术、湿法蚀刻技术（例如KOH）和干法蚀刻技术（例如，深反应离子蚀刻（DRIE）、等离子蚀刻等）。一般地，各埋置腔/浅腔的深度可大于一个或多个通道的深度。

通常，盖晶片和支撑晶片可以是使用包括直接结合技术（例如，硅熔融结合）在内的多种结合技术结合在一起的硅晶片。一般地，将盖晶片直接结合到支撑晶片可使材料之间的热失配最小。一旦盖晶片结合到支撑晶片，盖晶片的一部分就可限定埋置腔/浅腔（例如，盖晶片的一部分置放在埋置腔/浅腔的上方），由此方便地形成传感膜。在一些实施例中，可使用标准摹制（standard pattern）、植入、扩散、和/或金属互连工艺来形成盖晶片的第一表面上的一个或多个传感元件。例如，可在传感膜上形成一个或多个压阻式传感元件。压阻式传感元件可构造成具有根据所施加的机械应力（例如，力传感膜的挠曲）变化的电阻。因此，压阻式传感元件可用于将所施加的力转变成电信号。在一些例子中，压阻式部件可包括硅压阻式材料；然而，可使用其它的非硅材料。在一些情况下，压阻式传感元件可连接在惠斯通电桥构造（全桥或半桥）中。一般将理解的是，压阻式传感元件仅是力传感元件的一个示例，并且构想出，可根据期望使用任何其它的适合的传感元件。

在一些实施例中，可在盖的第一表面上并且在邻近传感膜处形成一个或多个结合垫（bond pad）。可设置金属、扩散部、或互连部以使一个或多个压阻式传感元件与一个或多个结合垫互连。在一些实施例中，还可在盖的第一表面中或第一表面上形成信号调节电路。信号调节电路可调理从一个或多个传感元件接收的一个或多个传感器信号，之后将经调节的输出提供到结合垫中的一个或多个。一般地，信号调节电路可包括放大、模拟数字转换，偏移补偿电路、线性化、温度补偿、和/或其它适合的信号调节功能。

一般地，经结合的盖晶片和支撑晶片可被裁切，以形成多个传感芯片。通常，晶片裁切可包括划线折断法、机械锯开、和/或激光切割。在晶片裁切的过程之前，多个埋置腔/浅腔可被真空密封在盖晶片与支撑晶片之间，如将会在制造具有埋置腔/浅腔的传感芯片的标准过程期间发生的情况那样。然而，一旦经结合的盖晶片和支撑晶片被裁切，多个埋置腔/浅腔就会是通气的，因为一个或多个通道暴露于传感芯片的边缘。这可使传感膜上方和下方的压力相等。通常，一旦包括多个凹部和多个通道的支撑晶片被结合到盖晶片，对传感芯片的裁切就可发生。在一些实施例中，可在裁切过程完成之前或之后将多个传感元件和多个结合垫附接到盖晶片的第一侧。

在使用中，待感测的力可被提供到致动元件的第一端。待感测的力可由致动元件传递到传感膜。所施加的力可使定位在盖内的传感膜变形。传感膜可挠曲进入埋置腔/浅腔内。通常，当传感膜在埋置腔/浅腔内自由移动时，力传感器可检测处于第一速率的力的变化。一般地，传感膜可至少部分地接触埋置腔/浅腔的表面。一旦传感膜至少部分地接触埋置腔/浅腔的表面，力传感器就可检测处于第二速率的力的变化。另外，埋置腔/浅腔可由一个或多个通道向传感芯片的边缘通气，以消除由于局部压力干扰和/或大气压力变化的缘故而引起的误差。通常，通过使埋置腔/浅腔向传感芯片的边缘通气，传感膜上方和下方的压力会是相等的。

一般地，在使用中，由致动元件引起的膜的挠曲会使力传感膜上的一个或多个传感元件产生应力。当传感元件是压阻式传感元件时，应用穿过传感元件的电流来提供对应于施加到传感膜的力的量的信号。一般地，信号可从一个或多个传感元件被传送到结合垫，结合垫通常可设置在力传感芯片上，使得当组装时，可能够接入线结合垫，以经由线结合件（wire bond）等电连接到其它部件。在一些情况下，所得的信号可通过调节电路调节并经由电导线输出。尽管本领域技术人员应理解基于以上公开所公开的实施例，然而下图可提供具体示例，其可使本公开进一步清晰化。

现在转向附图，图1图示了力传感器100的示例性实施例的截面图。图1的示例性力传感器100包括致动元件140、传感芯片110、以及衬底150。图1中所示的传感芯片110包括盖120和支撑件130。通常，盖120可使用包括直接结合技术在内的多种结合技术结合到支撑件130的第一表面130a。例如，二氧化硅结合层可定位在盖120的第二表面120b与支撑件130的第一表面130a之间，这可允许盖120通过硅熔融结合来结合到支撑件130。一般地，支撑件130的第一表面130a可包括埋置腔/浅腔133和向传感芯片110的边缘通气的一个或多个通道132，如图1的示例性实施例中示出的那样。埋置腔/浅腔的通气可降低和/或消除大气压力变化和/或局部环境压力干扰对力传感器100的影响。埋置腔/浅腔133的通气可允许力传感器100仅对由于与致动元件140接触的传感媒介170所施加的压力而发生的力的改变敏感。换言之，埋置腔/浅腔133的通气可导致传感膜123的顶部和底部两者上的压力相同。

在图1的示例性实施例中，致动元件140是球形的滚珠，并且可包括不锈钢、聚合物、陶瓷、另外的适合的金属、和/或另外的适合的材料（例如，聚合物基物体）。在一些实施例中，致动元件140可包括不同的形状。例如，致动元件140可以是T形的、圆柱形的、梯形的、三角形的、椭圆形的、或包括构造成与传感芯片110的传感膜123形成聚焦式接触（focalcontact）的至少一端的任何其它形状。一般地，致动元件140可构造成接触定位在支撑件130的埋置腔/浅腔133上方的传感膜123。在图1的示例性实施例中，传感膜123支撑盖120的第一侧120a上的一个或多个传感元件122。通常，传感元件122可与定位在盖的第一表面（图5中所示）的一个或多个结合垫电连通。一个或多个结合垫可允许使用线结合件而电连接到其它的部件。在图1的示例性实施例中，线结合件124可与衬底150上的电迹线电连通。一般地，衬底150可包括陶瓷材料（例如，氧化铝、PCB）。然而，构想出，除了陶瓷材料之外或者作为陶瓷材料的替代，可根据期望使用其它适合的材料。另外，如图1的实施例中示出的，支撑件130的第二表面130b可结合到衬底150。在一些实施例中，结合部160可包括以下中的至少一者：直接结合部、粘接部、钎焊部、或其任何组合。

图2A图示了传感芯片210的示例性实施例的截面图，传感芯片210包括盖220、支撑件230、膜223、埋置腔/浅腔233、以及一个或多个通道232（与图1中示出的传感芯片110相似）。通常，传感芯片210可包括由硅晶片形成的盖220和支撑件230。在图2A的示例性实施例中，支撑件230包括凹部和多个通道232。通常，凹部可限定传感芯片210的埋置腔/浅腔233，使得当致动元件感测来自传感媒介的力时传感膜223可挠曲进入埋置腔/浅腔233内。另外，多个通道232可形成为从埋置腔/浅腔233向外延伸。以这样的方式，埋置腔/浅腔233可向传感芯片210的外边缘通气，以使传感膜223上方和下方的压力相等。图2A的示例性实施例图示了在埋置腔/浅腔233的两侧上对称地形成的两个通道232。在一些实施例中，可存在绕埋置腔/浅腔233形成的另外的通道。例如，可存在一个通道、两个通道、四个通道、六个通道、八个通道、九个通道等。通常，通道232的数目可绕埋置腔/浅腔233以对称的方式来构造。然而，在一些实施例中，通道232可绕埋置腔/浅腔233非对称地置放。另外，埋置腔/浅腔233可具有比多个通道232更大的深度，如图2A中所示。

为了形成埋置腔/浅腔233和多个通道232，可使用多种微加工技术，包括但不限于光刻技术、湿法蚀刻技术（例如KOH）、以及干法蚀刻技术（例如，深反应离子蚀刻（DRIE）、等离子蚀刻等）。一般地，一旦形成埋置腔/浅腔233和多个通道232，盖220就可使用包括直接结合技术在内的多种结合技术来结合到支撑件230。通常，在盖220直接结合到支撑件230期间，埋置腔/浅腔233和多个通道232可保持不受限制，以允许通向和来自多个通道232和埋置腔/浅腔233的空气流。

在一些实施例中，盖220和支撑件230的厚度可变化。例如，在一些实施例中，支撑件230可具有比盖220更大的厚度，如图2A的示例实施例中示出的那样。在一些实施例中，盖220可具有比支撑件230更大的厚度。在一些实施例中，盖220和支撑件230可具有相等的厚度。在示例性实施例中，传感芯片210的总高度可以是近似400微米，盖220和支撑件230各自具有近似200微米的高度。

图2B图示了图2A中所示的传感芯片210的示例性实施例的侧视图，传感芯片210包括盖220、通道232、以及支撑件220。一般地，盖220可以采用与关于图2A所论述的方式相似的方式结合到支撑件230。另外，埋置腔/浅腔和多个通道232可以采用与关于图2A所论述的方式相似的方式被蚀刻。在图2B的示例性实施例中，示出了多个通道中的一个通道232的侧视图。示例性通道232包括“V”形槽。一般地，“V”形槽可由KOH湿法蚀刻形成。在其它的实施例中，多个通道232的形状可变化（例如，方形槽、矩形槽、圆形槽等），并且可使用多种其它的微加工技术（例如，DRIE、等离子蚀刻等）来形成埋置腔/浅腔和多个通道232。

图3图示了传感芯片的支撑件30的俯视图，传感芯片包括埋置腔/浅腔333和多个通道332。一般地，支撑件330可由包括多个支撑件的支撑晶片形成。通常，传感芯片可通过如下来形成：将盖晶片结合到支撑晶片（包括多个埋置腔/浅腔333和多个通道332），并然后将经结合的盖晶片和支撑晶片裁切以形成多个传感芯片。通常，在对晶片裁切之后，每个埋置腔/浅腔333可向其相应的支撑件330的边缘通气，如图3的示例性实施例中示出的那样。另外，埋置腔/浅腔333可被蚀刻，使得埋置腔/浅腔333的边缘是倾斜的（例如，带斜面的）。在图3的实施例中，每个通道332从埋置腔/浅腔333的边缘向外延伸。尽管埋置腔/浅腔333的形状可以变化，但由于用来蚀刻埋置腔/浅腔333的微加工技术的缘故，其通常会是方形的。另外，取决于微加工技术的类型，通道332的位置可发生变化（例如，通道332可从埋置腔/浅腔333的角部向外延伸到传感芯片的角部）。

图4A图示了示例性支撑晶片431的俯视图，示例性支撑晶片431包括一个或多个支撑件430。一般地，可在支撑晶片431的第一表面430a上形成多个凹部。多个凹部可限定每个传感芯片的埋置腔/浅腔433。一般地，可在支撑晶片431的第一表面430a上形成多个通道432，并且多个通道432可与多个凹部中的一个或多个相交。多个通道432可从多个埋置腔/浅腔433向外延伸，使得每个埋置腔/浅腔包括相等数目的相交通道。在图4A的示例性实施例中，多个通道432形成为与每个埋置腔/浅腔433垂直相交。另外，如在左上支撑件上作为示例示出的，传感元件422可放置在多个通道432与埋置腔/浅腔433的每个相交部上方。通常，传感元件422可放置在盖的第一表面上，并且盖的第二表面可结合到支撑件430的第一表面430a。以这样的方式，传感元件422可放置在由左上支撑件430所指示的位置中。一般地，对于支撑晶片431内的每个支撑件430，多个传感元件422相对于多个通道432和埋置腔/浅腔433的放置可保持一致。

在图4A的示例性实施例中，支撑晶片431可被裁切。一般地，晶片切片可包括划线折断法、机械锯开、和/或激光切割。在晶片裁切的过程之前，包括多个埋置腔/浅腔433和多个通道432的支撑晶片431可结合到盖晶片。一旦结合，多个埋置腔/浅腔433和多个通道432可被真空密封在盖晶片（图5中所示）与支撑晶片431之间。通常，一旦经结合的盖晶片和支撑晶片431被裁切（如由单个传感芯片之间的间隙480所示），多个埋置腔/浅腔433可向相应的传感芯片的边缘通气。一般地，图4A中所示的单个传感芯片之间的间距/间隙480在制造过程期间可能不存在。通常，多个通道432可以以连续的方式形成在各个埋置腔/浅腔433之间。

图4B图示了示例性支撑晶片431的替代的俯视图，该示例性支撑晶片431包括一个或多个支撑件430、434、435、436、437、438。一般地，可在支撑晶片431的第一表面430a上形成多个埋置腔/浅腔433。通常，多个通道432可从多个埋置腔/浅腔433向外延伸。在图4B的示例性实施例中，多个通道432形成为从埋置腔/浅腔433的角部延伸到相应的传感芯片的角部。另外，如在左上支撑件上作为示例示出的，传感元件422可放置在埋置腔/浅腔433的四个边缘的中心处。以这样的方式，多个通道432可避开传感元件422，这可改善传感芯片的稳定性。在图4B的示例性实施例中，在左上支撑件430上作为示例示出了传感元件的放置；然而，对于包括在支撑晶片431内的其它支撑件434、435、436、437、438而言，传感元件可被放置在相似的位置中。一般地，晶片裁切过程可相似于关于图4A所描述的过程。

图5图示了传感芯片的盖520的示例性实施例的示意性俯视图。一般地，盖520的第二表面可结合到支撑件。通常，盖520的设置在埋置腔/浅腔上或邻近埋置腔/浅腔的部分可以是传感膜523。另外，如图5中示出的，传感芯片的盖520可具有设置在传感膜523上或邻近传感膜523的一个或多个传感元件522，诸如压阻式传感元件522或使用适合的制造或印刷技术形成的部件。例如，以硅盖520作为开始，可使用标准摹制、植入、扩散、和/或金属互连工艺来在盖520的第一表面520a上形成一个或多个传感元件522。例如，可在传感膜523上形成一个或多个压阻式传感元件522。压阻式传感元件522可构造成具有根据所施加的机械应力（例如，传感膜523的挠曲）变化的电阻。因此，压阻式传感元件522可用于将所施加的力或压力转变成电信号。在一些例子中，压阻部件可包括硅压阻材料；然而，可使用其它的非硅材料。

另外，如图5中所示，可在盖520的第一表面520a上或邻近传感膜523形成一个或多个结合垫524。可设置金属、扩散部、或互连部以使一个或多个压阻式传感元件522与一个或多个结合垫524互连。如图5中所示，压阻式传感元件522中的一个或多个可电联接到结合垫524中的一个或多个。

在已经尤其关于附图描述了上面的装置实施例的情况下，各种另外的实施例可包括但不限于以下内容：

在第一实施例中，力传感器包括：传感芯片，传感芯片包括盖和支撑件，其中，盖联接到支撑件的第一表面并且包括传感膜，其中，支撑件在第一表面中包括埋置腔，并且其中，传感膜邻近埋置腔定位（并与埋置腔相互作用）；一个或多个通道，一个或多个通道定位在支撑件的第一表面与盖之间，其中，一个或多个通道从埋置腔延伸到支撑件的外边缘；以及一个或多个传感元件，一个或多个传感元件由盖的传感膜支撑。第二实施例可以包括第一实施例的力传感器，还包括致动元件，致动元件构造成将力传递到传感芯片的传感膜。第三实施例可以包括第一到第二实施例的力传感器，还包括由盖支撑的一个或多个电接触部，其中，一个或多个电接触部中的每个邻近传感膜定位，并且电连接到一个或多个传感元件。第四实施例可以包括第一到第三实施例的力传感器，还包括邻近传感芯片定位的衬底，其中，衬底包括电迹线，并且其中，一个或多个电接触部构造成电联接到电迹线。第五实施例可以包括第一到第四实施例的力传感器，其中，衬底结合到支撑件的第二表面，并且其中，所述结合包括以下中的至少一种：直接结合、粘接、钎焊、或其任何组合。第六实施例可以包括第一到第五实施例的力传感器，其中，衬底由陶瓷板或层压板中的至少一种形成。第七实施例可以包括第一到第六实施例的力传感器，还包括一个或多个结合垫，其中，一个或多个电接触部电联接到一个或多个结合垫。第八实施例可以包括第一到第七实施例的力传感器，其中，埋置腔由盖的第二表面与支撑件的第一表面之间的空隙限定。第九实施例可以包括第一到第八实施例的力传感器，其中，一个或多个传感元件包括一个或多个压阻式元件。第十实施例可以包括第一到第九实施例的力传感器，其中，致动元件由金属、陶瓷、聚合物、或其任何组合形成。第十一实施例可以包括第一到第十实施例的力传感器，其中，一个或多个通道和腔通过蚀刻形成，并且其中，蚀刻包括以下中的至少一种：KOH湿法蚀刻、深反应离子蚀刻（DRIE）、等离子蚀刻、或其任何组合。第十二实施例可以包括第一到第十一实施例的力传感器，其中，一个或多个通道使埋置腔向传感芯片的边缘通气，其中，一个或多个通道确保来自力传感器的输出信号与由致动元件施加在膜上的力相关，并且其中，使腔向传感芯片的边缘通气消除了环境压力变化和大气压力变化，并使膜上方和下方的压力相等。第十三实施例可以包括第一到第十二实施例的力传感器，其中，腔的表面包括平面状的、均匀的表面，其中，传感膜构造成接触腔的表面。第十四实施例可以包括第一到第十三实施例的力传感器，其中，传感膜和一个或多个传感元件构造成提供如下输出：当传感膜在腔内自由移动时，该输出以第一速率增加，并且当膜与腔的表面接触时，该输出以第二速率增加。第十五实施例可以包括第一到第十四实施例的力传感器，还包括定位在盖的第二表面与支撑件的第一表面之间的二氧化硅结合层。第十六实施例可以包括第一到第十五实施例的力传感器，其中，盖的第二表面通过硅熔融结合而结合到支撑件的第一表面。第十七实施例可以包括第一到第十六实施例的力传感器，其中，腔的深度大于一个或多个通道的深度。第十八实施例可以包括第一到第十七实施例的力传感器，其中，传感芯片的高度是近似400微米。第十九实施例可以包括第一到第十八实施例的力传感器，其中，盖的高度是近似200微米，并且其中，支撑件的高度是近似200微米。第二十实施例可以包括第一到第十九实施例的力传感器，其中，腔的深度在近似0.5微米与近似25微米之间。

示例实施例还可涉及一种使用力传感器（例如，相似于上面所描述的力传感器，上面所描述的力传感器可被认为关于对系统的论述可选地并入此处）检测力的方法。这样的方法的实施例例如可包括但不限于以下：

在第二十一实施例中，一种使用力传感器检测力的方法，该方法包括：将力施加到力传感器，力传感器包括传感芯片，其中，传感芯片包括盖和支撑件，其中，埋置腔和一个或多个通道定位在盖与支撑件之间，其中，一个或多个通道从埋置腔延伸到支撑件的外边缘，其中，盖的一部分限定传感膜，并且其中，力传感器包括由传感膜支撑的一个或多个传感元件和构造成将力传递到传感膜的致动元件；当传感膜在腔内自由移动时，检测处于第一速率的力增加；使传感膜至少部分地接触腔的表面；当传感膜至少部分地接触腔的表面时，检测处于第二速率的力增加；以及，通过一个或多个通道使埋置腔通气（以消除/防止外部压力变化）。第二十二实施例可以包括第二十一实施例的方法，其中，一个或多个通道使埋置腔向传感芯片的边缘通气，其中，使腔向传感芯片的边缘通气消除了环境压力变化和大气压力变化并使膜上方和下方的压力相等，并且其中，来自力传感器的输出信号指示由致动元件施加在膜上的力。

示例实施例还可涉及一种组装力传感器（例如，相似于上面所描述的力传感器，上面所描述的力传感器可被认为关于对系统的论述可选地并入此处）的传感芯片的方法。这样的方法的实施例例如可包括但不限于以下：

在第二十三实施例中，一种组装力传感器的传感芯片的方法，其中，组装包括：在支撑晶片的第一表面中创建多个凹部；在支撑晶片的第一表面中创建多个通道，其中，多个通道与多个凹部中的一个或多个相交；使盖晶片结合到支撑晶片的第一表面；将传感元件施加到盖晶片的第一表面；以及将经结合的盖晶片和支撑晶片裁切/锯开/切割/分段以形成多个传感芯片。第二十四实施例可以包括第二十三实施例的方法，其中，多个传感芯片中的每个传感芯片包括支撑晶片的一部分、盖晶片的一部分、凹部、以及多个通道中的一个或多个通道。第二十五实施例可以包括第二十三到第二十四实施例的方法，其中，在锯开经结合的盖晶片和支撑晶片以形成多个传感芯片之前，多个凹部被真空密封在盖晶片与支撑晶片之间。第二十六实施例可以包括第二十三到第二十五实施例的方法，其中，裁切经结合的盖晶片和支撑晶片使通道在传感芯片的边缘处打开，并使传感芯片的凹部通气。第二十七实施例可以包括第二十三到第二十六实施例的方法，其中，凹部定位在传感芯片的中心处位于支撑晶片的一部分与盖晶片的一部分之间，并且其中，一个或多个通道从凹部延伸到传感芯片的边缘。第二十八实施例可以包括第二十三到第二十七实施例的方法，其中，一个或多个通道从凹部对称地延伸到传感芯片的角部。第二十九实施例可以包括第二十三到第二十八实施例的方法，其中，传感元件由盖晶片的一部分的第一侧支撑，其中，传感元件围绕盖晶片的一部分的中心对称定位。第三十实施例可以包括第二十三到第二十九实施例的方法，其中，传感元件近似置放在一个或多个通道与凹部之间的相交部上方。第三十一实施例可以包括第二十三到第三十实施例的方法，其中，传感元件近似置放在凹部的边缘上方。

尽管上面已经示出并描述了依照本文中所公开的原理的各种实施例，但在不偏离本公开的精神和教导的情况下，本领域技术人员可对其作出修改。本文中所描述的实施例仅是示意性的，并且不意图是限制性的。许多变型、组合、和修改是可能的，并且在本公开的范围内。由组合、整合、和/或省去（一个或多个）实施例的特征所得的替代实施例也在本公开的范围内。因此，保护范围不受上面陈述的描述的限制，而是由所附权利要求限定，该范围包括权利要求的主题的所有等同物。每一条权利要求作为另外的公开被并入说明书中，并且权利要求是（一个或多个）当前发明点的（一个或多个）实施例。此外，上面的描述的任何优点和特征可涉及特定的实施例，但不应限制这样提出的权利要求应用于如下的过程和结果，所述过程和结果实现上面的优点中的任何或全部，或者具有上面特征中的任何或全部。

另外，本文中使用的段落标题被提供以符合根据37 C.F.R. 1. 77的建议，或者以其它方式提供组织线索。这些标题不应限制或表征可从本公开产生的在任何权利要求中陈述的发明点。具体地，且通过示例的方式，尽管标题可能涉及“领域”，但权利要求不应受到在该标题下用以描述所谓的领域所选择的语言的限制。另外，“背景技术”中的技术描述不解释成承认某些技术是本公开中的任何（一个或多个）发明点的现有技术。同样地，“发明内容”也不被认为是所提出的权利要求中陈述的（一个或多个）发明点的限制特征。此外，在该公开中对单一形式的“发明点”的任何引用不应用于表明本公开中仅存在单个新颖点。根据从该公开产生的多条权利要求的限制可陈述多个发明点，并且这样的权利要求因此限定（一个或多个）发明点及其等同物，其由此得到保护。在所有的例子中，权利要求的范围应根据本公开在它们自己的价值上来考虑，而不应受到本文中陈述的标题的限制。

诸如“包括”、“包含”和“具有”的上位术语的使用不应理解为向诸如“由……组成”、“基本上由……组成”、以及“大体上由……组成”提供支持。关于实施例的任何元件的术语“可选地”、“可”、“可以”、“可能地”等等的使用表示：元件是不需要的，或替代地，元件是需要的，两种选择都在（一个或多个）实施例的范围内。而且，对示例的引用仅为了说明性目的而被提供，并且不意图是排它的。

尽管本公开中提供了若干实施例，然而应理解的是，在不偏离本公开的精神或范围的情况下，所公开的系统和方法可以以许多其它特定的形式来实施。当前的示例被认为是说明性的且非限制性的，并且本发明将不限于本文中给定的细节。例如，各种元件或部件可组合或整合在另一系统中，或者某些特征可省去或不实施。

而且，在不偏离本公开的范围的情况下，在各种实施例中描述和图示为分立的或分开的技术、系统、子系统、以及方法可与其它的系统、模块、技术、或方法组合或整合。示出或论述为彼此直接联接或连通的其它物品可通过一些接口、装置、或中间部件间接地联接或连通，无论是电气地、机械地、或者其它方式的连通。本领域技术人员能够确定变化、替换、以及更改的其它示例，并且在不偏离本文中公开的精神和范围的情况下可作出变化、替换和更改的其它示例。

Claims (12)

1.一种力传感器（100），包括：

传感芯片（210），所述传感芯片（210）包括盖（120）和支撑件（130），其中，所述盖（120）联接到所述支撑件（130）的第一表面（130a）并且包括传感膜（123），其中，所述支撑件（130）包括由在所述支撑件（130）的所述第一表面（130a）中形成的凹部限定的腔（133），并且其中，所述传感膜（123）位于所述腔（133）上方；

致动元件（140），所述致动元件（140）构造成将力传递到所述传感芯片（210）的传感膜（123）；

多个通道（132），所述多个通道（132）形成在所述支撑件（130）的第一表面（130a）中，其中，所述多个通道（132）围绕所述腔（133）以对称方式形成并且从所述腔（133）延伸到所述支撑件（130）的外边缘；

其中，在所述支撑件（130）的所述第一表面（130a）中的所述腔（133）的深度大于在所述支撑件（130）的所述第一表面（130a）中的所述多个通道（132）的深度；以及

一个或多个传感元件（122），所述一个或多个传感元件（122）由所述盖（120）的传感膜（123）支撑，

其中，所述腔（133）由所述盖（120）的第二表面（120b）与在所述支撑件（130）的第一表面（130a）中形成的所述凹部之间的空隙限定，其中，所述腔（133）的底表面包括平面状的、均匀的表面，并且其中，所述传感膜（123）构造成接触所述腔（133）的所述底表面。

2.如权利要求1所述的力传感器，还包括由所述盖（120）支撑的一个或多个电接触部（124），其中，所述一个或多个电接触部（124）中的每个邻近所述传感膜（123）定位并且电连接到所述一个或多个传感元件（122），并且其中，所述一个或多个传感元件（122）包括一个或多个压阻式元件。

3.如权利要求2所述的力传感器，还包括邻近所述传感芯片（210 ）定位的衬底（150），其中，所述衬底（150）包括电迹线，并且其中，所述由所述盖（120）支撑的一个或多个电接触部（124）构造成电联接到所述衬底（150）的电迹线。

4.如权利要求2所述的力传感器，还包括一个或多个结合垫（524），其中，所述一个或多个电接触部（124）电联接到所述一个或多个结合垫（524）。

5.如权利要求1所述的力传感器，其中，所述多个通道（132）和所述腔（133）通过蚀刻形成到所述支撑件（130）中，并且其中，蚀刻包括以下中的至少一种：KOH湿法蚀刻、深反应离子蚀刻（DRIE）、等离子蚀刻、或其任何组合。

6.如权利要求1所述的力传感器，其中，所述多个通道（132）使所述腔（133）向所述传感芯片（210）的边缘通气，其中，所述多个通道（132）确保来自所述力传感器（100）的输出信号与由所述致动元件（140）施加在所述传感膜（123）上的力相关，并且其中，使所述腔（133）向所述传感芯片（210）的边缘通气消除了环境压力变化和大气压力变化并使所述传感膜（123）上方和下方的压力相等。

7.如权利要求1所述的力传感器，其中，所述盖（120）的第二表面（120b）通过硅熔融结合而结合到所述支撑件（130）的第一表面（130a）。

8.一种使用力传感器（100）检测力的方法，所述方法包括：

将力施加到所述力传感器（100），所述力传感器（100）包括传感芯片（210），

其中，所述传感芯片（210）包括盖（120）和支撑件（130），

其中，所述盖（120）联接到所述支撑件（130）的第一表面（130a）并且包括传感膜（123），其中，所述支撑件（130）包括由在所述支撑件（130）的所述第一表面（130a）中形成的凹部限定的腔（133），以及多个通道（132），所述多个通道（132）形成在所述支撑件（130）的第一表面（130a）中，

其中，所述传感膜（123）位于所述腔（133）上方，

其中，所述多个通道（132）围绕所述腔（133）以对称方式形成并且从所述腔（133）延伸到所述支撑件（130）的外边缘，

其中，在所述支撑件（130）的所述第一表面（130a）中的所述腔（133）的深度大于在所述支撑件（130）的所述第一表面（130a）中的所述多个通道（132）的深度，并且

其中，所述力传感器（100）包括由所述传感膜（123）支撑的一个或多个传感元件（122）和构造成将力传递到所述传感膜（123）的致动元件（140）；

当所述传感膜（123）在所述腔（133）内自由移动时，检测处于第一速率的力增加；

使所述传感膜（123）至少部分地接触所述腔（133）的底表面；

当所述传感膜（123）至少部分地接触所述腔（133）的底表面时，检测处于第二速率的力增加；以及

通过所述多个通道（132）使所述腔（133）通气，

其中，所述腔（133）由所述盖（120）的第二表面（120b）与在所述支撑件（130）的第一表面（130a）中形成的所述凹部之间的空隙限定，其中，所述腔（133）的底表面包括平面状的、均匀的表面，并且其中，所述传感膜（123）构造成接触所述腔（133）的所述底表面。

9.如权利要求8所述的方法，其中，所述多个通道（132）使所述腔（133）向所述传感芯片（210）的边缘通气，其中，使所述腔（133）向所述传感芯片（210）的边缘通气消除了环境压力变化和大气压力变化，并且使所述传感膜（123）上方和下方的压力相等，并且其中，来自所述力传感器（100）的输出信号指示由所述致动元件（140）施加在所述传感膜（123）上的力。

10.一种组装根据权利要求1-7中任一项所述的力传感器的传感芯片的方法，其中，所述组装包括：

在支撑晶片的第一表面中创建多个凹部；

在支撑晶片的第一表面中创建多个通道，其中，所述多个通道与所述多个凹部中的一个或多个相交；

其中，在所述支撑晶片的所述第一表面中的所述多个凹部的深度大于在所述支撑件的所述第一表面中的所述多个通道的深度；

将盖晶片结合到所述支撑晶片的第一表面，其中，所述盖晶片形成多个传感膜，所述多个传感膜各自在所述多个凹部中的一者上；

将一个或多个传感元件施加到所述多个传感膜的每一者；以及

裁切经结合的盖晶片和支撑晶片以形成多个传感芯片。

11.如权利要求10所述的方法，其中，所述多个传感芯片中的每个传感芯片包括所述支撑晶片的一部分、所述盖晶片的一部分、凹部、以及所述多个通道中的一个或多个通道。

12.如权利要求10所述的方法，其中，裁切经结合的盖晶片和支撑晶片使所述通道在所述传感芯片的边缘处打开，并使所述传感芯片的凹部通气。

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