CN110031136B - 一种传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例涉及一种力传感器及其制备方法，所述力传感器包括MEMS力传感器芯片，所述芯片包括基底，基底的上表面具有凹槽，基底的上表面上设置有压力敏感层；所述压力敏感层包括边框和压力敏感梁；所述边框部分地或完全地围绕凹槽设置，所述压力敏感梁设置于所述凹槽的上方，压力敏感梁的各端部分别与压力敏感层的边框相连；所述压力敏感层的上表面上设置有多个压敏电阻，每个压敏电阻的至少一部分位于所述压力敏感梁上，所述多个压敏电阻连接构成惠斯通电桥。该传感器能够直接检测外部压力，无需媒介，扩大了应用场景。
Description
技术领域
本发明涉及微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)技术领域，更具体地，涉及一种传感器及其制备方法。
背景技术
MEMS压力传感器是一种半导体薄膜元件，具有体积小、重量轻、精度高、灵敏度高、成本低的优点。现有技术中，MEMS压力传感器主要有电容式和压阻式两种，其中，压阻式压力传感器是通过在硅压力敏感膜片上制作压敏电阻，形成惠斯通电桥(图1a是惠斯通电桥原理示意图)，当外部的压力作用在硅压力敏感膜片上时，膜片发生形变，引起硅材料晶格压缩和拉伸，导致压敏电阻的阻值发生变化，通过惠斯通电桥能够检测外部压力。
图1b是现有技术中的压阻式MEMS压力传感器芯片的结构示意图，包括第一玻璃体1、硅压力敏感膜片2，和第二玻璃体3，硅压力敏感膜片2的上表面上制作压敏电阻4，形成惠斯通电桥，第一玻璃体1和硅压力敏感膜片2的上表面之间形成真空腔5，硅压力敏感膜片2与上表面相对的第二表面和第二玻璃体3形成与外部环境连通的引压腔6，当外部气体或液体通过引压腔6作用于硅压力敏感膜片2时，引起膜片发生形变，导致压敏电阻阻值变化，破坏了电桥平衡，输出与气压呈正比的电压信号，从而能够检测外部压力。
上述压阻式MEMS压力传感器具有明显的缺陷，其检测依赖于气体、液体等流体媒介，其实质检测是气体或液体等流体对硅压力敏感膜片所施加的力，所检测的实质是气体或液体的压强，而不是直接作用于硅敏感膜片上的外力本身，只能应用于具有气体、液体等流体媒介的场景，当没有气体或液体作为媒介时，此类压力传感器将无法适用，大大限制了其应用场景。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明实施例提出了一种力传感器，所述力传感器包括MEMS力传感器芯片，所述芯片包括基底，基底的上表面具有凹槽，基底的上表面上设置有压力敏感层；所述压力敏感层包括边框和压力敏感梁；所述边框部分地或完全地围绕凹槽设置，所述压力敏感梁设置于所述凹槽的上方，压力敏感梁的各端部分别与压力敏感层的边框相连；所述压力敏感层的上表面上设置有多个压敏电阻，每个压敏电阻的至少一部分位于所述压力敏感梁上，所述多个压敏电阻连接构成惠斯通电桥。
进一步，所述压力敏感层的上表面上具有2个压敏电阻，所述2个压敏电阻连接构成惠斯通电桥半桥；或者，所述压力敏感层的上表面上具有4个压敏电阻，所述4个压敏电阻连接构成惠斯通电桥。
进一步，所述2个压敏电阻对称分布，或者，所述4个压敏电阻呈轴对称分布或呈中心对称分布。
进一步，所述压敏电阻设置于所述压力敏感梁上，压敏电阻分别位于所述压力敏感梁的靠近所述边框的各端部。
进一步，所述压力敏感梁呈轴对称结构或呈中心对称结构；和/或，所述凹槽具有与所述压力敏感层垂直的中心轴，所述凹槽的中心轴通过所述压力敏感梁的几何中心；和/或，所述凹槽呈正方体状或圆柱体状。
进一步，所述基底为SOI基底，所述压力敏感层由单晶硅构成。
进一步，所述压力敏感梁由中部相互连接的第一压力敏感梁和第二压力敏感梁构成。
进一步，所述第一压力敏感梁和第二压力敏感梁与所述边框相接的4个连接部呈中心对称分布或者关于垂直并通过所述压力敏感梁的几何中心的轴对称分布。
进一步，所述第一压力敏感梁和第二压力敏感梁相互垂直构成十字形压力敏感梁；或者，所述第一压力敏感梁和第二压力敏感梁相互平行并通过压力敏感横梁连接构成H形压力敏感梁；或者，所述第一压力敏感梁和第二压力敏感梁以非垂直的方式相交构成X形压力敏感梁。
进一步，所述十字形压力敏感梁或X形压力敏感梁中，所述第一压力敏感梁和第二压力敏感梁长度相同，所述第一压力敏感梁的几何中心和所述第二压力敏感梁的几何中心重合，构成十字形压力敏感梁或X形压力敏感梁的几何中心；或者，
所述H形压力敏感梁中，所述第一压力敏感梁和第二压力敏感梁长度相同，压力敏感横梁的中心轴通过所述第一压力敏感梁的几何中心和所述第二压力敏感梁的几何中心，压力敏感横梁的几何中心构成H形压力敏感梁的几何中心。
进一步，所述压力敏感梁上还设置有用于定位压力传导部件的定位部。
进一步，所述定位部设置于所述压力敏感梁的中部。
进一步，所述定位部为定位孔或定位槽。
进一步，所述定位孔或定位槽的横截面呈圆形。
进一步，所述压力敏感梁由中部相互连接的宽度相同的第一压力敏感梁和第二压力敏感梁构成，所述定位孔或定位槽的直径为第一压力敏感梁的宽度的1/3-2/3。
进一步，所述定位孔或定位槽具有与所述压力敏感层垂直的中心轴，所述定位孔或定位槽的中心轴通过压力敏感梁的几何中心，定位孔或定位槽的中心轴与凹槽的中心轴重合。
进一步，所述凹槽呈正方体状，所述边框围绕所述凹槽设置，所述边框呈口字形，所述边框具有4条内边，4条内边构成正方形；所述压力敏感梁由中部相互连接的，长度、宽度和厚度均相同的直条形第一压力敏感梁和直条形第二压力敏感梁相互垂直构成十字形压力敏感梁；第一压力敏感梁的两端分别与边框的2条相对的内边的中部相连，第二压力敏感梁的两端与边框的另外2条相对的内边的中部相连；第一压力敏感梁和第二压力敏感梁的靠近所述边框的4个端部的上表面上分别设置有1个压敏电阻，4个压敏电阻呈中心对称分布，所述十字形压力敏感梁的中部设置有定位孔或定位槽。
本发明实施例还提出一种如上所述的力传感器的制备方法，包括如下步骤：
S1：提供具有空腔的SOI基片，所述SOI基片由具有凹槽的SOI基底和压力敏感膜片构成，减薄所述压力敏感膜片至预定厚度，形成压力敏感层；
S2：在压力敏感层上表面的预设位置制作多个压敏电阻，所述多个压敏电阻用于构成惠斯通电桥；
S3：基于预设的压力敏感梁的结构和压敏电阻的位置，在压力敏感层上制作引线孔和金属引线；
S4：基于预设的压力敏感梁的结构，刻蚀所述空腔上方的压力敏感层，形成压力敏感梁。
进一步，所述步骤S4还包括：基于预设压力敏感梁的结构，刻蚀形成定位孔或定位槽，所述定位孔或定位槽位于预设的压力敏感梁的中部。
进一步，所述具有空腔的SOI基片采用包括如下步骤的方法获得：
S11：提供SOI基底和压力敏感膜片；
S12：在SOI基底上的预设位置通过刻蚀工艺形成凹槽；
S13：利用键合工艺将SOI基底和压力敏感膜片键合，所述压力敏感膜片覆盖所述凹槽。
本发明实施例的有益效果：本发明实施例提出的力传感器，无需依赖气体或液体作为力的传导媒介，能够直接测量施加在压力敏感梁上的外力，大大拓展了力传感器的应用场景；本发明实施例的力传感器体积小，其截面面积可小至1mm*1mm，能够布置成力传感器阵列，测量不同位置的压力分布；其量程最小可至0-4mN，检测灵敏度高，封装工艺简单，成本低，易于批量生产，一致性好，易于标定校准。
附图说明
图1a是现有技术中的惠斯通电桥原理示意图；
图1b是现有技术中的MEMS压力传感器芯片的结构示意图；
图2a是本发明实施例提出的具有十字形压力敏感梁和正方体状凹槽的力传感器芯片的俯视结构示意图；
图2b是沿图2b中的A-A′线的剖视图；
图2c是本发明实施例提出的具有H形压力敏感梁和正方体状凹槽的力传感器芯片的立体结构示意图，该附图未表示出压力敏感层；
图2d是本发明实施例提出的具有十字形压力敏感梁和正方体状凹槽的立体结构示意图，十字形压敏梁的相连接部分的宽度大于非连接部分的宽度，该附图未表示出压力敏感层；
图2e是本发明实施例提出的具有十字形压力敏感梁和圆柱体状凹槽的力传感器芯片的立体结构示意图，该附图未表示出压力敏感层；
图3a、3b、3c、3d表示本发明实施例提出的力传感器的制备方法的每个步骤所获得的产品结构示意图；
图4是本发明实施例提出的封装MEMS力传感器芯片中力传感器芯片、弹性部件和压力传导部件的粘接结构示意图；
图5是本发明实施例提出的弹性片的结构示意图，图中阴影部分表示弹性片中部的圆孔；
图6是本发明实施例提出的封装MEMS力传感器芯片的传感器的照片，图中中部为不锈钢圆球。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。但本领域技术人员知晓，本发明并不局限于附图和以下实施例。
实施例1力传感器
参照图2a-图2e及图4，本实施例提出了一种力传感器，包括MEMS力传感器芯片，所述力传感器芯片包括基底10，基底10的上表面具有凹槽11，基底10的上表面上设置有压力敏感层20。
所述压力敏感层20包括边框21和压力敏感梁22。所述边框21至少部分地围绕，优选完全围绕凹槽11设置，所述压力敏感梁22通过镂空凹槽11上方的压力敏感层20形成于所述凹槽11的上方，压力敏感梁22悬空设置，其下表面与凹槽11的底部具有一定距离，压力敏感梁22的各端部分别与压力敏感层20的边框21相接。
所述压力敏感梁22为轴对称结构或中心对称结构的压力敏感梁22。优选的，所述压力敏感梁22由中部相互连接的第一压力敏感梁221和第二压力敏感梁222构成。优选的，所述第一压力敏感梁221的长度等于第二压力敏感梁222的长度。优选的，第一压力敏感梁221和第二压力敏感梁222与边框21相接的4个连接部之间关于垂直并通过压力敏感梁22的几何中心的轴对称分布或者中心对称分布。
在一个实施方式中，所述压力敏感层20的上表面上设置有4个压敏电阻23，每个压敏电阻23的至少一部分位于压力敏感梁22上，优选完全位于压力敏感梁22上，所述4个压敏电阻23连接构成惠斯通电桥，4个压敏电阻23呈中心对称分布或者关于垂直并通过压力敏感梁22的几何中心的轴对称分布。更优选的，4个压敏电阻分别设置于压力敏感梁22上，位于压力敏感梁22的靠近所述压力敏感层20的边框21的各端部。
在另一个实施方式中，所述压力敏感层20的上表面上具有2个压敏电阻23，每个压敏电阻23的至少一部分位于压力敏感梁22上，优选完全位于压力敏感梁22上，所述2个压敏电阻23连接构成惠斯通电桥半桥，2个压敏电阻23呈轴对称分布。更优选的，2个压敏电阻分别设置于压力敏感梁22上，位于压力敏感梁22的靠近所述压力敏感层20的边框21的各端部。
优选的，所述压力敏感梁22上还设置有用于定位压力传导部件50的定位部220。优选的，所述定位部220位于压力敏感梁22的中部。
优选的，所述定位部220为定位孔或定位槽。进一步，所述定位孔或定位槽220具有与所述压力敏感层20垂直的中心轴，所述定位孔或定位槽220的中心轴通过压力敏感梁22的几何中心。优选的，所述凹槽11具有与所述压力敏感层20垂直的中心轴，所述定位孔或定位槽220的中心轴与凹槽11的中心轴重合；进一步，所述凹槽11的中心轴还通过所述压力敏感梁22的几何中心。
下面，示例性的，对本实施例提出的力传感器的实施方式作出详细说明。
一种力传感器，包括MEMS力传感器芯片，所述芯片包括SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘基底上的硅)基底10，SOI基底10的上表面的中部具有呈正方体状的凹槽11，SOI基底10的上表面上设置有压力敏感层20，所述压力敏感层20由单晶硅构成。
所述压力敏感层20包括边框21和十字形压力敏感梁22(参照图2a、图2b)；所述边框21围绕凹槽11设置，呈口字形，边框21具有4条内边，4条内边构成正方形；所述十字形压力敏感梁22通过镂空凹槽11上方的压力敏感层20形成于所述凹槽11的上方，十字形压力敏感梁22由悬空设置的，长度、宽度和厚度均相同的直条形第一压力敏感梁221和直条形第二压力敏感梁222构成，两压力敏感梁221、222垂直相交于中部，第一压力敏感梁221的两端分别与压力敏感层20的边框21的2条相对的内边的中部相连，第二压力敏感梁222的两端与压力敏感层20的边框21的另外2条相对的内边的中部相连；所述第一压力敏感梁221的几何中心和所述第二压力敏感梁222的几何中心重合，构成所述十字形压力敏感梁22的几何中心。
第一压力敏感梁221和第二压力敏感梁222的靠近与所述边框21的4个端部的上表面上(即，压力敏感梁22的固支点附近)，分别设置有1个压敏电阻23，共设置4个压敏电阻23，4个压敏电阻23连接构成惠斯通电桥，4个压敏电阻23呈轴对称分布或呈中心对称分布。所述十字形压力敏感梁22中部设置有定位孔或定位槽220，所述定位孔或定位槽220的中心轴通过十字形压力敏感梁22的几何中心。上述设置压敏电阻的位置为压力敏感梁的应力变化较大的位置，该位置上设置压敏电阻能够获得较高的灵敏度。
所述十字形压力敏感梁22的厚度例如为1μm-200μm，宽度例如为50μm-500μm。其厚度、宽度均与力传感器的量程相关，可以根据实际需要设定。
所述十字形压力敏感梁22的中部设置的定位孔或定位槽220的横截面呈圆形，用于定位压力传导部件50(参照图4)。封装时，所述压力传导部件50被定位在定位孔或定位槽220处。所述定位孔220的中心轴通过十字形压力敏感梁的几何中心，所述定位孔或定位槽220的直径优选为第一压力敏感梁的宽度的1/2。
需要说明的是，上述十字形压力敏感梁易于制作，结构稳定，灵敏度高，但本发明的压力敏感梁不限于上述结构，还可以实施为其他结构。
例如，参照图2c，在一个实施方式中，所述压力敏感梁22由中部连接的第一压力敏感梁221和第二压力敏感梁222构成，所述第一压力敏感梁221和第二压力敏感梁22相互平行并通过压力敏感横梁223连接构成H形压力敏感梁22。所述第一压力敏感梁221和第二压力敏感梁222长度相同，压力敏感横梁223的中心轴通过所述第一压力敏感梁221的几何中心和所述第二压力敏感梁222的几何中心，压力敏感横梁22的几何中心构成H形压力敏感梁22的几何中心。
在另一个实施方式中，所述第一压力敏感梁和第二压力敏感梁以非垂直的方式相交构成X形压力敏感梁，所述第一压力敏感梁的几何中心和所述第二压力敏感梁的几何中心重合，构成X形压力敏感梁的几何中心。
在另一个实施方式中，所述压力敏感梁并非如上述十字形压力敏感梁一样由2个等宽等厚的直条形压力敏感梁相连接构成；例如，第一压力敏感梁和第二压力敏感梁相连接的部分的横截面呈正方形、长方形或圆形或正多边形，可选的，横截面的宽度，如正方形的边长或圆形的直径，大于或小于2个压力敏感梁的非连接部分的宽度(参照图2d)；更优选的，所述第一压力敏感梁和第二压力敏感梁长度相同，所述第一压力敏感梁的几何中心和所述第二压力敏感梁的几何中心重合，构成压力敏感梁的几何中心，或者，连接第一压力敏感梁和第二压力敏感梁的压力敏感横梁的中心轴通过所述第一压力敏感梁的几何中心和所述第二压力敏感梁的几何中心，压力敏感横梁的几何中心构成压力敏感梁的中心；更优选的，基底的凹槽的中心轴通过压力敏感梁的几何中心。
同理，所述凹槽也不限于正方体状，还可以呈长方体状、圆柱体状、圆台状、正八棱柱体等。参照图2e，该实施方式中，所述压力敏感梁22由中部连接的第一压力敏感梁221和第二压力敏感梁222构成，所述第一压力敏感梁221和第二压力敏感梁22相互垂直构成十字形形压力敏感梁22。所述第一压力敏感梁221和第二压力敏感梁222长度相同，压力敏感横梁22的几何中心构成十字形压力敏感梁22的几何中心，凹槽11呈圆柱体状。
同理，所述定位部还可以实施为定位槽等其他结构，例如还可以为粘接在压力敏感梁中部的凸块或定位柱，其形状也不限于圆形。
本实施例的力传感器的工作原理为：当没有外部压力施加在压力敏感梁22上时，压敏电阻23连接构成的惠斯通电桥或惠斯通电桥半桥处于平衡态，零点输出；当外部压力作用在压力敏感梁22上时，例如，直接作用在压力敏感梁22上，或者，通过压力传导部件50作用在压力敏感梁22上，压力敏感梁22发生形变，导致压敏电阻23的阻值发生变化，输出电信号，根据该电信号得到外部压力的大小，从而实现力的检测。
基于结构特征的特点，不可能穷举所有可能的形式，本发明的实质为镂空基底的凹槽上方的压力敏感层制作压力敏感梁，在压力敏感层上制作压敏电阻，每个压敏电阻的至少一部分位于压力敏感梁上，压敏电阻连接构成惠斯通电桥，基于此，本领域技术人员在充分理解了本发明之后，能够根据本发明充分公开的内容制作出作为上述力传感器的明显变型或等同替代的各种结构的力传感器，这些明显变型或等同替代的力传感器均应包括在本发明公开的范围内。
由于本实施例的力传感器无需通过气体、液体等流体作为力的传导媒介，能够检测直接施加到压力敏感梁上的外部机械压力，大大拓展了力传感器的应用场景；同时，该力传感器体积较小，截面面积可小至1mm*1mm，能够布置成力传感器阵列，从而获得待测目标的不同位置的压力分布情况；该力传感器还实现了更低的量程，通过调整压力敏感梁的宽度、厚度和长度等参数，其量程最小可至0-4mN。
实施例2力传感器的制备方法
参照图3a-3d，本实施例提出一种实施例1所述的力传感器的制备方法，包括如下步骤：
S1：参照图3a，提供具有空腔11的SOI基片，所述SOI基片由SOI基底10和压力敏感膜片构成，减薄所述压力敏感膜片至预定厚度，形成压力敏感层20；
S2：参照图3b，在压力敏感层20的上表面的预设位置制作呈轴对称分布或呈中心对称分布的压敏电阻23，所述压敏电阻23用于连接构成惠斯通电桥；
S3：参照图3c，基于预设的压力敏感梁22的结构和压敏电阻23的位置，在压力敏感层20上制作引线孔和金属引线224；
S4、参照图3d，基于预设的压力敏感梁22的结构，刻蚀所述空腔11上方的压力敏感层20，镂空压力敏感层20形成压力敏感梁22，可选的，还基于预设的压力敏感梁22的结构，刻蚀形成定位孔或定位槽220，所述定位孔或定位槽220位于预设的压力敏感梁的中部。
其中，所述具有空腔的SOI基片采用包括如下步骤的方法获得：
S11：提供SOI基底和压力敏感膜片，所述压力敏感膜片例如为单晶硅片；
S12：在SOI基底上通过刻蚀工艺形成凹槽；
S13：利用键合工艺将SOI基底和压力敏感膜片键合，所述压力敏感膜片覆盖所述凹槽，形成空腔。
下面，示例性的，以制作实施例1的具有十字形压力敏感梁结构的力传感器为例，对制备方法做详细说明。
S101：提供SOI基片和压力敏感膜片，所述压力敏感膜片为单晶硅片。
S102：采用6英寸MEMS薄膜沉积工艺在SOI基底上沉积形成第一绝缘层，通过刻蚀工艺在第一绝缘层上开出正方形孔，再在SOI基底上通过刻蚀工艺形成正方体状凹槽。
S103：利用键合工艺将在SOI基片和压力敏感膜片键合，压力敏感膜片覆盖所述凹槽，形成具有空腔的SOI基底。所述键合工艺采用本领域技术人员熟知的工艺，例如，硅硅热键合工艺、涂源键合工艺、有机胶键合工艺、金属间键合工艺或玻璃浆料键合工艺。
S104：采用减薄工艺，例如机械减薄工艺，将压力敏感膜片减薄至预设厚度，在SOI基底上形成压力敏感层。
S105：基于预设的十字形压力敏感梁结构，在压力敏感层上的预设的十字形压力敏感梁的靠近边框的4个端部(即，压力敏感梁的固支点附近)分别制作1个压敏电阻，共制作4个压敏电阻，所述4个压敏电阻呈中心对称分布。制作压敏电阻可采用例如离子注入工艺、扩散工艺等本领域技术人员熟知的工艺。
S106：基于预设的十字形压力敏感梁结构和压敏电阻的位置，利用6英寸MEMS薄膜沉积工艺在压力敏感层上沉积形成第二绝缘层，利用刻蚀工艺在第二绝缘层上制作压敏电阻的引线孔，并在第二绝缘层上沉积形成金属薄膜，通过图形化工艺在压力敏感层上制作图形化金属引线224，将4个压敏电阻连接构成惠斯通电桥。
S107：基于预设的十字形压力敏感梁结构，刻蚀凹槽上方的压力敏感层，镂空压力敏感层形成十字形压力敏感梁。
本实施例提出的力传感器的制备方法，工艺简单，成本低，适于批量生产。
实施例3力传感器芯片的封装
参照图4-图6，本实施例提出一种力传感器，包括力传感器芯片、传感器芯片容置体、弹性部件40和压力传导部件50。
所述力传感器芯片为实施例1所述的MEMS力传感器芯片，实施例1的技术特征引用于此，不必赘述。
所述传感器芯片容置体用于容纳所述MEMS力传感器芯片，具有开口端，例如为至少一端开口的塑料容置体。
所述弹性部件40固定连接在传感器芯片容置体的开口端。
在一个实施方式中，所述弹性部件40为弹性片，由薄片，优选硬质薄片，例如不锈钢薄片，按照预设图形制成。例如，利用腐蚀液按照预设图形腐蚀不锈钢薄片，制成不锈钢弹性片40。弹性片40的中部具有与压力敏感梁上的定位部(例如定位孔或定位槽或定位柱或凸块)对应的圆孔44，圆孔44的内缘与压力传导部件50连接，从而定位压力传导部件50，压力传导部件50的最大直径D大于圆孔44的直径L，优选的，2/3D<L<D。
参照图5，所述弹性片40呈平坦的薄片状，具有外边框41和与外边框41相连接的内圆环42，外边框41的外边缘呈规则形状，例如正方形、长方形、圆形、正多边形等，优选与传感器芯片容置体的开口形状相适应。
所述弹性片40的中部具有内圆环42，内圆环42围合限定出弹性片40中部的圆孔44，内圆环42经在内圆环42的外侧均匀分布的多个连接臂43与外边框41连接，所述均匀分布，例如，所述连接臂43与内圆环42的连接部在内圆环42的周向上等角度分布。
所述连接臂43可以是直条形臂，也可以是曲形臂。在一个实施方式中，所述曲形臂43由依次连接的第一直臂431、扇环形臂432和第二直臂433构成，所述扇环形臂432为与内圆环42同轴的圆环的一部分，第一直臂431的外端与内圆环42的外缘连接，第二直臂433的外端与外边框41连接。需要说明的是，所述第一直臂431、第二直臂433并不严格限定为等宽的直条形结构，允许其宽度在一定范围内在内圆环42的直径方向上有所变化。该结构的弹性片，特别是不锈钢弹性片，成本低，工艺简单，结构可靠，敏感度高，稳定性高。
所述压力传导部件50，用于将外部压力传递至压力敏感梁22，固定设置于所述传感器芯片容置体和所述弹性部件40之间。所述压力传导部件50的一端设置于所述定位部220(例如定位孔或定位槽)上，另一端与弹性部件40相接，例如粘接，还可以为抵接。优选的，所述压力传导部件50与所述弹性部件40的力学中心相接。
所述压力传导部件50，优选为硬质结构体；优选的，压力传导部件50为横截面为圆形的硬质结构体，其最大直径D与定位孔或定位槽220顶部开口的内径d的关系为d<D<5d，优选的，1.1d<D<2d；还优选为圆球体，更优选为硬质圆球，例如，由不锈钢、陶瓷等制成的不锈钢圆球或陶瓷圆球。所述圆球体/硬质圆球的直径大于内圆环42的内径，还大于所述圆形定位孔或定位槽220的直径。
所述压力传导部件50具有分别与所述定位部220和所述弹性部件40相嵌合的结构。本发明的压力传导部件50并不限于圆球形状，例如还可以呈圆柱体等其他形状。封装时，使圆球体/硬质圆球50的一端嵌入内圆环42，圆球体/硬质圆球与内圆环42的内缘相接。圆球体/硬质圆球的圆形结构能够在各个方向上均匀地将外部压力传递给压力传导部件50，进一步传递至压力敏感梁22，检测的灵敏度和准确度更高。当所述定位部为凸块或定位柱等结构时，所述压力传导部件50具有与所述凸块或定位柱相匹配的凹部。
所述压力传导部件50还可以是所述弹性部件40的一部分。
优选的，所述压力传导部件50、传感器芯片容置体和弹性部件40之间粘接固定。
本发明实施例还提出一种如上所述传感器的制备方法，包括如下步骤：
S1、提供预设结构的弹性片、压力传导部件和上述MEMS力传感器芯片，所述力传感器芯片阵列排布；
S2、利用塑封模具，塑料密封所述力传感器芯片，使力传感器芯片容纳在传感器芯片容置体中；
S3、切割阵列排布的力传感器芯片，形成单个塑封力传感器芯片；
S4、将压力传导部件的一端粘接在弹性片的圆孔处；
S5、将粘接弹性片的压力传导部件的另一端放置在上述力传感器芯片的定位孔或定位槽上；
S6、粘接传感器芯片容置体的开口端和弹性片。
具体的，本实施例的传感器的制备方法包括如下步骤：
S11、提供预设结构的弹性部件40(例如为上述不锈钢弹性片40)、压力传导部件50(例如为硬质圆球)和上述MEMS力传感器芯片，所述力传感器芯片呈阵列排布。
S12、利用塑封模具，高温注入环氧树脂，一次成型，冷却后降温，塑料密封所述阵列排布的力传感器芯片，力传感器芯片容纳在传感器芯片容置体中。
S13、切割阵列排布的塑封后的力传感器芯片，形成单个塑封力传感器芯片。
S14、将压力传导部件50的一端粘接在弹性部件40的圆孔44处(如硬质圆球50的一端嵌入上述不锈钢弹性片40的内圆环42内并使用粘接胶粘接)，该步骤可采用机械手完成。
S15、将粘接弹性部件40的压力传导部件50的另一端放置在上述力传感器芯片的定位孔或定位槽220上。
S16、粘接传感器芯片容置体的开口端和弹性部件40。
显然，上述步骤中并非所有步骤必须与编号的顺序一致，例如，S4可以在S3之前，本领域技术人员能够容易地根据技术逻辑顺序确定该方法步骤的实施顺序。
图4为力传感器芯片、弹性部件和压力传导部件的粘接结构示意图。
图6为封装MEMS力传感器芯片的传感器的照片，图中中心部分为不锈钢圆球。
本实施例的传感器封装工艺简单，成本低，易于批量生产，一致性好，易于标定校准。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (20)
1.一种力传感器，其特征在于，包括MEMS力传感器芯片，所述芯片包括基底，基底的上表面具有凹槽，基底的上表面上设置有压力敏感层；
所述压力敏感层包括边框和压力敏感梁，所述压力敏感梁通过镂空凹槽上方的压力敏感层形成；所述边框部分地或完全地围绕凹槽设置，所述压力敏感梁设置于所述凹槽的上方，压力敏感梁的各端部分别与压力敏感层的边框相连；
所述压力敏感层的上表面上设置有多个压敏电阻，每个压敏电阻的至少一部分位于所述压力敏感梁上，所述多个压敏电阻连接构成惠斯通电桥。
2.如权利要求1所述的力传感器，其特征在于，所述压力敏感层的上表面上具有2个压敏电阻，所述2个压敏电阻连接构成惠斯通电桥半桥；或者，所述压力敏感层的上表面上具有4个压敏电阻，所述4个压敏电阻连接构成惠斯通电桥。
3.如权利要求2所述的力传感器，其特征在于，所述2个压敏电阻对称分布，或者，所述4个压敏电阻呈轴对称分布或呈中心对称分布。
4.如权利要求1所述的力传感器，其特征在于，所述压敏电阻设置于所述压力敏感梁上，压敏电阻分别位于所述压力敏感梁的靠近所述边框的各端部。
5.如权利要求1所述的力传感器，其特征在于，所述压力敏感梁呈轴对称结构或呈中心对称结构；和/或，所述凹槽具有与所述压力敏感层垂直的中心轴，所述凹槽的中心轴通过所述压力敏感梁的几何中心；和/或，所述凹槽呈正方体状或圆柱体状。
6.如权利要求1所述的力传感器，其特征在于，所述基底为SOI基底，所述压力敏感层由单晶硅构成。
7.如权利要求1-6之一所述的力传感器，其特征在于，所述压力敏感梁由中部相互连接的第一压力敏感梁和第二压力敏感梁构成。
8.如权利要求7所述的力传感器，其特征在于，所述第一压力敏感梁和第二压力敏感梁与所述边框相接的4个连接部呈中心对称分布或者关于垂直并通过所述压力敏感梁的几何中心的轴对称分布。
9.如权利要求7所述的力传感器，其特征在于，所述第一压力敏感梁和第二压力敏感梁相互垂直构成十字形压力敏感梁；或者，所述第一压力敏感梁和第二压力敏感梁相互平行并通过压力敏感横梁连接构成H形压力敏感梁；或者，所述第一压力敏感梁和第二压力敏感梁以非垂直的方式相交构成X形压力敏感梁。
10.如权利要求9所述的力传感器，其特征在于，所述十字形压力敏感梁或X形压力敏感梁中，所述第一压力敏感梁和第二压力敏感梁长度相同，所述第一压力敏感梁的几何中心和所述第二压力敏感梁的几何中心重合，构成十字形压力敏感梁或X形压力敏感梁的几何中心；或者，
所述H形压力敏感梁中，所述第一压力敏感梁和第二压力敏感梁长度相同，压力敏感横梁的中心轴通过所述第一压力敏感梁的几何中心和所述第二压力敏感梁的几何中心，压力敏感横梁的几何中心构成H形压力敏感梁的几何中心。
11.如权利要求1-6之一或权利要求8-10之一所述的力传感器，其特征在于，所述压力敏感梁上还设置有用于定位压力传导部件的定位部。
12.如权利要求11所述的力传感器，其特征在于，所述定位部设置于所述压力敏感梁的中部。
13.如权利要求12所述的力传感器，其特征在于，所述定位部为定位孔或定位槽。
14.如权利要求13所述的力传感器，其特征在于，所述定位孔或定位槽的横截面呈圆形。
15.如权利要求14所述的力传感器，其特征在于，所述压力敏感梁由中部相互连接的宽度相同的第一压力敏感梁和第二压力敏感梁构成，所述定位孔或定位槽的直径为第一压力敏感梁的宽度的1/3-2/3。
16.如权利要求13所述的力传感器，其特征在于，所述定位孔或定位槽具有与所述压力敏感层垂直的中心轴，所述定位孔或定位槽的中心轴通过压力敏感梁的几何中心，定位孔或定位槽的中心轴与凹槽的中心轴重合。
17.如权利要求1或16所述的力传感器，其特征在于，所述凹槽呈正方体状，所述边框围绕所述凹槽设置，所述边框呈口字形，所述边框具有4条内边，4条内边构成正方形；所述压力敏感梁由中部相互连接的，长度、宽度和厚度均相同的直条形第一压力敏感梁和直条形第二压力敏感梁相互垂直构成十字形压力敏感梁；第一压力敏感梁的两端分别与边框的2条相对的内边的中部相连，第二压力敏感梁的两端与边框的另外2条相对的内边的中部相连；第一压力敏感梁和第二压力敏感梁的靠近所述边框的4个端部的上表面上分别设置有1个压敏电阻，4个压敏电阻呈中心对称分布，所述十字形压力敏感梁的中部设置有定位孔或定位槽。
18.一种如权利要求1-17之一所述的力传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：提供具有空腔的SOI基片，所述SOI基片由具有凹槽的SOI基底和压力敏感膜片构成，减薄所述压力敏感膜片至预定厚度，形成压力敏感层；
S2：在压力敏感层上表面的预设位置制作多个压敏电阻，所述多个压敏电阻用于构成惠斯通电桥；
S3：基于预设的压力敏感梁的结构和压敏电阻的位置，在压力敏感层上制作引线孔和金属引线；
S4：基于预设的压力敏感梁的结构，刻蚀所述空腔上方的压力敏感层，形成压力敏感梁。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述步骤S4还包括：基于预设压力敏感梁的结构，刻蚀形成定位孔或定位槽，所述定位孔或定位槽位于预设的压力敏感梁的中部。
20.如权利要求18或19所述的方法，其特征在于，所述具有空腔的SOI基片采用包括如下步骤的方法获得：
S11：提供SOI基底和压力敏感膜片；
S12：在SOI基底上的预设位置通过刻蚀工艺形成凹槽；
S13：利用键合工艺将SOI基底和压力敏感膜片键合，所述压力敏感膜片覆盖所述凹槽。
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