CN110411614B - 力量传感器以及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种力量传感器包含一第一基板、一第二基板、一第三基板以及一封装体。第一基板包含一固定电极、至少一第一导电接点以及至少一第二导电接点。第二基板设置于第一基板，并与第一基板的第一导电接点电性连接。第二基板包含一微机电系统组件，其与固定电极相对应。第三基板设置于第二基板上，且包含一凸柱，其与微机电系统组件连接。封装体则覆盖第三基板。上述力量传感器具有较佳的可靠度。

Description

力量传感器以及其制造方法
【技术领域】
本发明是有关一种力量传感器以及其制造方法，特别是一种以微机电系统装置所实现的力量传感器以及其制造方法。
【背景技术】
自1970年代微机电系统(Microelectromechanical System，MEMS)装置概念成形起，微机电系统装置已从实验室的探索对象进步至成为高阶系统整合的对象，并已在大众消费性装置中有广泛的应用，展现了惊人且稳定的成长。微机电系统装置包含一可动的微机电系统组件，借由感测或控制可动的微机电系统组件的运动物理量可实现微机电系统装置的各项功能。力量传感器即为一例，其可检测是否产生按压动作及/或按压的力道。
已知的力量传感器主要有压电电阻器式(piezoresistor)压力传感器以及电容式压力传感器。请参照图1，已知的压电电阻器式压力传感器是在可动薄膜11上设置多个压电电阻器12。当按压的应力导致可动薄膜11产生形变时，压电电阻器12即产生相对应的检测信号。请参照图2，已知的电容式压力传感器包含一可动薄膜21以及一固定电极22，其中，可动薄膜21与固定电极22相对应，以构成一感测电容。感测电容所产生的检测信号则通过引线23输出至一特定应用集成电路芯片24进行处理。可以理解的是，为了保护装置，上述组件需以封装体25加以封装。而按压所产生的应力则通过封装体25造成可动薄膜21产生形变，并使感测电容输出相对应的检测信号。
依据上述结构，反复按压所产生的应力可能导致封装体25及/或打线的可靠度降低，甚至损毁可动薄膜。此外，按压所产生的应力大小仅能通过封装体25的厚度来控制，因此不同规格的力量传感器不容易以标准的组装制程进行封装。有鉴于此，如何提升力量传感器的可靠度以及标准化封装制程便是目前极需努力的目标。
【发明内容】
本发明提供一种力量传感器以及其制造方法，其是设置一第三基板于一封装体以及一微机电系统组件之间，以作为微机电系统组件的盖体，盖体且与微机电系统组件连接，使微机电系统组件随着盖体形变而产生相对应的运动量。依据此结构，力量传感器内的引线可远离按压所产生的应力源，且微机电系统组件不易因反复按压而损坏，因此装置的可靠度可大幅提升。此外，不同规格的力量传感器可借由调整第三基板的厚度加以控制，因此不同规格的力量传感器能够以相同的组装制程进行封装。
本发明一实施例的力量传感器包含一第一基板、一第二基板、一第三基板以及一封装体。第一基板包含一固定电极、至少一第一导电接点以及至少一第二导电接点。第二基板包含一第一表面、一相对的第二表面以及一微机电系统组件，其与固定电极相对应，其中，第二基板以第一表面朝向第一基板设置于第一基板，并与第一基板的第一导电接点电性连接。第三基板设置于第二基板的第二表面，其中，第三基板包含一凸柱，其与微机电系统组件连接。封装体则覆盖第三基板。
本发明另一实施例的力量传感器的制造方法包含提供一第三基板，并定义出至少一第一连接部以及一凸柱；提供一第二基板，其包含一第一表面以及一相对的第二表面；以第二表面朝向第三基板，接合第二基板于第三基板的第一连接部以及凸柱；于第二基板的第一表面定义出至少一第二连接部；于第二基板定义出一微机电系统组件，其中，微机电系统组件与凸柱连接；提供一第一基板，其包含一固定电极、至少一第一导电接点以及至少一第二导电接点；接合第一基板以及第二基板，其中，至少一第一导电接点与至少一第二连接部电性连接，且微机电系统组件与固定电极相对应；以及以一封装体覆盖第三基板。
以下借由具体实施例配合所附的图式详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。
【附图说明】
图1为一示意图，显示已知的压电电阻器式压力传感器。
图2为一示意图，显示已知的电容式压力传感器。
图3为一示意图，显示本发明第一实施例的力量传感器。
图4为一示意图，显示本发明第二实施例的力量传感器。
图5为一俯视示意图，显示本发明第三实施例的力量传感器的第二基板。
图6为一示意图，显示本发明第四实施例的力量传感器。
图7为一示意图，显示本发明第五实施例的力量传感器。
图8为一示意图，显示本发明第六实施例的力量传感器。
图9为一示意图，显示本发明第七实施例的力量传感器。
图10为一俯视示意图，显示本发明第七实施例的力量传感器的突出件。
图11为一示意图，显示本发明第八实施例的力量传感器。
图12为一示意图，显示本发明第九实施例的力量传感器。
图13为一示意图，显示本发明第十实施例的力量传感器。
图14a至图14j为一示意图，显示本发明第一实施例的力量传感器的制造步骤。
【符号说明】
11 可动薄膜
12 压电电阻器
21 可动薄膜
22 固定电极
23 引线
24 特定应用集成电路芯片
25 封装体
31 第一基板
311 固定电极
312 第一导电接点
313 第二导电接点
314 参考电极
32 第二基板
32a 第一表面
32b 第二表面
321 第二连接部
322 导电材料
323 微机电系统组件
324 参考组件
33 第三基板
331 第一连接部
332 凸柱
333 凹槽
34 封装基板
341 外部导电接点
35a、35b 引线
36 封装体
361 突出部
37 特定应用集成电路芯片
38 突出件
381 凸块
382 平板
383 连接脚
39 胶体
【具体实施方式】
以下将详述本发明的各实施例，并配合图式作为例示。除了该多个详细说明之外，本发明亦可广泛地施行于其它的实施例中，任何所述实施例的轻易替代、修改、等效变化都包含在本发明的范围内，并以申请专利范围为准。在说明书的描述中，为了使读者对本发明有较完整的了解，提供了许多特定细节；然而，本发明可能在省略部分或全部特定细节的前提下，仍可实施。此外，众所周知的步骤或组件并未描述于细节中，以避免对本发明形成不必要的限制。图式中相同或类似的组件将以相同或类似符号来表示。特别注意的是，图式仅为示意之用，并非代表组件实际的尺寸或数量，有些细节可能未完全绘出，以求图式的简洁。
请参照图3，本发明的一实施例的力量传感器包含一第一基板31、一第二基板32、一第三基板33以及一封装体36。第一基板31包含一固定电极311、至少一第一导电接点312以及至少一第二导电接点313。于图3所示的实施例中，第一基板31包含多个金属层，且彼此以内连接结构连接而形成所需的电路。最上层的金属层部分暴露于第一基板31的表面，以作为固定电极311、第一导电接点312以及第二导电接点313。
第二基板32包含一第一表面(即图3所示的第二基板32的朝下表面)、一相对的第二表面以及一微机电系统组件323。第二基板32以第一表面朝向第一基板31设置于第一基板31，并与第一基板31的第一导电接点312电性连接。举例而言，第二基板32以至少一第二连接部321以及第二连接部321端部的导电材料322与第一基板31的第一导电接点312接合。微机电系统组件323与第一基板31的固定电极311相对应，以形成一感测电容。可以理解的是，随着微机电系统组件323相对于固定电极311运动将造成感测电容的电容值变化，并输出相对应的检测信号。
第三基板33设置于第二基板32的第二表面(即图3所示的第二基板32的朝上表面)。举例而言，第三基板33借由第一连接部331与第二基板32的第二表面连接，以作为盖体。此外，第三基板33包含一凸柱332，其与第二基板32的微机电系统组件323连接。封装体36则覆盖于第三基板33上。举例而言，接合后的第一基板31、第二基板32以及第三基板33设置封装基板34上，接着通过打线制程以引线35a电性连接第一基板31的第二导电接点313以及封装基板34，最后再以封装体36包覆第一基板31、第二基板32、第三基板33以及引线35a，以保护上述组件。第一基板31即可通过第二导电接点313以及封装基板34之外部导电接点341与外部电性连接。
依据图3所示的结构，当第三基板33受到按压而产生形变时，微机电系统组件323将借由凸柱332而随着第三基板33运动。借由量测感测电容的电容值变化量，力量传感器即可判断是否被按压以及按压的力道。换言之，本发明的力量传感器的微机电系统组件323不会直接承受按压的应力，因此不易因反复按压而损坏。此外，如图3所示，设置第三基板33可使力量传感器内的引线35a远离按压所产生的应力源，因此打线以及装置的可靠度可大幅提升。另需说明的是，本发明的力量传感器除了可借由调整微机电系统组件323的厚度、微机电系统组件323的弹性臂设计以及封装体的厚度或材料来调整不同的量测范围，还能够借由调整第三基板的厚度来控制不同的量测范围，例如10牛顿、100牛顿或更高。因此，不同量测范围的力量传感器能够以相同的组装制程进行封装。
于一实施例中，第一基板31可包含驱动电路及/或感测电路等。举例而言，于第一基板31中可使用模拟及/或数字电路，其通常是以特定应用集成电路(Application-specific integrated circuit，ASIC)设计的电路实施。但不限于此，于一实施例中，第一基板31亦可称为电极基板。举例而言，第一基板10可为任何具有适宜机械刚性的基板，包括互补式金氧半导体(CMOS)基板、玻璃基板等。请参照图4，本发明的力量传感器包含一特定应用集成电路芯片37。图4所示的实施例中，第一基板31堆栈于特定应用集成电路芯片37上，第一基板31的第二导电接点313以引线35a与特定应用集成电路芯片37电性连接，特定应用集成电路芯片37再以引线35b与封装基板34电性连接。依据此架构，第一基板31即可通过第二导电接点313、特定应用集成电路芯片37以及封装基板34之外部导电接点341与外部电性连接。可以理解的是，第一基板31与特定应用集成电路芯片并列设置亦能够实现本发明的力量传感器。
请再参照图3，于一实施例中，第一基板31更包含至少一参考电极314，而第二基板32包含至少一参考组件324，其与第一基板31的参考电极314相对应，以形成一参考电容。参考电容能够与感测电容组成一差分电容对，如此可提升量测的精确度。需说明的是，第二基板32的参考组件324可为一固定组件，如图3所示。但不限于此，第二基板32的参考组件324亦可为一可动组件。举例而言，请参照图5，第二基板32的微机电系统组件323以及参考组件324以第二连接部321作为锚点，形成类似一翘翘板结构。依据此结构，微机电系统组件323受到按压应力而向下运动时，参考组件324将向上运动，因此，微机电系统组件323的微小运动量可借由感测电容的变化量以及参考电容的变化量的差值量测出来，进而提升量测的精确度。
请参照图6，于一实施例中，封装体36包含一突出部361。突出部361与微机电系统组件323相对应。换言之，突出部361与第三基板33相对应，更精确而言，突出部361与第三基板33的凸柱332相对应。依据此结构，当组装公差导致不同偏移量时，突出部361能够使按压的应力集中在突出部361，进而使本发明的力量传感器在不同偏移量的组装条件下仍能输出较为一致的检测信号。
请参照图7，于一实施例中，本发明的力量传感器包含一突出件38，其设置于封装体36上。突出件38包含一凸块381，其与微机电系统组件323相对应。相似于封装体36的突出部361，凸块381相对于封装体36较为突出，因此凸块381能够使按压的应力集中在凸块381，进而使本发明的力量传感器能容许较大的组装公差。于图7所示的实施例中，凸块381的一顶表面为一平面，但不限于此。请参照图8，于一实施例中，凸块381的顶表面可为一曲面。可以理解的是，凸块381能够以胶体39粘着于封装体36上。
请参照图9，于一实施例中，突出件38包含一凸块381以及一平板382，其中平板382设置于凸块381以及封装体36之间。举例而言，突出件38可为一体成型的组件，亦即凸块381以及平板382为单一组件，其材料可为金属。平板382的一投影区域可等于或小于第三基板33。于图9所示的实施例中，平板382对应于第三基板33的形变区域。于一实施例中，请参照图10，平板382的一投影区域可大于第三基板33，覆盖封装体36的上表面。同样的，凸块381的一顶表面可为平面(如图9所示)或为一曲面(如图10所示)。需说明的是，借由调整平板382的厚度亦可控制本发明的力量传感器的量测范围。
于一实施例中，请参照图11以及图12，平板382可设置于凸块381上，亦即凸块381位于封装体36以及平板382之间。依据此结构，按压于平板382时，应力可集中至凸块381，因此，本发明的力量传感器所容许的组装公差能进一步增加。于一实施例中，平板382包含至少一连接脚383，其连接至封装体36，如此可避免平板382因按压而倾斜。
请参照图13，于一实施例中，凸块381可利用点胶的方式，在封装体36设置由胶体构成的凸块381。可以理解的是，凸块381的材料为高分子聚合物。
请参照图14a至图14j，以说明图3所示的本发明力量传感器的制造方法。虽然该多个剖面图中仅显示单一装置，但可以理解的是，于单一基板上可制造多个管芯。因此，该多个图中所示的单一装置仅为代表，并非用以限制本发明于单一装置的制造方法。于本说明书中将更完整的描述以晶圆级制程于一基板上制造多个管芯或装置。于制造装置后，再利用切割(dicing)与切单技术(singulation)产生单独的装置封装以于各种应用中使用。
请参照图14a，首先，提供一第三基板33，并定义出至少一第一连接部331以及一凸柱332。举例而言，可在第三基板33上蚀刻出适当的凹槽333，即可定义出突出的第一连接部331以及凸柱332。
接着，提供一第二基板32，其包含一第一表面32a以及一相对的第二表面32b，并将第二基板32以第二表面32b朝向第三基板33，接合于第三基板33的第一连接部331以及凸柱332，如图14b所示。举例而言，第二基板32以及第三基板33能够以熔接(fusion bond)方式接合。于一实施例中，可在第二基板32接合于第三基板33后，薄化第二基板32。举例而言，薄化后的第二基板32厚度等于或小于30μm。
接着，于第二基板32的第一表面32a定义出至少一第二连接部321，如图14c所示。于一实施例中，依据后续接合第二基板32与第一基板31所采用的接合方法，可在第二连接部321上形成适当的接合材料。举例而言，接合材料可为一导电材料322，如图14d所示。
接着，请参照图14e，于第二基板32定义出一微机电系统组件323。需强调的，第二基板32的微机电系统组件323需与第三基板33的凸柱332连接。于一实施例中，定义微机电系统组件323时，亦可同时于第二基板32定义出至少一参考组件324。
接着，请参照图14f，提供一第一基板31，其包含一固定电极311、至少一第一导电接点312以及至少一第二导电接点313。于一实施例中，第一基板31更包含一参考电极314。
接着，请参照图14g，将第二基板32与第一基板31接合，其中第一基板31的第一导电接点312与第二基板32的第二连接部321通过导电材料322电性连接，且微机电系统组件323与固定电极311相对应。于一实施例中，第二基板32与第一基板31的接合能够以共晶键合(eutectic bonding)、熔接、焊接以及粘合至少其中之一加以实现。
接着，请参照图14h，薄化第三基板33至适当厚度。接着，移除部分第三基板33，以暴露出第一基板31的第二导电接点313，如图14i所示。接着，切割第一基板31，以进行后续的封装程序。举例而言，请参照图14j，将切单后的第一基板31设置于封装基板34，并以引线35a电性连接第一基板31的第二导电接点313以及封装基板34。最后，以一封装体36覆盖第三基板33即可形成如图3所示的力量传感器。可以理解的是，利用适当的模具进行模封(molding)，即可在封装体36上形成一突出部361，如图6所示。
不同封装设计的力量传感器则以不同的封装程序加以实现。举例而言，封装图4所示的力量传感器时，需先将第一基板31设置于特定应用集成电路芯片37上，再以引线35a电性连接第一基板31的至少一第二导电接点313以及特定应用集成电路芯片37，最后再以封装体36封装即可。可以理解的是，本发明的力量传感器亦可与特定应用集成电路芯片并列设置于封装基板，再经打线以及模封程序完成封装。
于一实施例中，本发明的力量传感器的制造方法更包含在封装体36上设置包含一凸块381的一突出件38，如图7至图12所示。或者，利用点胶方式在封装体36上形成凸块381，如图13所示。
综合上述，本发明的力量传感器是于一封装体以及一微机电系统组件之间设置一第三基板作为微机电系统组件的盖体，使微机电系统组件与封装体在空间上分离。且盖体与微机电系统组件连接，使微机电系统组件随着盖体形变而产生相对应的运动量。依据此结构，本发明的力量传感器内的引线可远离按压所产生的应力源，且微机电系统组件不易因反复按压而损坏，因此装置的可靠度可大幅提升。此外，不同规格的力量传感器可借由调整第三基板的厚度加以控制，因此不同量测范围的力量传感器能够以相同的组装制程进行封装。
以上所述的实施例仅是为说明本发明的技术思想及特点，其目的在使熟习此项技艺的人士能够了解本发明之内容并据以实施，当不能以的限定本发明的专利范围，即大凡依本发明所揭示的精神所作的均等变化或修饰，仍应涵盖在本发明的专利范围内。

Claims (31)

1.一种力量传感器，其特征在于，包含：
一第一基板，其包含一固定电极、至少一参考电极、至少一第一导电接点以及至少一第二导电接点；
一第二基板，其包含一第一表面、一相对的第二表面、至少一参考组件、至少一第二连接部以及一微机电系统组件，其与该固定电极相对应，且该第二基板以该第一表面朝向该第一基板设置于该第一基板，并与该至少一第一导电接点电性连接；
一第三基板，其设置于该第二基板的该第二表面，其中该第三基板包含一凸柱，其与该微机电系统组件连接；以及
一封装体，其覆盖该第三基板；
其中，该微机电系统组件与该第一基板的固定电极相对应形成感测电容，该第二基板的参考组件与该第一基板的该参考电极相对应形成参考电容，该参考电容与该感测电容组成一差分电容对，该微机电系统组件和该参考组件以该第二连接部作锚点形成类似翘翘板结构。
2.如权利要求1所述的力量传感器，其特征在于，该至少一参考组件为一固定组件。
3.如权利要求1所述的力量传感器，其特征在于，该至少一参考组件为一可动组件。
4.如权利要求1所述的力量传感器，其特征在于，该第一基板包含一互补式金氧半导体基板。
5.如权利要求1所述的力量传感器，其特征在于，该第一基板包含一特定应用集成电路。
6.如权利要求1所述的力量传感器，其特征在于，更包含：
一特定应用集成电路芯片，其中该第一基板堆栈于该特定应用集成电路芯片上或与该特定应用集成电路芯片并列设置，且该第一基板的该至少一第二导电接点以一引线与该特定应用集成电路芯片电性连接。
7.如权利要求1所述的力量传感器，其特征在于，该封装体包含一突出部，其与该微机电系统组件相对应。
8.如权利要求1所述的力量传感器，其特征在于，更包含：
一突出件，其设置于该封装体上，其中该突出件包含一凸块，其与该微机电系统组件相对应。
9.如权利要求8所述的力量传感器，其特征在于，该凸块的一顶表面为平面或曲面。
10.如权利要求8所述的力量传感器，其特征在于，该凸块的材料为金属或高分子聚合物。
11.如权利要求8所述的力量传感器，其特征在于，该突出件包含一平板，其设置于该凸块以及该封装体之间或该凸块上。
12.如权利要求11所述的力量传感器，其特征在于，该平板的一投影区域等于或小于该第三基板。
13.如权利要求11所述的力量传感器，其特征在于，该平板设置于该凸块以及该封装体之间，且覆盖该封装体。
14.如权利要求11所述的力量传感器，其特征在于，该平板设置于该凸块上，且该平板包含至少一连接脚，其连接至该封装体。
15.一种力量传感器的制造方法，其特征在于，包含：
提供一第三基板，并定义出至少一第一连接部以及一凸柱；
提供一第二基板，其包含一第一表面以及一相对的第二表面、至少一参考组件、至少一第二连接部；
以该第二表面朝向该第三基板，接合该第二基板于该第三基板的该第一连接部以及该凸柱；
于该第二基板的该第一表面定义出至少一第二连接部；
于该第二基板定义出一微机电系统组件，其中该微机电系统组件与该凸柱连接；
提供一第一基板，其包含一固定电极、至少一参考电极、至少一第一导电接点以及至少一第二导电接点；
接合该第一基板以及该第二基板，其中该至少一第一导电接点与该至少一第二连接部电性连接，且该微机电系统组件与该固定电极相对应；以及
以一封装体覆盖该第三基板；
其中，该微机电系统组件与该第一基板的固定电极相对应形成感测电容，该第二基板的参考组件与该第一基板的该参考电极相对应形成参考电容，该参考电容与该感测电容组成一差分电容对，该微机电系统组件和该参考组件以该第二连接部作锚点形成类似翘翘板结构。
16.如权利要求15所述的力量传感器的制造方法，其特征在于，更包含：
薄化该第三基板。
17.如权利要求15所述的力量传感器的制造方法，其特征在于，更包含：
薄化该第二基板。
18.如权利要求15所述的力量传感器的制造方法，其特征在于，更包含：
形成导电材料于该第二连接部。
19.如权利要求15所述的力量传感器的制造方法，其特征在于，该至少一参考组件为一固定组件。
20.如权利要求15所述的力量传感器的制造方法，其特征在于，该至少一参考组件为一可动组件。
21.如权利要求15所述的力量传感器的制造方法，其特征在于，该第一基板包含一互补式金氧半导体基板。
22.如权利要求15所述的力量传感器的制造方法，其特征在于，该第一基板包含一特定应用集成电路。
23.如权利要求15所述的力量传感器的制造方法，其特征在于，更包含：
设置该第一基板于一特定应用集成电路芯片上或与该特定应用集成电路芯片并列；以及
以一引线电性连接该第一基板的该至少一第二导电接点以及该特定应用集成电路芯片。
24.如权利要求15所述的力量传感器的制造方法，其特征在于，该封装体包含一突出部，其与该微机电系统组件相对应。
25.如权利要求15所述的力量传感器的制造方法，其特征在于，更包含：
设置一突出件于该封装体上，其中该突出件包含一凸块，其与该微机电系统组件相对应。
26.如权利要求25所述的力量传感器的制造方法，其特征在于，该凸块的一顶表面为平面或曲面。
27.如权利要求25所述的力量传感器的制造方法，其特征在于，该凸块的材料为金属或高分子聚合物。
28.如权利要求25所述的力量传感器的制造方法，其特征在于，该突出件包含一平板，其设置于该凸块以及该封装体之间或该凸块上。
29.如权利要求28所述的力量传感器的制造方法，其特征在于，该平板的一投影区域等于或小于该第三基板。
30.如权利要求28所述的力量传感器的制造方法，其特征在于，该平板设置于该凸块以及该封装体之间，且覆盖该封装体。
31.如权利要求28所述的力量传感器的制造方法，其特征在于，该平板设置于该凸块上，且该平板包含至少一连接脚，其连接至该封装体。
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