CN110734035A - 具有多种耦合技术的微型尺寸力传感器 - Google Patents

具有多种耦合技术的微型尺寸力传感器 Download PDF

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CN110734035A
CN110734035A CN201910572100.4A CN201910572100A CN110734035A CN 110734035 A CN110734035 A CN 110734035A CN 201910572100 A CN201910572100 A CN 201910572100A CN 110734035 A CN110734035 A CN 110734035A
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苏德黑尔·比利杰尔·斯雷拉穆
阿迪蒂亚·维什努·耶拉穆拉朱
曼朱纳塔·Hm
理查德·韦德
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Abstract

本公开题为“具有多种耦合技术的微型尺寸力传感器”。公开了用于感测由外部源施加的力的示例性系统、装置和方法。示例性系统包括基板，该基板包括设置在该基板的第一表面上的多个电接触焊盘。该系统还包括力感测设备，该力感测设备设置在该基板的第二表面上，该第二表面与第一表面相对。该系统还包括壳体，该壳体设置在该基板的第二表面上。该壳体限定了提供公共耦合接口的孔。该公共耦合接口提供了将力通过第一耦合件或与该第一耦合件不同的第二耦合件传输到力感测设备的公共路径。

Description

具有多种耦合技术的微型尺寸力传感器
技术领域
本公开的示例性实施方案整体涉及传感器，并且更具体地涉及力传感器。
背景技术
工业和商业应用，包括工业和医疗装备，越来越多地利用力传感器来确定所施加的力。然而，传统的力传感器设计不能容易且成本效益高地集成到多于一个应用区域或装备类型中。此外，传统的力传感器设计对于很多应用来说通常太大。
申请人已经识别出许多与传统的力传感器相关的缺陷和问题。通过所付努力、智慧和创新，包括在本公开的实施方案中的开发解决方案已经解决了许多这些识别的问题，本文详细描述了这些解决方案的许多示例。
发明内容
本文公开了用于提供具有多种耦合技术的微型尺寸力传感器封装设计的系统、装置和方法(包括但不限于制造方法和封装方法)。在一些实施方案中，本文提供的微型尺寸力传感器封装设计通过提供公共耦合接口来解决上述问题，该公共耦合接口使得微型尺寸力传感器能够容易且成本效益高地集成到各种应用区域和装备类型中。
在第一示例性实施方案中，提供用于感测由外部源施加的力的系统。该系统包括基板，该基板包括第一表面和与该第一表面相对的第二表面。该系统还包括多个电接触焊盘，该多个电接触焊盘被配置为设置在该基板的第一表面上。该系统还包括力感测设备，该力感测设备被配置为设置在该基板的第二表面上。该系统还包括壳体，该壳体被配置为设置在该基板的第二表面的至少一部分上。壳体被配置为包封该力感测设备并限定孔，该孔被配置为提供公共耦合接口。该公共耦合接口被配置为提供将力通过第一耦合件传递到力感测设备的公共路径。公共耦合接口还被配置为提供将力通过与第一耦合件不同的第二耦合件传递到力感测设备的公共路径。
在第二示例性实施方案中，提供用于封装组件的方法，该组件用于感测由外部源施加的力。该方法包括将多个电接触焊盘设置在基板的第一表面上。该方法还包括将力感测设备安装在该基板的第二表面上，该第二表面与第一表面相对。该方法还包括组装壳体，该壳体至少包封力感测设备。该壳体限定用于提供公共耦合接口的孔。该方法还包括在公共耦合接口中提供第一耦合件或第二耦合件，该第二耦合件与该第一耦合件不同。公共耦合接口提供将力通过第一耦合件或第二耦合件传递到力感测设备的公共路径。
在第三示例性实施方案中，提供用于制造装置的方法，该装置用于感测由外部源施加的力。该方法包括将多个电接触焊盘设置在基板的第一表面上。该方法还包括将力感测设备安装在基板的第二表面上，该第二表面与该第一表面相对。该方法还包括组装壳体，该壳体至少包封力感测设备。该壳体限定用于提供公共耦合接口的孔。该公共耦合接口被配置为提供将力通过第一耦合件传递到力感测设备的公共路径。该公共耦合接口还被配置为提供将力通过与第一耦合件不同的第二耦合件传递到力感测设备的公共路径。
提供上述发明内容仅是为了概述一些示例性实施方案的目的，以提供对本公开一些方面的基本了解。因此，应当理解，上述实施方案仅为示例并且不应理解为以任何方式缩小本公开的范围或实质。应当理解，除了在此发明内容的那些，本公开的范围还涵盖了很多可能的实施方案，这些实施方案中的一些实施方案将在下面进一步描述。
附图说明
上面已经概括地描述了本公开的某些示例性实施方案，现在将参考附图，该附图未必按比例绘制。
图1A示出了根据本文描述的一些示例性实施方案的力传感器封装设计的示例性顶视图。
图1B示出了根据本文描述的一些示例性实施方案的力传感器封装设计的示例性分解图。
图1C示出了根据本文描述的一些示例性实施方案的力传感器封装设计的另一示例性分解图。
图2A示出了根据本文描述的一些示例性实施方案的力传感器基板的剖视图。
图2B示出了根据本文描述的一些示例性实施方案的力传感器基板的底视图。
图2C示出了根据本文描述的一些示例性实施方案的示出一个或多个电接触焊盘的电气功能的表格。
图3A示出了根据本文描述的一些示例性实施方案的设置在力传感器基板上的力感测设备的剖视图。
图3B示出了根据本文描述的一些示例性实施方案的设置在力传感器基板上的力感测设备和信号调节电路的另一剖视图。
图4A示出了根据本文描述的一些示例性实施方案的示出设置在力传感器基板上的壳体的剖视图的示例性实施方案。
图4B示出了根据本文描述的一些示例性实施方案的示出设置在力传感器基板上的壳体的另一剖视图的另一示例性实施方案。
图5示出了根据本文描述的一些示例性实施方案的力传感器封装设计的剖视图。
图6示出了根据本文描述的一些示例性实施方案的力传感器封装设计的另一剖视图。
图7示出了根据本文描述的一些示例性实施方案的示出力传感器封装设计的操作方法的功能框图。
图8示出了根据本文描述的一些示例实施方案的示出用于封装力传感器封装设计的组件的操作的流程图。
具体实施方式
下面的描述应该参照附图来阅读，其中贯穿若干视图相同的附图标记表示相同的元件。具体实施方式和附图示出了若干实施方案，这些实施方案旨在说明公开内容。应当理解，所公开的特征的任何编号(例如，第一、第二等)和/或与所公开的特征一起使用的方向术语(例如，前、后、下、上等)是表示相关特征之间的例示性关系的相对术语。
首先应当理解，尽管以下示出了一个或多个方面的例示性实施方式，但可使用任何数量的技术(无论是当前己知的还是尚不存在的技术)来实现所公开的组件、系统和方法。本公开决不应当限于下文所示的示例性实施方式、附图和技术，而是可以在所附权利要求书的范围以及其等同物的全部范围内进行修改。虽然公开了各种元件的尺寸值，但附图可能未按比例绘制。
本文所用的词语“示例”旨在表示“用作示例、实例或说明”。本文描述为“示例”的任何实施方式不一定比其他实施方式更优选或有利。
概述
力传感器在多种应用中使用，诸如但不限于输液泵、移动式非侵入式泵、闭塞检测、肠内泵、负载和压缩感测、可变张力控制和其他应用区域。此外，市场上不断推动减小力传感器的尺寸。在某些应用中，用户可能需要这样的力传感器，该力传感器足够小以适配到应用区域中并同时提供足够大的部署接口。
评估不同的力传感器以找到合适的力传感器设计，该设计可以容易且成本效益高地集成到应用区域中，这对用户来说是一个挑战。例如，在评估期间，用户可能必须体验不同的力传感器，从而用户可能必须从具有一种耦合技术的一个力传感器切换到具有不同耦合技术的另一个力传感器，以便找到合适的力传感器设计。这种切换可能不顺畅，因为用户可能必须根据他们在力传感器中使用的耦合技术的类型来重新设计他们的整个解决方案。重新设计整个解决方案可能不是令人满意的解决方案，因为用户可能有时间和预算限制。
此外，与力传感器相关联的其他因素(诸如但不限于物理尺寸、耦合点、接触焊盘布局和许多其他因素)，可以在评估期间充当障碍。例如，两个不同的力传感器的物理尺寸可能不同，因此，对于相同的应用区域，具有某些特定物理尺寸的一个力传感器可能不容易被具有不同物理尺寸的第二力传感器替代，因为第二力传感器可能不适配相同的应用区域。在另一示例中，但不限于，对于相同的应用区域，具有带一个布局的接触焊盘的一个力传感器可能不会被具有带第二布局的接触焊盘的第二力传感器替代，因为接触焊盘的第二布局可能在同一应用区域内不兼容。因此，上述因素在寻找合适的力传感器设计的评估中起重要作用。
本文描述的示例性实施方案提供用于力传感器封装设计的系统、装置和方法，该力传感器封装设计提供与多种或不同耦合技术兼容的公共耦合接口。力传感器封装设计的公共耦合接口可对于相同的应用区域用不同的耦合技术进行评估和实验，以便找到合适的力传感器设计。因此，减少了重新设计整个解决方案的需要，因为力传感器封装设计可用不同的耦合技术进行实验。与力传感器封装设计相关联的其他因素(诸如但不限于物理尺寸、耦合点、接触焊盘布局和许多其他因素)保持恒定，而与不同的耦合技术无关。
一般来讲，本发明所公开的力传感器封装设计的实施方案包括用于感测由外部源施加的力的力传感器。该力传感器可包括基板，该基板包括第一表面和与第一表面相对的第二表面。基板可包括多个电接触焊盘，该多个电接触焊盘设置在基板的第一表面上。该力传感器可包括力感测设备，该力感测设备设置在基板的第二表面上。该力传感器还可包括壳体，该壳体设置在基板的第二表面的至少一部分上。该壳体可至少包封力感测设备。该壳体可限定孔，该孔提供公共耦合接口。公共耦合接口还提供将力通过不同耦合件和/或多种耦合技术传递到力感测设备的公共路径。
参考图1A和图1B，描述了力传感器封装设计1的示例性实施方案。图1A示出了根据本文描述的一些示例性实施方案的力传感器封装设计1的示例性顶视图。图1B示出了根据本文描述的一些示例性实施方案的力传感器封装设计1的示例性分解图。如图1A和图1B所示，力传感器封装设计1包括力传感器基板200和限定孔402的壳体400。力传感器基板200包括顶侧200a和与顶侧200a相对的底侧200b。力传感器基板200还包括设置在力传感器基板200的底侧200b上的一个或多个电接触焊盘(未示出)。
如图1B所示，力感测设备300设置在力传感器基板200的顶侧200a上。如图1B所示，力感测设备300经由粘合剂10a安装在力传感器基板200的顶侧200a上。壳体400设置在力传感器基板200的顶侧200a上。如图1B所示，壳体400包封力感测设备300。如图1A和图1B所示，壳体400还限定孔402。壳体400安装在力传感器基板200的顶侧200a上，使得孔402与力感测设备300对准。例如，孔402的中心可被配置为与力感测设备300的中心对准。孔402提供公共耦合接口406，该公共耦合接口与支持不同耦合技术的多个或不同耦合件兼容。公共耦合接口406提供将力通过多个或不同耦合件传输到力感测设备300的公共路径。
参考图1C，结合图1A和图1B，示出了上述力传感器封装设计1的另一示例性实施方案。图1C示出了根据本文描述的一些示例性实施方案的力传感器封装设计1的另一示例性分解图。如图1C所示，除力感测设备300之外，任选的信号调节电路306设置在力传感器基板200的顶侧200a上。任选的信号调节电路306经由一个或多个引线键合部(未示出)来电耦合到力感测设备300。如图1C所示，壳体400设置在力传感器基板200的顶侧200a上，使得壳体400包封力感测设备300和任选的信号调节电路306。壳体400安装在力传感器基板200的顶侧200a上，使得孔402与力感测设备300对准(与图1A和图1B类似)。例如，孔402的中心可被配置为与力感测设备300的中心对准。孔402提供公共耦合接口406，该公共耦合接口与支持不同耦合技术的多个或不同耦合件兼容(与图1A和图1B类似)。公共耦合接口406提供将力通过多个或不同耦合件传输到力感测设备300的公共路径。在一些实施方案中，力传感器封装设计1可不包括任选的信号调节电路306。在此类实施方案中，力感测设备300可输出与所施加的力成线性比例的模拟电压(例如，如下面参考图2C所述)。
已经以高级别描述了各种示例实施方案，下面提供执行各种示例性操作的各种设备的设计。
参考图2A和图2B，描述了力传感器基板200(以上在图1A至图1C中提及)的示例性实施方案。图2A示出了根据本文描述的一些示例性实施方案的力传感器基板200的剖视图。图2B示出了根据本文描述的一些示例性实施方案的力传感器基板200的底视图。
如图2A所示，力传感器基板200包括顶侧200a和底侧200b。力传感器基板200还包括设置在该力传感器基板200的底侧200b上的一个或多个电接触焊盘。图2B示出了一个或多个电接触焊盘，诸如但不限于设置在力传感器基板200的底侧200b上的六个电接触焊盘(例如，100a、100b、100c、100d、100e、100f)。在一些上下文中，一个或多个电接触焊盘也可称为键合焊盘。
一般来讲，力传感器基板200提供诸如底侧200b的表面，上面可设置一个或多个电接触焊盘，诸如六个电接触焊盘(例如100a、100b、100c、100d、100e、100f)。一个或多个电接触焊盘被配置为提供与外部电路(未示出)的电连接。一个或多个电接触焊盘可沿着力传感器基板200的行、列或对角线设置，但不限于此。
在一些实施方案中，力传感器基板200包括印刷电路板(PCB)。在其他实施方案中，力传感器基板200可包括任何合适的材料，诸如但不限于介电材料、绝缘材料或它们的任何组合。在一个示例性实施方案中，力传感器基板200的平面形状可为多边形，诸如但不限于正方形、矩形、三角形、五边形或任何其他合适的形状。在另一示例性实施方案中，力传感器基板200的平面形状可为非多边形。
在一些实施方案中，力传感器基板200的平面尺寸为1.65毫米(mm)×1.65mm。在其他实施方案中，力传感器基板200可具有其他合适的尺寸。在一个示例性实施方案中，力传感器基板200为200微米(micrometer/micron)厚。在另一个示例性实施方案中，力传感器基板200的厚度可为300微米、400微米或任何其他合适的厚度。
如图2B所示，电接触焊盘(100a、100b、100c、100d、100e、100f)可对应于金属焊盘，这些金属焊盘包含一种或多种金属，例如，铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)、铝(Al)或它们的组合。在一个示例性实施方案中，电接触焊盘(100a、100b、100c、100d、100e、100f)可使用表面安装技术(SMT)表面安装在力传感器基板200的底侧200b上。在另一个示例性实施方案中，可使用化学过程(诸如但不限于使用金属电镀溶液(诸如铜电镀溶液))使金属沉积在力传感器基板200的底侧200b上以形成电接触焊盘(100a、100b、100c、100d、100e、100f)来使电接触焊盘(100a、100b、100c、100d、100e、100f)化学地设置在力传感器基板200的底侧200b上。在又一个示例性实施方案中，可通过在力传感器基板200的底侧200b上的蚀刻过程来设置电接触焊盘(100a、100b、100c、100d、100e、100f)。
在一些实施方案中，电接触焊盘(100a、100b、100c、100d、100e、100f)的平面形状可为多边形，例如，三角形、矩形、正方形、五边形、六边形或任何其他合适的形状。在其他实施方案中，电接触焊盘(100a、100b、100c、100d、100e、100f)的平面形状可为非多边形。
应当理解，图2B所示的六个电接触焊盘(100a、100b、100c、100d、100e、100f)仅为一个或多个电接触焊盘的一个示例，并且可以设想的是，可存在多于六个电接触焊盘。例如，一个或多个电接触焊盘可包括八个或十个电接触焊盘。
在一些实施方案中，电接触焊盘(100a、100b、100c、100d、100e、100f)的平面尺寸为1.30mm×1.00mm。在其他实施方案中，电接触焊盘(100a、100b、100c、100d、100e、100f)可包括任何合适的平面尺寸，诸如但不限于1.23mm×0.95mm、1.35mm×1.05mm、1.58mm×0.75mm、1.63mm×0.80mm、1.68mm×0.85mm、或任何其他合适的平面尺寸。
如上所述，电接触焊盘(100a、100b、100c、100d、100e、100f)被配置为提供与外部电路的电连接。电接触焊盘(100a、100b、100c、100d、100e、100f)使用通信协议(诸如但不限于，内部集成电路(I2C)协议或串行外围接口(SPI)协议)以与外部电路通信并提供与外部电路的电连接。图2C示出了根据本文描述的一些示例性实施方案的示出根据由电接触焊盘(100a、100b、100c、100d、100e、100f)支持的I2C和SPI协议的电接触焊盘(100a、100b、100c、100d、100e、100f)中的每一个的电气功能的表格。图2C所示的表格还示出了根据本文描述的一些示例性实施方案的根据电接触焊盘(100a、100b、100c、100d、100e、100f)的未放大的模拟输出的电接触焊盘(100a、100b、100c、100d、100e、100f)中的每一个的电气功能。例如，在一些实施方案中，电接触焊盘(100a、100b、100c、100d、100e、100f)可输出未放大的仅电桥输出[mV]，该仅桥输出包括通过电接触焊盘直接从力感测设备测量的未信号调节的电输出。应当理解，图2C的表格中所示的电接触焊盘布局配置为示例，可以设想的是，一个或多个电接触焊盘布局的其他配置也是可能的。此外，通信协议I2C协议和SPI协议为通信协议的示例，也可使用用于通信的其他协议。
现在参考图3A，结合图1和图2，描述了设置在力传感器基板200上的力感测设备300的示例性实施方案。图3A示出了根据本文描述的一些示例性实施方案的设置在力传感器基板200上的力感测设备300的剖视图。一般来讲，力感测设备300通过将施加到力感测设备300或入射在力感测设备上的外力转换为诸如电压、电流或两者的电特性来测量或感测外力。在一些实施方案中，力感测设备300可对应于微机电系统(MEMS)力感测设备，该微机电系统(MEMS)力感测设备包括使用硅晶圆和合适的制造技术来制造的微机械加工的MEMS感测芯片。在其他实施方案中，力感测设备300可对应于包括压阻式硅感测芯片的压阻式力感测设备。
在一些实施方案中，力感测设备300的平面尺寸为1.65mm×1.65mm。在其他实施方案中，力感测设备300可具有其他合适的尺寸。在一个示例性实施方案中，力感测设备300为200微米厚。在另一个示例性实施方案中，力感测设备300的厚度可为300微米、400微米、或任何其他合适的厚度。
如图3A所示，力感测设备300设置在力传感器基板200的顶侧200a上。如图3A所示，力感测设备300使用粘合剂10a安装在力传感器基板200的顶侧200a上。在一些实施方案中，力感测设备300包括感测元件(未示出)，诸如压阻式感测部件和/或电路。压阻式感测部件具有根据施加到力感测设备300或入射在力感测设备上的力而变化的电阻。在一般操作中，当力感测设备300通过外部电压被激励时，施加到力感测设备300或入射在力感测设备上的力导致压阻式感测部件的电阻发生偏转。偏转导致力感测设备300的输出信号发生变化，并且输出信号的这种变化是入射力的指示或测量。
在一些实施方案中，压阻式感测部件可包括硅压阻材料。在其他实施方案中，压阻式感测部件可包括非硅压阻材料。压阻式感测部件可以惠斯通电桥配置或以其他类似或不同的配置连接。应当理解，压阻式感测部件仅为感测元件的一个示例，并且可以设想的是，可使用其他合适的感测元件，诸如但不限于电容感测部件。
在一些实施方案中，力感测设备300可设置在力传感器基板200的顶侧200a上相对于力传感器基板200的中心偏离中心的位置处(如图3A所示)。所设置的力感测设备300的偏离中心的位置可通过传送电接触焊盘的配置向用户提供视觉辅助，这可在应用区域中组装力传感器封装设计1时帮助用户。在其他实施方案中，力感测设备300可设置在力传感器基板200的中心处。
如上所述并且如图3A所示，力感测设备300使用粘合剂10a安装在力传感器基板200上。在一些实施方案中，粘合剂10a可包括以下一种或多种：硅橡胶、室温硫化(RTV)硅橡胶、硅橡胶-环氧树脂、软环氧树脂、常规或硬环氧树脂或它们的任何组合。在一个示例性实施方案中，粘合剂10a可包括导电粘合剂。在另一个示例性实施方案中，粘合剂10a可包括非导电粘合剂或导电和非导电粘合剂的任何组合。应当理解，粘合剂10a仅为合适的键合机制的一个示例，并且可以设想的是，可使用其他键合机制(例如但不限于焊料共晶等)。
现在参考图3B，结合图3A，示出上述力传感器基板200的另一实施方案。图3B示出了根据本文描述的一些示例性实施方案的设置在力传感器基板200的顶侧200a上的力感测设备300和任选的信号调节电路306的另一剖视图。一般来讲，任选的信号调节电路306使输入信号的变化均匀，使其适合于进一步处理。这些变化可能由于诸如但不限于温度变化、外部噪声、电磁变化、其他变化或它们的组合的因素而出现。
在一些实施方案中，任选的信号调节电路306可包括专用集成电路(ASIC)、仪表放大器、微处理器、微控制器或它们的组合。在一些实施方案中，任选的信号调节电路306还可包括具有内置温度传感器(未示出)的数字放大器，用于补偿由温度变化造成的温度引起的变化。
在一些实施方案中，任选的信号调节电路306的平面尺寸为1.97mm×1.52mm。在其他实施方案中，任选的信号调节电路306可包括任何合适的平面尺寸，诸如但不限于1.94mm×1.47mm、2.00mm×1.55mm、或任何其他合适的平面尺寸。在一个示例性实施方案中，任选的信号调节电路306为0.36mm厚。在另一个示例性实施方案中，任选的信号调节电路306的厚度可为0.35mm、0.36mm、或任何其他合适的厚度。
如图3B所示，任选的信号调节电路306使用粘合剂10b安装在力传感器基板200的顶侧200a上。任选的信号调节电路306经由一个或多个引线键合部诸如引线键合部(20a、20b、20c)来电耦合到力感测设备300，如图3B所示。引线键合部(20a、20b、20c)可包含一种或多种金属，例如，铝(Al)、铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)、或它们的组合。引线键合部(20a、20b、20c)可通过合适的引线键合技术(例如，热超声键合、超声波键合和/或热压键合技术)来引线键合。在一些实施方案中，引线键合部(20a、20b、20c)可具有25微米的厚度。在其他实施方案中，引线键合部(20a、20b、20c)可具有任何其他合适的厚度。应当理解，引线键合部(20a、20b、20c)仅为在力感测设备300和任选的信号调节电路306之间建立电连接的一个示例，并且可以设想的是，任选的信号调节电路306可经由其他方式(诸如但不限于迹线导体、导电弹性体预制件、导电粘合剂、各向异性导电粘合剂、任何其他合适的连接件、或它们的组合)电连接到力感测设备300。
如上所述，任选的信号调节电路306电连接到力感测设备300。在操作中，任选的信号调节电路306被配置为接收力感测设备300的输出信号，任选的信号调节电路306对接收到的输出信号执行调节，并且还提供经调节的输出信号以供进一步处理。在一些实施方案中，任选的信号调节电路306可以与力感测设备300分开地设置在力传感器基板200的顶侧200a上。在其他实施方案中，任选的信号调节电路306可作为力感测设备300的一部分设置在力传感器基板200的顶侧200a上。
如上所述并且如图3B所示，任选的信号调节电路306可使用粘合剂10a安装在力传感器基板200的顶侧200a上。在一些实施方案中，粘合剂10b可包括以下一种或多种：硅橡胶、RTV硅橡胶、硅橡胶-环氧树脂、软环氧树脂、常规或硬环氧树脂或它们的任何组合。在一个示例性实施方案中，粘合剂10b可包括导电粘合剂。在另一个示例性实施方案中，粘合剂10b可包括非导电粘合剂或导电和非导电粘合剂的任何组合。应当理解，粘合剂10b仅为键合机制的一个示例，并且可以设想的是，可使用其他键合机制(例如但不限于焊料共晶等)。
现在参考图4A和图4B，结合图1、图2和图3，描述了设置在力传感器基板200上的壳体400的示例性实施方案。图4A示出了根据本文描述的一些示例性实施方案的示出设置在力传感器基板200上的壳体400的剖视图的示例性实施方案。图4B示出了根据本文描述的一些示例性实施方案的示出设置在力传感器基板200上的壳体400的另一剖视图的另一示例性实施方案。
如图4A所示，壳体400设置在力传感器基板200的顶侧200a上。壳体400包封力感测设备300和任选的信号调节电路306。壳体400还限定孔402。如图4A所示，孔402与力感测设备300对准，例如，孔402的中心可被配置为与力感测设备300的中心对准。孔402还提供公共耦合接口406。公共耦合接口406与具有不同致动器(未示出)的多个或不同耦合件兼容。
公共耦合接口406可保持对应于多个或不同耦合件的不同致动器。在一个实施方案中，多个或不同耦合件可包括以下中的一者或多者：机械耦合件，其具有滚珠轴承作为致动器；基于凝胶的耦合件，其具有凝胶作为致动器；或两者。公共耦合接口406限定通过多个或不同耦合件中的任何一个传递外力的公共路径，外力由外部源提供并且被传输到力感测设备300。公共路径从公共耦合接口406的顶部延伸，沿着壳体400的长度伸展到力感测设备300。
如图4A所示，壳体400还限定直的内壁408a，该直的内壁从孔402的周边延伸，沿着壳体400的长度伸展到壳体400的端部。直的内壁408a的横截面为圆柱形横截面。
在一些实施方案中，壳体400可限定倾斜内壁408b，如图4B所示。参考图4B，描述了壳体400的另一个实施方案(在图4A中解释)。图4B示出了设置在力传感器基板200上的壳体400的另一剖视图。如图4B所示，壳体400限定倾斜内壁408b，倾斜内壁408b从孔402的周边延伸，沿着壳体400的长度伸展到壳体400的端部。倾斜内壁408b的横截面为漏斗形横截面。如图4B所示，壳体400还可限定外肩部410。外肩部410具有平坦表面，该平坦表面限于孔的周边的外边缘，接着是外边缘的尖锐的下落表面412，如图4B所示。
在一些实施方案中，壳体400可为模制的塑料部件。在其他实施方案中，壳体400可为冲压的金属部件或模制的非塑料部件，例如聚酰胺、陶瓷、任何其他合适的部件、或它们的组合。在其他实施方案中，壳体的平面尺寸为4.75mm×4.25mm。在其他实施方案中，壳体可具有任何合适的平均尺寸。在一个示例性实施方案中，壳体为1.65mm厚。在另一个示例性实施方案中，壳体可具有任何合适的厚度。
在一些实施方案中，在壳体400中限定的孔402可具有例如圆形、椭圆形、卵形或多边形的横截面。在一些实施方案中，孔402可具有横截面半径，诸如但不限于1.44mm、1.54mm、1.64mm或任何其他合适的半径。在一些实施方案中，壳体400可使用合适的粘合剂或任何合适的键合机制(例如，焊料、共晶等)附接到力传感器基板200。
现在参考图5，结合图4A，描述了力传感器封装设计2a的示例性实施方案。图5示出了根据本文描述的一些示例性实施方案的力传感器封装设计2a的剖视图。如前所述，孔402提供公共耦合接口406，该公共耦合接口与具有不同致动器的多个或不同耦合件兼容。如图5所示，在公共耦合接口406中提供具有球形致动器的机械耦合件。球形致动器包括球形件510，如图5所示。球形件510机械地联接到力感测设备300并且被配置为响应于从外部源接收到力而将力传输到力感测设备300。球形件510设置在孔402中，使得球形件510的纵向直径与力感测设备300的中心对准。球形件510与壳体400的内壁408a接触，球形件510与内壁408a的接触允许球形件510的最小位移。球形件510的一部分突伸穿过孔402，使得来自外部源的力可通过球形件510直接集中到力感测设备300。
在一些实施方案中，球形件510可为金属球(例如，不锈钢球)。在其他实施方案中，球形件510可为非金属球。在一些实施方案中，球形件510可具有在1.5mm至1.6mm范围内的半径。在其他实施方案中，球形件510可具有任何合适的半径。球形件510被配置为提供高机械稳定性并且适用于多种应用。应当理解，球形件510仅为致动器的一个示例，并且可以设想的是，可使用其他合适的致动器。
现在参考图6，结合图4B，描述了力传感器封装设计2a的另一个示例性实施方案。图6示出了根据本文描述的一些示例性实施方案的力传感器封装设计2a的另一剖视图。如图6所示，在公共耦合接口406中提供具有另一致动器诸如凝胶520的基于凝胶的耦合件。凝胶520，其设置在公共耦合接口406中，与力感测设备300紧密接触，如图6所示。凝胶520被配置为响应于从外部源接收到力而将力传输到力感测设备300。如图6所示，凝胶520在孔402的周边处形成圆顶形或凸形表面，使得来自外部源的力可通过凝胶520直接集中到力感测设备300。
在一些实施方案中，可将凝胶520倒入由壳体400限定的孔402中，凝胶520返回流动并填充倾斜内壁408b的横截面，直到到达外肩部410(如图4B和图6所示)。随着凝胶520到达尖锐的下落表面412，凝胶520停止并成珠状，导致在孔402的周边形成凝胶520的圆顶形或凸形表面，本领域中已知的凝胶520的流体动力学属性(例如，表面张力效应和/或粘附效应)导致在孔402的周边处形成凝胶520的圆顶形或凸形表面。
在一些实施方案中，凝胶520可为液体凝胶。在其他实施方案中，凝胶520可为半液体凝胶。在一个示例性实施方案中，凝胶520可为介电凝胶。在另一个示例性实施方案中，凝胶520可为非介电凝胶。在一些实施方案中，凝胶520可为基于硅橡胶的凝胶。应当理解，凝胶520仅为致动器的一个示例，并且可以设想的是，可使用其他合适的致动器。
现在参考图7，将描述力传感器封装设计2a和2b(分别在图5和图6中示出)的操作方法。图7示出了根据本文描述的一些示例性实施方案的力传感器封装设计2a和2b的操作方法的功能框图。最初，力传感器封装设计2a或2b通过电接触焊盘(100a、100b、100c、100d、100e、100f)连接到外部电路(未示出)。力感测设备300和任选的信号调节电路306经由引线键合部(20a、20b、20c)来连接(如图5和图6所示)。由壳体400限定的孔402设置有具有致动器(例如，本文中的球形件510或凝胶520)的多个或不同耦合件中的一个耦合件。
在操作中，外部电源经由电接触焊盘(100a、100b、100c、100d、100e、100f)向力感测设备300供应电源电压V。致动器(例如，球形件510或凝胶520)响应于从外部源接收到力而对力感测设备300施加力。致动器(例如，球形件510或凝胶520)将力传递到力感测设备300，从而导致力感测设备300的电阻发生偏转。电阻的偏转导致力感测设备300的输出信号发生变化。输出信号的这种变化是外部源施加的力的指示或测量。任选的信号调节电路306接收输出信号的变化并相应地调节所接收的信号。
已经描述了可执行本文描述的系统的一些功能的示例性设备的特定部件(例如，力传感器封装设计1、2a和2b)，下面结合一系列流程图描述本公开的示例性实施方案。
转到图8，结合图1至图7，描述了示出用于封装力传感器封装设计2a或2b的组件的操作的流程图。图8示出了根据本文描述的一些示例实施方案的用于封装力传感器封装设计2a或2b的组件的操作的流程图。
首先转到操作802，将电接触焊盘(100a、100b、100c、100d、100e、100f)设置在力传感器基板200的底侧200b上。在一个示例性实施方案中，电接触焊盘(100a、100b、100c、100d、100e、100f)可使用SMT来表面安装在力传感器基板200的底侧200b上。在另一个示例性实施方案中，可使用化学过程(诸如但不限于使用金属电镀溶液(诸如铜电镀溶液))使金属沉积在力传感器基板200的底侧200b上以形成电接触焊盘(100a、100b、100c、100d、100e、100f)来使电接触焊盘(100a、100b、100c、100d、100e、100f)化学地设置在力传感器基板200的底侧200b上。在又一个示例性实施方案中，可通过在力传感器基板200的底侧200b上的蚀刻过程来设置电接触焊盘(100a、100b、100c、100d、100e、100f)。
接下来转到操作804，将力感测设备300和任选的信号调节电路306设置在力传感器基板200的顶侧200a上。力感测设备300和任选的信号调节电路306可分别使用粘合剂10a和10b安装在力传感器基板200上，如图3A和图3B所示。在一些实施方案中，任选的信号调节电路306可以与力感测设备300分开地设置在力传感器基板200的顶侧200a上。在其他实施方案中，任选的信号调节电路306可作为力感测设备300的一部分设置在力传感器基板200的顶侧200a上。
接下来转到操作806，将壳体400设置在力传感器基板200的顶侧200a上。所设置的壳体400包封力感测设备300和任选的信号调节电路306。壳体400限定孔402。壳体400设置在力传感器基板200上，使得孔402与力感测设备300对准。例如，孔402的中心可被配置为与力感测设备300的中心对准。孔402还提供公共耦合接口406。公共耦合接口406与具有不同致动器的多个或不同耦合件兼容。
接下来转到操作808，在公共耦合接口406中提供机械耦合件或基于凝胶的耦合件之间的多个或不同耦合件中的一个耦合件。公共耦合接口与机械耦合件和基于凝胶的耦合件两者兼容。公共耦合接口406限定通过多个或不同耦合件中的任何一个耦合件(例如，机械耦合件和基于凝胶的耦合件)传递外力的公共路径，外力由外部源提供并且被传输到力感测设备300。公共路径从公共耦合接口406的顶部延伸，沿着壳体400的长度伸展到力感测设备300。
在一些实施方案中，操作802、804、806和808可能不一定以图8中描绘的顺序发生。在一些实施方案中，图8中描绘的一个或多个操作可基本上同时发生。在一些实施方案中，在图8所示的任何操作之前、之后或之间可涉及一个或多个附加操作。
如上所述，本公开的示例性实施方案因此提供力传感器封装设计，该力传感器封装设计提供与多种或不同耦合技术兼容的公共耦合接口。因此，可在由力传感器设计提供的公共耦合接口中提供多种耦合技术，这使得用户有机会对于相同的应用区域用不同的耦合技术对相同的力传感器封装设计进行实验。这使得找到合适的力传感器的过程有效，从而节省了时间和金钱，同时减少了重新设计解决方案的需要。
图8示出了描述根据本公开的示例性实施方案执行的操作的示例性流程图。应当理解，流程图的每个框、以及流程图中的框的组合可通过各种手段来实现，诸如包括硬件、固件、一个或多个处理器的设备、和/或与包括一个或多个计算机程序指令的软件的执行相关联的电路。例如，上述过程中的一个或多个可由驻留在非暂态计算机可读存储存储器上的计算机程序指令来体现。在这方面，体现上述过程的计算机程序指令可由采用本公开的实施方案的装置的存储器存储并且由装置的处理器执行。可以理解，可将任何这样的计算机程序指令加载到计算机或其他可编程装置(例如，硬件)上以产生机器，使得所得计算机或其他可编程装置提供流程图框中指定的功能的实施方式。当执行时，存储在计算机可读存储存储器中的指令产生制品，该制品被配置为实现流程图框中指定的各种功能。此外，执行计算机或其他处理电路以执行各种功能将计算机或其他处理电路转换为被配置为执行本公开的示例实施方案的特定机器。因此，流程图中阐述的操作定义了用于将计算机或处理器配置为执行示例性实施方案的一种或多种算法。在一些情况下，可为通用计算机提供处理器的实例，该实例执行在一个或多个流程图中描述的算法，以将通用计算机变换为被配置为执行示例性实施方案的特定机器。
因此，所描述的流程图框支持用于执行指定功能的装置的组合以及用于执行指定功能的操作的组合。还将理解，一个或多个流程图框和流程图框的组合可由执行指定功能的专用基于硬件的计算机系统或执行计算机指令的专用硬件的组合来实现。
在一些示例性实施方案中，可如下所述修改或进一步放大本文中的某些操作。此外，在一些实施方案中，还可包括附加的任选操作。应当理解，本文描述的修改、任选的添加或扩增中的每一个可单独地或与本文描述的特征中的任何其他特征组合地包括在本文的操作中。
提供前述方法描述和过程流程图仅作为说明性示例，并且不旨在要求或暗示必须以所呈现的顺序执行各种实施方案的步骤。如本领域技术人员将理解的，上述实施方案中的步骤顺序可以以任何顺序执行。诸如“之后”、“然后”、“下一个”和类似词的词并不旨在限制步骤的顺序；这些词只是用来引导读者了解方法的描述。此外，例如，使用冠词“一个”、“一种”或“该”对单数形式的权利要求元素的任何引用都不应被解释为将元素限制为单数并且在某些情况下，可以用复数形式来解释。
用于实施结合本文公开的各方面描述的各种例示性逻辑、逻辑块、模块和电路的硬件可包括通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用处理器诸如ASIC或现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑设备、离散栅极或晶体管逻辑、离散硬件部件或它们的被设计用于执行本文描述的功能的任何组合。通用处理器可以是微处理器，然而或者，处理器可以是任何传统的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器可还被实现为计算设备的组合，例如，DSP和微处理器的组合、多个微处理器、结合DSP核心的一个或多个微处理器、或者任何其他此类配置。另选地或除此之外，一些步骤或方法可通过特定于给定功能的电路来执行。
在一个或多个示例性实施方案中，本文描述的功能可由专用硬件或由固件或其他软件编程的硬件的组合来实现。在依赖于固件或其他软件的实现方式中，可由于存储在一个或多个非暂态计算机可读介质和/或一个或多个非暂态处理器可读介质上的一个或多个指令的执行来执行这些功能。这些指令可由驻留在一个或多个非暂态计算机可读或处理器可读存储介质上的一个或多个处理器可执行软件模块来体现。在这方面，非暂态计算机可读或处理器可读存储介质可包括可由计算机或处理器访问的任何存储介质。作为示例而非限制，这种非暂态计算机可读或处理器可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、闪存存储器、磁盘存储装置、磁存储设备等。如本文所用，磁盘存储装置包括压缩光盘(CD)、激光盘、光学光盘、数字通用光盘(DVD)、软磁盘及蓝光discTM、或用激光以磁性方式或以光学方式存储数据的其他存储设备。上述类型的介质的组合也包括在术语非暂态计算机可读和处理器可读介质的范围内。另外，存储在一个或多个非暂态处理器可读或计算机可读介质上的指令的任何组合在本文中可称为计算机程序产品。
本公开所属领域的技术人员将想到本文所阐述的本公开的许多修改和其他实施方案，其具有前述描述和相关附图中呈现的教导的益处。尽管附图仅示出了本文描述的装置和系统的某些部件，但应当理解，各种其他部件可与供应管理系统结合使用。因此，应当理解，本公开不限于所公开的特定实施方案，并且修改和其他实施方案旨在包括在所附权利要求的范围内。此外，上述方法中的步骤可能不一定以附图中所描绘的顺序发生，并且在一些情况下，所描绘的步骤中的一个或多个可基本上同时发生，或者可涉及附加步骤。尽管本文采用了特定术语，但它们仅以一般性和描述性意义使用，而不是出于限制的目的。

Claims (10)

1.一种用于感测由外部源施加的力的系统，所述系统包括：
基板，所述基板包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；
多个电接触焊盘，所述多个电接触焊盘被配置为设置在所述基板的所述第一表面上；
力感测设备，所述力感测设备被配置为设置在所述基板的所述第二表面上；和
壳体，所述壳体被配置为设置在所述基板的所述第二表面的至少一部分上，其中所述壳体被配置为包封所述力感测设备，并且其中所述壳体限定孔，所述孔被配置为提供公共耦合接口，
其中所述公共耦合接口被配置为提供将所述力通过第一耦合件传递到所述力感测设备的公共路径，并且
其中所述公共耦合接口还被配置为提供将所述力通过与所述第一耦合件不同的第二耦合件传递到所述力感测设备的所述公共路径。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述基板包括印刷电路板(PCB)。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述力感测设备包括压阻式力感测设备和微机电系统(MEMS)力感测设备中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述孔的中心被配置为与所述力感测设备的中心对准。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一耦合件为机械耦合件，并且其中所述第二耦合件为基于凝胶的耦合件。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述系统还包括所述第一耦合件，并且其中所述第一耦合件包括球形件，所述球形件被配置为将所述力传输到所述力感测设备。
7.根据权利要求5所述的系统，其中所述系统还包括所述第二耦合件，并且其中所述第二耦合件包括凝胶，所述凝胶被配置为将所述力传输到所述力感测设备。
8.根据权利要求1所述的系统，还包括信号调节电路，所述信号调节电路被配置为设置在所述基板的所述第二表面上，其中所述信号调节电路被配置为电耦合到所述力感测设备和所述多个电接触焊盘，并且其中所述壳体还被配置为包封所述信号调节电路。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述信号调节电路包括专用集成电路(ASIC)或仪表放大器。
10.根据权利要求8所述的系统，其中所述信号调节电路被配置为通过一个或多个引线键合部来电耦合到所述力感测设备。
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