CN111855028A - 具有集成特征的传感器组件 - Google Patents

Abstract

一种传感器组件(40)，包括具有第一构件(44)和第二构件(46)的传感器管芯(42)。第一构件(44)包括在第一构件的相反的表面之间延伸的膜片(54)。多个电感测元件(58)设置在第一构件内，并且沿着第一构件表面定位在膜片(54)附近。第二构件(46)沿着包括电感测元件(58)的表面与第一构件(44)附接。第二构件具有与第一构件形成腔室(76)的凹入部分(75)以适应膜片(54)的偏弯。第一构件包括致动元件(47)，该致动元件从表面向外延伸，并且直接定位在膜片(43)上。传感器组件包括金属连接件(56)和触头(60)，用于促进电感测元件(58)与传感器管芯的外表面之间的连接，以提供传感器组件的表面安装电连接(70)。

Description

具有集成特征的传感器组件

技术领域

本发明涉及用于感测力的传感器组件和方法。

背景技术

为了确定施加在传感器元件、膜片或薄膜上的力的大小而使用传感器组件在本领域中是已知的。为了确定由物理元件施加的力的大小，使用力传感器。常规的力传感器包括：力传感器管芯，其包括膜片和与其连接的电感测元件；以及致动元件，其与传感器管芯分开制造，并且与传感器管芯结合，使得致动元件接触膜片的一部分。致动元件从力传感器延伸以接收外力，该外力然后由致动元件传递到传感器管芯的膜片上，引起膜片偏弯，该偏弯由电感测元件测量。

尽管此类常规力传感器可用于确定施加在其中的力的大小，但是，这种力传感器包括的传感器管芯和致动元件单独制造，然后在后续步骤中组装在一起，这一构造需要必须严格地控制封装公差，并且这种构造的进一步减小尺寸受到限制。此外，在力传感器的重复操作期间，放置在传感器管芯膜片的顶部上的分离的致动元件的布置以及在它们之间的重复接触可能导致传感器膜片接触疲劳问题，这可能会缩短这种力传感器的有效使用寿命。此外，这种已知的力传感器的感测元件可能暴露于外部环境，这可能影响力传感器的性能。更进一步，这种已知的力传感器可能不包括限制膜片偏弯的特征，如果在操作期间暴露于过载外力，则偏弯可能导致膜片破裂或以其他方式损坏。

要解决的问题是提供一种传感器组件，该传感器组件构造成使得不同构件和元件的制造和组装能够一起进行。期望这样的传感器组件被构造为减少或消除由于致动元件的反复接触而引起的传感器管芯表面疲劳的可能性。进一步期望这样的传感器组件被构造为保护电感测元件免受外部环境影响。还希望传感器组件被构造为限制总膜片偏弯，从而减少或消除由于力过载而引起的不希望的膜片损坏。

发明内容

根据本发明，本文公开的传感器组件包括传感器管芯，该传感器管芯可以包括第一构件和第二构件。第一构件包括在第一构件的第一表面和第一构件的相反的第二表面之间延伸的膜片。多个电感测元件设置在第一构件内并且沿着第一表面位于膜片附近。第二构件沿着第一表面与第一构件附接，第二构件包括与第一构件第一表面形成腔室的凹入部分。在一个示例中，该凹入部分直接位于膜片的对面。在一个示例中，该凹入部分的尺寸被确定为限制膜片的总偏弯量。传感器管芯的第一和第二构件可以各自由硅形成并且结合在一起。第一构件包括附接到其上并且从第一构件第二表面向外延伸的致动元件。在一个示例中，该致动元件直接位于膜片的对面。在一个示例中，致动元件和膜片各自与第一构件成一体。传感器组件可以包括与第二构件的与第一构件相对的表面连接的一个或多个金属接触件，其中所述一个或多个金属接触件与第一构件中的电感测元件电连接，并且其中所述金属接触件有助于传感器组件的表面安装电连接。在一个示例中，传感器组件可以是力传感器。

如本文所公开的使用传感器组件感测力的方法包括：将来自外部对象的力施加到致动元件上，使得该力通过第一构件传递至膜片，导致膜片偏弯。施加在致动元件上的力的大小可以由膜片偏弯的量来确定，该膜片偏弯的量是由封装在传感器芯片中的电感测元件测得的。电感测元件提供输出信号，该信号从传感器管芯通过电触头传递到传感器管芯的表面。其中，可以通过使用电连接接收输出信号的外部设备从该输出信号确定力。

附图说明

现在将参考附图通过示例的方式描述本文所公开的传感器组件，其中：

图1A是处于第一状态的现有技术的传感器组件的截面侧视图；

图1B是处于第二状态的图1A中的现有技术的传感器组件的截面侧视图；

图2A是处于第一状态的本文公开的示例传感器组件的截面侧视图；

图2B是处于第二状态的图2A中的示例传感器组件的截面侧视图；

图3A是如本文所公开的示例性传感器组件的第一构件的截面侧视图；

图3B是图3A的示例传感器组件第一构件的俯视图；

图3C是图3A的示例传感器组件第一构件的仰视图；

图4A是如本文所公开的示例性传感器组件的第二构件的截面侧视图；

图4B是图4A的示例传感器组件第二构件的俯视图；

图4C是图4A的示例传感器组件第二构件的仰视图；

图5是如本文所公开的示例性组件的截面侧视图，其中第一构件和第二构件附接在一起；

图6A是处于完成状态的图5中的示例组件的截面侧视图；

图6B是图6A的示例传感器组件的俯视图；且

图6C是图6B的示例传感器组件的仰视图。

具体实施方式

图1A示出了传统的力传感器10，其包括传感器管芯12，其包括膜片14，膜片14的厚度由膜片下方的凹入部分16限定。传感器管芯12还包括位于膜片14附近的电传感器元件24，该电传感器元件24例如为压阻元件等的形式，其可以布置成惠斯通电桥，以便提供期望的电信号，用于检测沿着膜片的表面20的响应于施加在其上的力造成的运动。致动元件22与传感器管芯分开设置，并且设置在膜片表面20上。在这一现有技术的力传感器中，致动元件以实心球形元件的形式提供，其能够将施加在其上的物理力传递到膜片。传感器管芯12还包括沿管芯的表面设置的电连接器和/或触头18和26，其中，电端子28从所述触头向外延伸以与外部对象连接。在这种现有技术的力传感器中，电感测元件24、电连接器和/或触头18和26都沿着传感器管芯的表面暴露于外部环境。图1A示出了处于非激活状态的现有技术的力传感器，其中没有外部物理力施加至致动元件22。

图1B示出了上述的现有技术的力传感器30，其包括传感器管芯12，布置在膜片14的表面20上的致动元件22，其示出为处于激活状态，其中有效的外力被物理地施加到致动元件22上。如图所示，在激活状态下，致动元件22将外力传递到传感器膜片14上，使其向下偏弯(deflect)到凹入部分16中。膜片偏弯的量取决于施加在其上的力的量，并且在这种现有技术的力传感器构造中不存在可物理地阻止或限制偏弯量的特征或元件。在这一激活状态下，电感测元件24测量沿膜片表面14的变化，并提供用于确定施加在其上的力的输出信号。

如上所述，由于一些因素，诸如：在使用过程中由于膜片表面与致动元件之间反复接触而引起的膜片表面疲劳，电感测元件以及相关的电连接器和触头暴露于外部环境中，以及因响应于过载而引起的无法停止的偏弯而可能发生的膜片损坏，这种现有技术的力传感器会遇到表面寿命缩短或性能降低的问题。

图2A示出了如本文所公开的示例传感器组件40，该传感器组件40示出处于未被施加外力的非激活状态中。传感器组件大体上包括由两个构件44和46形成的传感器管芯42。在一个示例中，两个构件由结合在一起的硅形成，如将在下面更好地描述的。传感器管芯的第一构件44经过特殊加工，其包括从外表面48向外突出一期望距离的致动元件47。在一个示例中，致动元件是实心的，并且可以被设置为半球形状。应当理解，致动元件可以根据特定的最终用途而形成不同的形状，并且这些不同的形状应理解为在本说明书的范围内。致动元件可以被形成为结合到第一构件44的表面的单独部件，或者致动元件可以与第一构件成一体。在一个示例中，致动元件与第一构件成一体并且在形成第一构件的过程中形成。

传感器管芯的第一构件44具有在外表面48至底侧表面50之间延伸的厚度，如沿第一构件的边缘52观察最佳所示。第一构件44包括膜片54，该膜片54与第一构件成一体并且具有由第一构件的厚度限定的厚度。致动元件47位于膜片54的上方。在一个示例中，膜片厚度可以大于约5微米，约5至500微米，约10至100微米，并且在一个示例中为约25至35微米。应当理解，膜片的确切厚度可以根据特定的最终用途应用而变化。在一个示例中，致动元件可以从第一构件外表面48延伸，其半径大于约300微米，并且为约25至920微米。应当理解，致动元件所延伸的大致距离可以根据诸如致动元件的形状以及特定的最终用途的因素而变化。

仍然参照第一构件44，电感测元件58沿着第一构件的底侧表面50位于膜片54的周缘附近。电感测元件可以是布置在惠斯通电桥中的压阻元件等形式，以响应于施加在其上的力来检测沿膜片表面的变化，并提供电信号输出以确定这种力的大小。电连接器和/或触头56和60从电感测元件58延伸并位于底侧表面50附近。第一构件44可以包括一个或多个其他电连接器和/或触头62，其被定位成邻近底侧表面50，例如，用于向硅树脂基板施加电压偏压(voltage bias)的目的，或者用于其他传感器操作目的。在一个示例中，电感测元件被放置在将经受最大应力的致动元件的边缘下方。

传感器管芯第二构件46包括在其中形成的多个开口64，这些开口延伸穿过第二构件的厚度，该厚度如下面更好地描述的那样在外表面66和底侧表面68之间限定。电端子70设置在开口内，并且被配置为具有与相应的第一构件电触头60电连通的接触部分72，并且还包括用于与外部对象电接触的外部焊盘74。因此，本文公开的传感器组件40的特征在于能够沿着第二构件46的底侧表面(即，沿着传感器管芯的与致动元件所延伸的表面相反的表面)与外部设备形成电接触。第二构件46包括在蚀刻工艺等期间形成的凹入部分75，如下文更好地描述。凹入部分75直接位于膜片54的附近，并在传感器管芯内提供掩埋腔室76，以使膜片响应于外力而在其中变形。该腔室可以或可以不向外部环境通气。在一个示例中，该腔室是通气的。从第二构件底侧表面68到腔室的封闭部分78所测量的凹入部分的深度可以大于约5微米，并且可以为约1至50微米。应当理解，凹入部分的大致深度可以根据诸如膜片的厚度以及特定的最终用途的因素而变化。如本文所公开的传感器组件的特征是腔室封闭部分78的直接与膜片54相对的放置位置，以及其机械地或物理地阻止膜片变形超过与其接触的能力。因此，凹入部分的厚度反映了膜片的期望的变形极限。

图2B示出了处于激活状态的如上所述的示例传感器组件80，在该状态中在其上施加了外力。因此，外力物理地施加在致动元件47上，从而使致动元件和一体的膜片54向下运动(在图2B中)并进入腔室中。在该示例中，膜片54被示出为处于全偏弯状态，该全偏弯状态通过与腔室封闭部分78的接触而被限制，用以示出这种膜片偏弯极限特征。然而，应当理解，在传感器组件的正常激活期间，当在期望的操作参数内受到施加的力时，膜片将部分地偏弯进入腔室中。当处于激活状态时，电感测元件58提供输出信号，该输出信号通过电端子70被发送用以确定该力，例如来自与传感器组件经由电端子电连接的外部设备。

图3A至图3B示出了如本文所公开的传感器组件传感器管芯第一构件44的不同视图。图3A示出了传感器管芯第一构件44，其包括致动元件47、膜片54、电感测元件58、电连接器和/或触头56和触头60。通过掺杂剂扩散/注入产生期望感测元件、电连接器和电触头，这是在硅中形成电阻器等的公知方法。在一个示例中，填充或组装过程以底侧表面朝上的方式进行，并且当其完成时，第一构件44被翻转以与第二构件46附接。图3B示出了第一构件44的俯视图，示出了外表面48和致动元件47的放置位置。图3C是第一构件44的仰视图，其示出了底侧表面50以及电感测元件58的与膜片54的周缘相邻并且相对于致动元件47的位置的放置位置。在该示例中，四个电感测元件58布置在膜片周围沿直径相对的位置，并且在示例中在致动元件的边缘下方并形成惠斯通电桥。电连接器和/或触头58和60从相应的一个或多个电感测元件延伸。在这一示例中，传感器管芯第一构件44包括五个电触头60，其中四个电触头连接到电感测元件。提供示例传感器管芯第一构件是为了参考的目的，并且应当理解，第一构件的不同组装部件的尺寸、形状、编号和位置可以与具体描述和图示的不同，并且所有这些变化理解为在本文公开的传感器组件的范围内。

图4A至图4C示出了如本文所公开的传感器组件传感器管芯第二构件46的不同视图。图4A示出了传感器管芯第二构件46，其包括开口64、具有封闭部分78的凹入部分75。在一个示例中，第二构件由硅形成，并且通过沿着底侧表面68通过蚀刻等形成期望的深度、构造和位置而制造出凹入部分。在一个示例中，电端子(未示出)被添加到第二构件，例如，在其已经被附接到第一构件之后沿着开口64定位。在开口64的情况下，第二构件从外表面66穿过其蚀刻，并且开口的放置位置对应于传感器管芯第一构件中的电触头。如上所述，第二构件被蚀刻以在与传感器管芯第一构件膜片直接相对的位置处形成凹入部分75。图4B示出了第二构件46的俯视图，其示出了底侧表面68、开口64的放置位置、以及凹入部分75的放置位置。如图4A所示，开口64被构造成具有从外表面66向内移动的向内渐缩的形状，并且在图4B中示出了开口的最外边缘65。图4C是第二构件46的仰视图，示出了外表面66以及开口64和凹入部分75的放置位置。提供示例传感器管芯第二构件是为了参考的目的，并且应当理解，第一构件的不同部件的尺寸、形状、编号和位置可以与具体描述和图示的不同，并且所有这些变化理解为在本文公开的传感器组件的范围内。

图5示出了在第一构件44和第二构件46已经彼此附接之后的传感器管芯90。两个硅构件之间的附接可以通过常规结合或粘合工艺来进行。在一个示例中，如上所述，在与第一构件44附接之前，未在第二构件46中设置电端子。

图6A示出了处于完成状态的示例传感器组件100，其中电端子70形成在第二构件开口64中，并与相应的第一构件电触头60接触。在示例中，在将第一构件和第二构件接合在一起之后形成电端子，以确保各个电端子和电触头之间的牢固附接。应当理解，在本公开的范围内，电端子可以在与第一构件附接之前形成在第二构件中。图6B示出了传感器组件100的俯视图，示出了第一构件外表面48和致动元件47的放置位置。图6C是传感器组件100的仰视图，示出了第二构件外表面66以及现在填充开口64的电端子70的放置位置。如图6C所示，每个电端子包括与所述外表面成平面的第一外部部分102，从第一部分向内并在其内同心地延伸的第二部分104，其中第二部分成角度地向上进入第二构件中。电端子70还包括第三部分106，该第三部分从第二部分向内并且在其内同心地延伸，其中第三部分与第二构件底侧表面成平面。

本文所公开的传感器组件的特征包括有助于将特征和元件在晶片尺度上组装在一起的构造，从而避免了与控制封装公差有关的问题以及与现有技术的传感器组件相关的关于可能的尺寸减小的限制。而且，本文公开的这种传感器组件包括作为传感器管芯的一部分的致动元件，其减少/消除了现有技术传感器组件中存在的致动元件与传感器表面之间的可重复接触，这可能引起传感器表面疲劳和失效。此外，本文所公开的传感器组件包括插入在传感器管芯内的电子组件，例如，设置在两个传感器管芯构件之间，避免了与具有暴露于外部环境的电子组件的现有技术传感器组件相关的性能问题。此外，本文公开的传感器组件包括掩埋腔室，提供了控制总膜片偏弯的机械限制，从而减少/消除了在暴露于过载力的情况下的膜片撕裂或破裂的可能。更进一步，本文所公开的传感器组件包括电端子，该电端子通过使用沿着传感器组件的一个表面的表面安装焊盘而能够与外部设备或部件电连接，从而避免了引线结合的需要。

本文所公开的包括上面提到的元件和特征(例如使用一体的致动元件和膜片)的传感器组件的另一优点在于，其在测试中已显示提供期望的力检测程度/灵敏度(其至少等同于现有技术的传感器组件)，膜片偏弯不太显著，从而操作中对膜片的危害较小，从而提供了改进的使用寿命。

Claims (10)

1.一种传感器组件(40)，包括：

传感器管芯(42)，其包括：

第一构件(44)，其包括在第一构件的第一表面和第一构件的相反的第二表面之间延伸的膜片(54)，其中，多个电感测元件(58)设置在第一构件内并沿第一表面位于膜片附近；

第二构件(46)，其沿着所述第一表面与第一构件附接，第二构件包括与第一构件第一表面形成腔室(76)的凹入部分(75)；

其中，第一构件包括与之附接并且从第一构件第二表面向外延伸的致动元件(47)。

2.根据权利要求1所述的传感器组件，其中，致动元件(47)直接定位在膜片(54)上。

3.根据权利要求2所述的传感器组件，其中，凹入部分(75)直接定位在膜片(54)的对面。

4.根据权利要求1所述的传感器组件，其中，致动元件(47)和膜片(54)均与第一构件(44)成一体。

5.根据权利要求1所述的传感器组件，还包括一个或多个金属接触件(70)，其与第二构件的与第一构件相背的表面连接，其中，所述一个或多个金属接触件(70)与第一构件中的电感测元件(58)电连接，并且其中，所述金属接触件(70)有助于传感器组件的表面安装电连接。

6.根据权利要求1所述的传感器组件，其中，所述传感器管芯的第一(44)和第二构件(46)均由硅形成并且结合在一起。

7.一种力传感器组件(40)，包括传感器管芯(42)，传感器管芯包括与第二构件(46)结合在一起的第一构件(44)，其中，第一构件包括在第一构件的厚度之间延伸的膜片(54)，其中，第一构件包括布置在其中并与第一构件的第一表面相邻定位的电感测元件(58)，其中，电感测元件(58)位于膜片(54)附近，其中，第一构件包括致动元件(47)，该致动元件从第一构件的与第二表面相背的第二表面延伸，其中，致动元件(47)位于膜片(54)上，并且其中，第二构件(46)包括凹入部分(75)，凹入部分沿第二表面定位并与膜片(54)相对，以形成在第二构件和膜片之间的腔室(76)。

8.根据权利要求7所述的力传感器，其中，第一构件(44)的第一表面包括与电感测元件(58)接通的一个或多个电触头(60)，并且其中，所述一个或多个电触头沿着所述第二表面暴露。

9.一种用于感测力的方法，包括：

将来自外部对象的力施加到作为传感器管芯(42)的第一部件(44)一部分的致动元件(47)上，其中，致动元件位于第一构件的膜片(54)上，使得力从致动元件传递到膜片，以导致膜片偏弯；

通过封装在传感器管芯内的电感测元件(58)检测膜片偏弯量，其中，电感测元件连接到设置在第一构件中的电触头(60)，其中，所述电触头与附接至传感器管芯第二构件(46)的金属连接件(70)连接，并且其中，第二构件与第一构件连接；以及

从电感测元件的输出确定所述力，所述输出是通过金属连接件(70)从所述传感器传递的。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括以下步骤：通过第二构件(46)的凹入部分(75)的存在限制膜片(54)的最大偏弯，该凹入部分定位为与膜片(54)直接相对并且形成腔室(76)，该腔室的尺寸适于在最大偏弯时接触膜片。

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