CN117594374A - 微机电按钮器件及相应防水用户接口元件 - Google Patents

微机电按钮器件及相应防水用户接口元件 Download PDF

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Abstract

一种微机电按钮器件设置有检测结构，检测结构具有：具有前表面和后表面的半导体材料的衬底；被布置在衬底上的掩埋电极；被布置在结构层中的移动电极，移动电极覆盖在衬底上并且以分离距离弹性地悬置在掩埋电极上方以形成检测电容器；以及帽，帽耦合在结构层之上并且具有面对结构层的第一主表面和第二主表面，帽被设计为机械耦合到便携式或可佩戴型电子装置的外壳的可变形部分。帽在其第一主表面上具有致动部分，致动部分被布置在移动电极上并且被配置为在施加在第二主表面上的压力存在的情况下引起移动电极向掩埋电极的偏转和接近，从而引起检测电容器的电容变化，电容变化指示微机电按钮器件的致动。

Description

微机电按钮器件及相应防水用户接口元件
技术领域
本解决方案涉及一种微机电按钮器件(采用微机电系统技术制造)和对应的防水(抵抗水或一般液体)用户接口元件，特别是用于便携式或可佩戴电子装置。
背景技术
例如在便携式电子装置(诸如智能手机或平板电脑)或可佩戴电子装置(诸如智能手表或电子手环)领域中已知的需求是提供包括物理按钮(即，未经由触摸屏技术提供)的用户接口元件，并且满足不可渗透性的要求，以便即使在存在湿气、水或其他种类的液体的情况下也能够使用同一便携式或可佩戴电子装置。
通常，这种用户接口元件的提供特别复杂，具有专用的组装系统，例如包括密封垫圈、所谓的O形环，或被设计为在与上述便携式或可佩戴电子装置的外壳或壳体的耦合中保证水密性，并且因此防止水或其他液体渗入到同一壳体中的类似元件。
例如，US2015/0092345 A1公开了一种用于便携式电子装置、特别是智能手机中的密封物理按钮。该按钮包括帽，该帽具有电子装置的壳体外部的部分，并且具有凸缘部分，该凸缘部分在壳体内部、与按钮元件的保持器元件的互补凸缘互锁。该帽还包括向下定向的中心柱，该中心柱成比例并且定向为与按钮元件的顶表面接口连接。按钮的保持器元件具有孔径，该孔径的尺寸和定位用于接收帽的中心柱，并且搁置在壳体内的搁架上，以便形成密封耦合。
这类解决方案除了实现起来很复杂之外，通常还会随着时间的推移以及由于材料的相关老化而出现磨损和损坏的问题。
其他提出的解决方案(例如，参见US2013/1887742 A1)设想使用被布置在便携式或可佩戴电子装置的壳体内、与同一壳体的一部分相距一距离的电感元件(例如，线圈形式)，用户在上述部分上的压力导致电感元件的电感值的可检测变化。
甚至上述解决方案也不能免于缺陷，例如由于相关联的能量消耗和实现的一般困难，特别是由于可用于在上述便携式或可佩戴电子装置中提供物理按钮(和相关联的电感元件)的尺寸减小。
发明内容
本公开的各种实施例提供了一种解决方案，该解决方案将能够克服先前强调的问题。
根据本公开，提供了一种用于便携式或可佩戴型电子装置的微机电按钮器件和对应用户接口元件。
在一个实施例中，一种微机电按钮器件包括检测结构，该检测结构具有具有前表面和后表面的半导体材料的衬底；被布置在衬底上的掩埋电极；被布置在结构层中的移动电极，移动电极覆盖在衬底上并且以分离距离弹性地悬置在掩埋电极上方以形成检测电容器；以及帽，帽耦合在结构层之上并且具有面对结构层的第一主表面和第二主表面，帽被设计为机械耦合到便携式或可佩戴型电子装置的外壳的可变形部分。帽在其第一主表面上具有致动部分，致动部分被布置在移动电极上并且被配置为在施加在第二主表面上的压力存在的情况下引起移动电极向掩埋电极的偏转和接近，从而引起检测电容器的电容变化，电容变化指示微机电按钮器件的致动。
附图说明
为了更好地理解本公开，现在参考附图，纯粹通过非限制性示例的方式描述本公开的优选实施例，在附图中：
图1是便携式或可佩戴电子装置的横截面示意图，该电子装置具有容纳微机电按钮器件的外壳；
图2是与微机电按钮器件耦合的电子装置的外壳的可变形部分的变形的示意图；
图3是耦合到便携式电子装置的外壳的内表面的微机电按钮器件的示意性截面图；
图4A是根据本解决方案的一个实施例的微机电按钮器件的检测结构的更详细的示意性截面图；
图4B是图4A的检测结构的一部分的示意性俯视图；
图5A-图5G是图4A的微机电结构在对应制造过程的连续步骤中的截面图；
图6A是根据另一实施例的微机电按钮器件的检测结构的示意性截面图；
图6B是图6A的检测结构的示意性俯视图；
图7A-图7F是图6A的微机电结构在对应制造过程的连续步骤中的截面图；以及
图8是微机电按钮器件的检测结构的一个变型实施例的示意性截面图。
具体实施方式
在以下描述中，为了提供对器件、方法和物品的各种实施例的全面理解，阐述了某些细节。然而，本领域技术人员将理解，可以在没有这些细节的情况下实践其他实施例。在其他情况下，与例如图像传感器、半导体制造过程等相关联的众所周知的结构和方法在一些图中没有被详细示出或描述，以避免不必要地模糊对实施例的描述。
除非上下文另有要求，否则在整个说明书和随后的权利要求中，“包括(comprise)”一词及其变型(诸如“包括(comprising)”和“包括(comprises)”)应当以开放、包容的含义解释为“包括但不限于”
在整个说明书中，对“一个实施例”或“实施例”的引用是指结合该实施例而描述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”的出现不一定是指同一实施例或所有实施例。此外，特定特征、结构或特性可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合，以获取另外的实施例。
提供这些标题是为了方便，并不解释本公开或权利要求的范围或含义。
图中元素的尺寸和相对位置不一定按比例绘制。例如，各种元素和角度的形状可以不按比例绘制，并且这些元素中的一些可以被放大和定位以提高绘图的易读性。此外，所绘制的元素的特定形状不一定旨在传达关于特定元素的实际形状的任何信息，并且仅仅是为了便于在附图中识别而选择的。几何参考并不旨在指代理想实施例。例如，提到正方形并不表示一个元素具有几何上完美的正方形。
图1是便携式型电子装置1(例如，智能手机)或可佩戴型电子装置1(例如，智能手表)的一部分的示意性截面图。
电子装置1设置有外壳2，外壳2具有可变形部分3，该可变形部分被设计为形成用户接口元件4的一部分，特别是限定物理按钮。
例如，上述可变形部分3通过对上述外壳2进行减薄(如图1所示)或其他适当的机械加工操作以限定膜部分来提供。
根据本解决方案的一个方面，用户接口元件4在被布置在外壳2内的腔室7中，包括微机电(MEMS)按钮器件5，该MEMS按钮器件具有耦合到上述可变形部分3的封装件6。
特别地，封装件6具有第一主表面(例如，顶表面)6a，该第一主表面在水平面xy中延伸，并且耦合到可变形部分3的面对外壳2内部的腔室7的内表面3a，例如通过胶水或DAF(管芯附接膜)的粘合层8固定到同一可变形部分3。
封装件6还具有第二主表面(在该示例中为底表面)6b，该第二主面沿垂直于水平面xy的竖直轴线z与第一主表面6a相对。该第二主表面6b在上述腔室7内耦合到柔性支撑件9(例如，柔性类型的印刷电路板PCB)。
集成了适当的电连接路径9′(示意性地表示)的上述柔性支撑件9又通过适当的连接元件10(例如，包括电线和/或适当的电连接器)电连接到印刷电路板11，该印刷电路板被容纳在腔室7内并且固定到外壳2，上述电子装置1的另外的电路元件或组件可以连接到印刷电路板11(以本身明显的方式，这里不详细描述)。方便地，该印刷电路板11也可以由柔性材料制成。
如图2示意性地表示的，在操作过程中，由用户施加在外壳2的上述可变形部分3上的压力(或外力Fext)会导致其变形(特别是朝向腔室7弯曲或偏转)，这又会导致固定地耦合到同一可变形部分3的微机电按钮器件5的封装件6变形。
如将在下文中详细描述的，微机电按钮器件5的封装件6所经历的变形导致由同一微机电按钮器件5提供的电输出信号的变化，该变化尤其指示微机电按钮器件5的打开或关闭(或者同样，被按压或未被按压)的状态，或者换言之，指示同一微机电按钮器件5的致动。
特别地，根据实施例(将详细描述)，上述变形导致微机电按钮器件5的检测结构中的电容变化。
有利地，上述用户接口元件4本质上是密封的，微机电按钮器件5实际上被布置在形成在电子装置1的外壳2中的腔室7内，而没有通向电子装置1的外部环境的任何通道。
更详细地，参考图3，在一个可能的实施例中，微机电按钮器件5的封装件6是所谓的晶片级封装类型。
封装件6包括基底或支撑层12，其具有前表面12a；在半导体材料的相应管芯中提供的检测结构(这里由14表示)和相关联的ASIC(专用集成电路)类型的电子电路15彼此并排地耦合到该支撑层12，特别是借助于相应耦合层13。
支撑层12还具有后表面12b，后表面12b与前表面12a垂直相对，后表面12b限定了封装件6的第二主表面6b，封装件6将通过适当的电连接元件16被耦合到柔性支撑件9，诸如焊盘，如上述图3所示的示例，或者导电凸块。
电线17将检测结构14和相关联的电子电路15电连接在一起(特别地，将由与耦合到支撑层12的表面相对的对应表面承载的、此处未示出的对应接触焊盘连接在一起)，并且将同一电子电路15电连接到贯穿支撑层12并且到达电连接元件16的贯穿连接元件(未示出)。
例如环氧树脂的涂层18覆盖并且横向涂覆检测结构14和相关的电子电路15，进一步限定封装件6的横向外表面6c的一部分和第一主表面6a的一部分(第一主表面6a本身的一部分由检测结构14的管芯的、与耦合到支撑层12的表面相对的表面限定)。
更详细地，现在参考图4A和图4B，微机电按钮器件5的上述检测结构14设置在半导体材料(特别是硅)的相应管芯20中，该管芯包括衬底22。
衬底22具有前表面22a和后表面22b，后表面22b被设计为被耦合到微机电按钮器件5的封装件6的上述支撑层12(此处未示出，如图3所示)。
在前表面22a上，检测结构14包括均匀地放置在同一前表面22a上的热氧化物层23、以及均匀地放置在上述热氧化物层23上的例如由氧化铝或氮氧化铝制成的介电层24；出于下文中阐明的原因，介电层24相对于上述热氧化物层23具有化学蚀刻选择性特性。
在上述介电层24上，检测结构14还包括导电层25，该导电层例如由多晶硅制成，导电层25被适当地图案化以限定通过开口彼此分离的导电焊盘或路径，整体上用26表示，并且特别地，限定掩埋电极28，另一方面，如将在下文中阐明的，掩埋电极28被设计为形成具有平面和平行板的检测电容器Cd的第一极板(仅在图4A中示意性地表示)，被设计为提供封装件6的变形(以及微机电按钮器件5的被按压或未被按压的操作状态)的指示。
在该实施例中，掩埋电极28是固定的，刚性地耦合到衬底22(经由上述热氧化物层23和介电层24的下面部分)。
检测结构14还包括形成在上述导电层25上的结构层30、特别是外延硅层。
上述结构层30被限定并且被适当地图案化以形成悬置在掩埋电极28之上一距离的移动电极32，移动电极32被设计为形成上述检测电容器Cd的第二极板(如将在下文中讨论的，上述移动电极32的限定设想通过蚀刻和去除形成在导电层25上的牺牲氧化物层29的一部分来释放结构层30的一部分)。
特别地，在图4A和图4B所示的实施例中，上述移动电极32在水平面xy上具有大致矩形的形状，沿第一水平轴x具有较大的延伸部，沿第二水平轴y(其与第一水平轴x一起限定上述水平面xy)具有较小的延伸部；移动电极32还具有在面对掩埋电极28的竖直方向(沿竖直轴线z)上以较短距离在中心突出以限定上述电容耦合的有源部分32′。掩埋电极28本身在水平面xy中具有矩形形状，其延伸部等于或大于移动电极32的对应延伸部。
结构层30被进一步限定为形成：外部框架34，在所示的实施例中，外部框架34具有矩形环形形状，该矩形环形形状在内部限定窗口35，移动电极32位于该窗口35中；以及弹性悬置元件36，该弹性悬置元件在该示例中具有折叠或蛇形构造。
详细地，上述弹性悬置元件36具有在该移动电极32的第一短侧上的耦合到同一移动电极32上的第一端、以及固定地耦合到衬底22的第二端。
在所示的示例中，上述第二端连接到锚固元件37，锚固元件37从上述结构层30开始形成，并且在下面耦合到形成在衬底22上的上述导电焊盘或路径26中的一个。
然而，以未示出的方式指出，弹性悬置元件36的第二端可以替代地被耦合到外部框架34的面对侧。
移动电极32在任何情况下都以悬臂方式悬置在掩埋电极28之上，并且上述弹性悬置元件36使得其能够在竖直轴线z的方向上朝向下面的掩埋电极28偏转。
检测结构14还包括在结构层30上、在外部框架34的外部的第一接触焊盘38a和第二接触焊盘38b，第一接触焊盘38a和第二接触焊盘38b由金属材料制成。
上述第一接触焊盘38a和第二接触焊盘38b通过结构层30的相应部分电耦合到形成在上述导电层25中的相应导电焊盘或路径26，结构层30的上述部分彼此分离，并且通过穿过同一结构层30设置的相应开口42与外部框架34进一步分离。
特别地，第一接触焊盘38a和第二接触焊盘38b分别通过第一导电路径和第二导电路径电耦合到掩埋电极28和移动电极32。第一导电路径包括结构层30的相应部分、相应导电焊盘或路径26、锚固元件37和弹性悬置元件36；第二导电路径包括结构层30的相应部分和到达上述掩埋电极28的相应导电焊盘或路径26。
检测结构14还包括被布置在上述结构层30上方的、可变形材料、特别是可变形硅制成的帽46，帽46通过键合区域47(例如，以适当键合材料的凸块的形式)耦合到结构层30。
上述帽46具有面对结构层30的第一主表面46a和第二主表面46b，第二主表面46b与第一主表面46a垂直相对，并且限定封装件6的上述第一主表面6a的一部分(也可参见图3)。
特别地，上述帽46具有致动突起48，该致动突起从第一主表面46a朝向结构层30竖直延伸，在水平面xy中具有例如正方形或矩形形状，并且具有由热氧化物涂覆的一端49，该一端49被布置成与移动电极32接触或严格靠近移动电极32，在该示例中处于与第二短侧相对应的位置，该第二短侧与耦合到弹性悬置元件36的第一短侧相对。
帽46在上述致动部分48的沿第一水平轴线x的相对侧还具有第一凹部50a和第二凹部50b，第一凹部50a和第二凹部50b在竖直方向(沿竖直轴线z)上从第一主表面46a朝向同一帽46的内部延伸，例如大约为帽46的厚度的一半。在所示的示例中，这些第一凹部50a和第二凹部50b分别垂直地被布置在移动电极32的第一短侧和第二短侧。
如上图4A所示，施加在致动部分48上的帽46的压力(对应于在用户接口元件4处施加在电子装置1的外壳2上的外力Fext)导致移动电极32的偏转及其接近掩埋电极28，从而导致检测电容器Cd的电容变化。
上述电容变化可以例如通过微机电按钮器件5的封装件6内的电子电路15来获取和处理。
首先参考图5A，现在描述上述检测结构14的制造过程；该过程设想首先通过衬底22的前表面22a的氧化来形成热氧化物层23，然后在热氧化物层上形成介电层24(热氧化物层23和介电层24一起形成永久电介质的组合层)。
然后，如图5A所示，在上述介电层24上形成导电层25，导电层25例如由多晶硅制成；然后通过适当的光刻掩模限定并且图案化同一导电层25以形成导电焊盘或路径26和掩埋电极28。
接下来(图5B)，在导电层25上形成牺牲氧化物层29，然后通过相应光刻掩模限定和图案化，以形成开口51，开口51使得能够访问先前限定的相应导电焊盘或路径26。
接下来(图5C)，执行外延生长以在上述牺牲氧化物层29上形成结构层30，然后对相应顶表面执行适当的CMP(化学机械抛光)步骤。
如同一图5C所示，然后通过在结构层30上沉积和蚀刻金属材料层来形成第一接触焊盘38a和第二接触焊盘38b。
然后，对上述结构层30执行蚀刻步骤(图5D)，以在结构层30的整个厚度上形成沟槽52(在图5D中，这些沟槽中的一些以示例的方式表示)，这使得能够接近下面的牺牲氧化物层29。这些沟槽52进一步限定形成在结构层30中的元件的形状，这些元件特别包括移动电极32、外部框架34、弹性悬置元件36和锚固元件37。
如图5E所示，然后通过沟槽52对上述牺牲氧化物层29执行化学蚀刻，例如使用氢氟酸(HF)。这种蚀刻在介电层24上停止，并且导致移动电极32和相关联的弹性悬置元件36的释放，从而保持悬置在下面的衬底22上方，与下面的导电层25相距一距离。
然后，该过程继续进行(图5F)，通过键合区域47在结构层30上键合帽46(帽46本身先前已经被机械加工以形成致动部分48以及第一凹部50a和第二凹部50b)。
如图5G所示，然后通过蚀刻步骤对上述帽46进行适当图案化，以使结构层30上的下面的第一接触焊盘38a和第二接触焊盘38b可接近，并且进一步使开口42能够穿过同一结构层30而形成。
现在参考图6A和图6B对检测结构14的另一实施例进行描述；该实施例设想掩埋电极28也与移动电极32一样，与管芯20的衬底22弹性地去耦。
详细地，在该实施例中，再次从导电层25开始形成的掩埋电极28悬置在衬底22的顶表面22a上方一距离处，掩埋腔54存在于顶表面22a与同一掩埋电极28之间。应当注意，多个开口55在竖直方向上穿过掩埋电极28而形成。另一方面，这些开口55有助于去除牺牲材料，以便在同一掩埋电极28下方形成上述掩埋腔54。
掩埋电极28通过从结构层30开始形成的覆盖内框架56被支撑在其悬置在掩埋腔54上方的位置(移动电极32和外框架34也是如此)。特别地，掩埋电极28与上述内框架56之间的耦合设置在同一掩埋电极28的外围或边缘处。
在图6B所示的实施例中，掩埋电极28在水平面xy中具有基本矩形的形状，其延伸部大于移动电极32在同一水平面xy上的对应延伸部；换言之，内部框架56在外部围绕移动电极32。
上述内框架56通过相应弹性悬置元件58与衬底22弹性地去耦，在所示的示例中，弹性悬置元件具有折叠形状和沿水平面xy的第一水平轴线x的延伸部，在上述弹性悬置元件36相对于第二水平轴线y的相对侧。
详细地，上述弹性悬置元件58具有耦合到内框架56的相应第一端以及固定地耦合到衬底22的相应第二端。
在所示的示例中，上述第二端连接到相应锚固元件59，锚固元件59从上述结构层30开始形成，并且在下面连接到形成在衬底22上的上述导电路径26中的一个。在同一示例中，上述锚固元件59还通过连接元件59′耦合在一起，该连接元件也形成在结构层30中并且具有沿第二水平轴线y的延伸部。
然而，以未示出的方式指出，可以替代地仅提供耦合到内框架56的一个弹性悬置元件58。此外，上述弹性悬置元件58的第二端可以被耦合到外部框架34的面对侧，例如被布置在相对于外部框架34的耦合到弹性悬置元件36的锚固元件37的一侧的相对侧。
有利地，在该实施例中，掩埋电极28与衬底22的弹性去耦允许检测结构14的性能不受同一衬底22的可能变形的影响，例如由于热应力或老化现象。
首先参考图7A，现在结合刚才描述的另一实施例来描述制造上述检测结构14的过程。
在这种情况下，上述过程还设想通过衬底22的前表面22a的氧化来形成热氧化物层23。在这种情况下，相反，介电层24不形成在热氧化物层23上，而是直接形成导电层25(例如由多晶硅制成)，其通过适当的光刻掩模限定和图案化以形成导电焊盘或路径26和掩埋电极28。应当注意，这一光刻蚀刻步骤还导致穿过掩埋电极28的开口55的限定。
接下来(图7B)，在导电层2上形成牺牲氧化物层29，然后通过相应光刻掩模对其进行限定和图案化。特别地，在这种情况下，牺牲氧化物层29进入并且填充上述开口55。
接下来(图7C)，执行外延生长以在上述牺牲氧化物层29上形成结构层30。
如图7D所示，然后在结构层30上形成第一接触焊盘38a和第二接触焊盘38b。然后执行蚀刻上述结构层30的步骤，以在同一结构层30整个厚度上形成沟槽52，从而使得能够接近下面的牺牲氧化物层29。
上述沟槽52进一步限定了形成在结构层30中的元件，特别是移动电极32、外部框架34、内部框架56、弹性悬置元件36和58以及锚固元件37、59(图7D的截面图示出了弹性悬置元件58和对应锚固元件59)。
再次如图7D所示，然后通过沟槽52对上述牺牲氧化物层29执行化学蚀刻，例如使用氢氟酸(HF)。蚀刻在这种情况下停止在衬底22的前表面22a上，并且导致移动电极32的释放，并且在这种情况中还导致掩埋电极28的释放(以及外部34和内部框架56以及弹性悬置元件36、58的释放)。
然后，该过程继续进行，如前所述(图7E)，通过键合区域47将帽46耦合到结构层30，并且进一步(图7F)对帽46本身进行机加工，以使下面的第一接触焊盘38a和第二接触焊盘38b可接近，并且进一步使得能够穿过结构层30形成开口42。
本解决方案的优点从前面的描述中是清楚的。
在任何情况下，再次指出，所描述的解决方案能够为电子装置、特别是便携式或可佩戴型电子装置提供用户接口元件，该用户接口元件本质上是防水的，并且与传统解决方案相比具有若干优点，其中包括：低能耗、低成本和制造的低复杂性、高产量、高精度、以及检测速度。
最后，很明显，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对本文中描述和说明的内容进行修改和变化。
例如，要指出的是，第一凹部50a和第二凹部50b可以不设置在帽46中的致动部分48的侧面处。
此外，如图8所示，一个可能的替代实施例可以设想在衬底22的背面、在对应后表面22b上，形成第一接触焊盘38a和第二接触焊盘38b。
在这种情况下，形成在导电层25中的相应焊盘26延伸穿过下面的介电层24和热氧化物层23，以到达衬底22的相应部分，这些部分在其整个厚度上竖直延伸，被开口42分隔开，在这种情况中，开口42被获取为穿过同一衬底22的沟槽。
在一个可能的实施例中，微机电按钮器件5的封装件6还可以仅包括检测结构14而不包括相关联的电子电路15。在这种情况下，掩埋电极28和移动电极32的驱动以及检测电容器Cd的电容变化的处理的功能可以由例如耦合到PCB 10的微机电按钮器件5外部的电子电路系统来执行。
此外，强调的是，可以在谐振条件下实现对形成在检测结构14的移动电极32与掩埋电极28之间的检测电容器Cd的电容变化的检测。
一种微机电按钮器件(5)可以概括为包括检测结构(14)，所述检测结构(14)具有：具有前表面(22a)和后表面(22b)的半导体材料的衬底(22)，所述前表面和所述后表面在水平面(xy)中具有延伸部并且沿垂直于所述水平面(xy)的竖直轴线(z)彼此相对；被布置在所述衬底(22)上的掩埋电极(28)；被布置在结构层(30)中的移动电极(32)，覆盖在所述衬底(22)上并且以分离距离弹性地悬置在所述掩埋电极(28)上方以形成检测电容器(Cd)；以及帽(46)，耦合在所述结构层(30)之上并且具有面对所述结构层(30)的第一主表面(46a)和沿所述竖直轴线(z)与所述第一主表面(46a)相对的第二主表面(46b)，所述帽被设计为机械耦合到便携式或可佩戴型电子装置(1)的外壳(2)的可变形部分(3)，其中所述帽(46)在所述第一主表面(46a)上具有致动部分(48)，所述致动部分被布置在所述移动电极(32)上并且被配置为在施加在所述第二主表面(46b)上的压力存在的情况下引起所述移动电极(32)向所述掩埋电极(28)的偏转和接近，从而引起所述检测电容器(Cd)的电容变化，所述电容变化指示所述微机电按钮器件(5)的致动。
所述压力可以是由于从所述外壳(2)外部施加在所述可变形部分(3)上以致动所述微机电按钮器件(5)的外力(Fext)而导致所述电子装置(1)的所述外壳(2)的所述可变形部分(3)的变形的结果。
所述帽(46)可以在上述致动部分(48)的相对侧具有第一凹部(50a)和第二凹部(50b)，所述第一凹部和所述第二凹部在所述竖直轴线(z)的方向上在所述帽(46)中延伸。
所述致动部分(48)可以是突起，所述突起从所述帽(46)的所述第一主表面(46a)开始沿所述竖直轴线(z)朝向所述结构层(30)延伸，并且具有被布置成与所述移动电极(32)接触或严格靠近所述移动电极的一端(49)。
所述检测结构(14)还可以包括弹性悬置元件(36)，所述弹性悬置元件被布置在所述结构层(30)中并且具有耦合到所述移动电极(32)的第一端以及固定地耦合到所述衬底(22)的第二端，所述弹性悬置元件(36)被配置为支撑以悬臂方式悬置在所述掩埋电极(28)上方的所述移动电极(32)并且使得所述移动电极能够朝向所述下面的掩埋电极(28)进行电极偏转。
所述第二端可以连接到锚固元件(34，37)，所述锚固元件被布置在所述结构层(30)中并且通过所述导电元件(26)固定地耦合到所述衬底(22)，所述导电元件(26)被配置用于到所述移动电极(32)的电连接。
所述检测结构(14)还可以包括外部框架(34)，所述外部框架形成在所述结构层(30)中并且在内部限定窗口(35)，所述移动电极(32)被布置在所述窗口中，所述帽(46)通过键合区域(47)耦合到所述外部框架(34)。
所述锚固元件可以由所述外部框架(34)的一部分限定。
所述掩埋电极(28)可以悬置在所述衬底(22)的所述顶表面(22a)上方一距离处，掩埋腔(54)被布置在所述顶表面(22a)与所述掩埋电极(28a)之间。
所述掩埋电极(28)可以由被布置在所述结构层(30)中的覆盖内框架(56)支撑在其悬置在所述覆盖掩埋腔(54)上方的位置；其中所述内框架(56)通过至少一个相应弹性悬置元件(58)与所述衬底(22)弹性地去耦，所述至少一个相应弹性悬置元件具有耦合到所述内框架(56)的相应第一端以及固定地耦合到所述衬底(22)的第二端。
所述相应弹性悬置元件(58)的所述第二端可以连接到相应锚固元件(59)，所述锚固元件被布置在所述结构层(30)中并且通过相应导电元件(26)固定地耦合到所述衬底(22)，所述导电元件被配置用于到所述掩埋电极(28)的电连接。
所述器件还可以包括具有支撑层(12)的封装件(6)，所述支撑层具有与所述检测结构(14)耦合的相应前表面(12a)和与所述相应前表面(12a)相对的相应后表面(12b)，所述相应后表面限定所述封装件(6)的主外表面(6a)，所述封装件被设计为被耦合到集成电连接路径(9')的柔性支撑件(9)并且被容纳在所述电子装置的所述外壳(2)内；所述封装件(6)还可以包括涂层(18)，所述涂层覆盖并且横向涂覆所述检测结构(14)以限定所述封装件(6)的外侧表面(6c)的一部分和另一主外表面(6a)的一部分，所述另一主外表面(6a)的一部分由所述检测结构(14)的所述帽(46)的所述第二主表面(46b)限定。
所述器件还可以包括电子电路(15)，所述电子电路(15)与所述检测结构(14)相关联，并且被提供在相应半导体材料管芯中，所述电子电路(15)被布置为与所述检测结构(14)并排地耦合到所述支撑层(12)。
一种用于便携式或可佩戴电子装置(1)的用户接口元件(4)可以概括为包括：根据上述实施例中的任何一个的微机电按钮器件(5)；以及所述电子装置(1)的所述外壳(2)的所述可变形部分(3)。
一种便携式或可佩戴电子装置(1)可以概括为包括如上所述的用户接口元件(4)，其限定物理按钮。
所述电子装置可以包括：在所述外壳(2)内部的腔室(7)，所述微机电按钮器件(5)被布置在所述腔室(7)中；柔性支撑件(9)，集成被容纳在所述腔室(7)内的电连接路径(9′)，并且所述微机电按钮器件(5)与所述柔性支撑件电和机械耦合；以及被容纳在所述腔室(7)内并且固定到所述外壳(2)的印刷电路板(11)；其中所述柔性支撑件(9)通过连接元件(10)耦合到所述印刷电路板(11)。
一种用于制造微机电按钮器件(5)的方法可以概括为包括：提供具有前表面(22a)和后表面(22b)的半导体材料的衬底(22)，所述前表面和所述后表面在水平面(xy)中具有延伸部并且沿垂直于所述水平面(xy)的竖直轴线(z)彼此相对；经由所述衬底(22)上导电层(25)的限定来形成掩埋电极(28)；经由覆盖所述衬底(22)的结构层(30)的限定，形成移动电极(32)，所述移动电极以分离距离弹性地悬置在所述掩埋电极(28)上方以形成检测电容器(Cd)；以及将帽(46)耦合到所述结构层(30)，所述帽具有面对所述结构层(30)的第一主表面(46a)和沿所述竖直轴线(z)与所述第一主表面(46a)相对的第二主表面(46b)，所述帽被设计为机械耦合到便携式或可佩戴型电子装置(1)的外壳(2)的可变形部分(3)；以及在所述第一主表面(46a)处形成所述帽(46)的致动部分(48)，所述致动部分(48)被布置在所述移动电极(32)之上并且被配置为在施加在所述第二主表面(46b)上的压力存在的情况下引起所述移动电极(32)向所述掩埋电极(28)的偏转和接近，从而产生所述检测电容器(Cd)的电容变化，所述电容变化指示所述微机电按钮器件(5)的致动。
所述方法还可以包括经由所述结构层(30)的限定形成弹性悬置元件(36)，所述弹性悬置元件具有耦合到所述移动电极(32)的第一端以及固定地耦合到所述衬底(22)的第二端，所述弹性悬置元件(36)被配置为支撑以悬臂方式悬置在所述掩埋电极(28)上方的所述移动电极(32)并且使得所述移动电极能够朝向所述下面的掩埋电极(28)进行电极偏转。
形成所述掩埋电极(28)可以包括形成悬置在所述衬底(22)的所述顶表面(22a)上方一距离处的所述掩埋电极(28)，掩埋腔(54)被布置在所述顶表面(22a)与所述掩埋电极(28)之间；以及经由所述结构层(30)的限定形成内框架(56)，所述内框架将所述下面的掩埋电极(28)支撑在其悬置在所述掩埋腔(54)上方的位置；以及形成相应弹性悬置元件(58)，所述弹性悬置元件具有耦合到所述内框架(56)的相应第一端以及固定地耦合到所述衬底(22)的第二端。
所述方法还可以包括形成第一凹部(50a)和第二凹部(50b)，所述第一凹部和所述第二凹部在所述帽(46)内在所述竖直轴线(z)的方向上在所述致动部分(48)的相对侧延伸。
上述各种实施例可以被组合以提供另外的实施例。根据以上详细描述，可以对实施例进行这些和其他改变。一般来说，在以下权利要求中，所使用的术语不应当被解释为将权利要求限制于说明书和权利要求中公开的特定实施例，而应当被理解为包括所有可能的实施例以及这些权利要求所享有的等同物的全部范围。因此，权利要求不受本公开的限制。

Claims (22)

1.一种微机电按钮器件，包括：
半导体材料的衬底，具有前表面和后表面，所述前表面和所述后表面在水平面中具有延伸部，并且沿垂直于所述水平面的竖直轴线彼此相对；
掩埋电极，在所述衬底上；
结构层，包括移动电极，所述移动电极覆盖所述衬底，并且以分离距离弹性地悬置在所述掩埋电极上方以形成检测电容器；以及
帽，耦合到所述结构层，并且具有面对所述结构层的第一主表面以及沿所述竖直轴线与所述第一主表面相对的第二主表面，所述帽被设计为机械耦合到电子装置的外壳的可变形部分，
其中所述帽在所述第一主表面上具有致动部分，所述致动部分在所述移动电极上，并且被配置为在施加在所述第二主表面上的压力存在的情况下，引起所述移动电极朝向所述掩埋电极的偏转，所述偏转被配置为引起所述检测电容器的电容变化，所述电容变化指示所述微机电按钮器件的致动。
2.根据权利要求1所述的微机电按钮器件，其中所述压力是所述电子装置的所述外壳的所述可变形部分的变形的结果，所述结果是由于从所述外壳外部施加在所述可变形部分上的外力而导致的，所述外力用于致动所述微机电按钮器件。
3.根据权利要求1所述的微机电按钮器件，其中所述帽在所述致动部分的相对侧具有第一凹部和第二凹部，所述第一凹部和所述第二凹部在所述竖直轴线的方向上延伸到所述帽中。
4.根据权利要求1所述的微机电按钮器件，其中
所述致动部分是突起，所述突起从所述帽的所述第一主表面开始沿所述竖直轴线朝向所述结构层延伸，并且
所述致动部分具有被布置成与所述移动电极接触或靠近所述移动电极的一端。
5.根据权利要求1所述的微机电按钮器件，其中所述结构层包括弹性悬置元件，所述弹性悬置元件具有耦合到所述移动电极的第一端以及固定地耦合到所述衬底的第二端，所述弹性悬置元件被配置为支撑所述移动电极，并且使得所述移动电极能够朝向所述掩埋电极进行电极偏转，所述移动电极以悬臂方式悬置在所述掩埋电极上方。
6.根据权利要求5所述的微机电按钮器件，还包括：
导电元件，在所述衬底上，
其中所述结构层包括锚固元件，所述锚固元件通过所述导电元件固定地耦合到所述衬底，所述导电元件被配置用于电连接到所述移动电极。
7.根据权利要求6所述的微机电按钮器件，其中所述结构层包括外部框架，所述外部框架在内部限定窗口，所述移动电极被布置在所述窗口中，所述帽通过键合区域耦合到所述外部框架。
8.根据权利要求7所述的微机电按钮器件，其中所述锚固元件由所述外部框架的一部分限定。
9.根据权利要求1所述的微机电按钮器件，还包括：
掩埋腔，被布置在所述前表面与所述掩埋电极之间，所述掩埋电极悬置在所述衬底的所述前表面上方一距离处。
10.根据权利要求9所述的微机电按钮器件，还包括：
内框架，被布置在所述结构层中，所述掩埋电极被所述内框架支撑在所述内框架悬置在所述掩埋腔上方的位置，
其中所述内框架通过至少一个相应弹性悬置元件与所述衬底弹性地去耦，所述至少一个相应弹性悬置元件具有耦合到所述内框架的相应第一端以及固定地耦合到所述衬底的第二端。
11.根据权利要求10所述的微机电按钮器件，还包括：
相应导电元件，
其中所述结构层包括相应锚固元件，以及
所述相应弹性悬置元件的所述第二端连接到所述相应锚固元件，并且通过所述相应导电元件固定地耦合到所述衬底，所述相应导电元件被配置用于电连接到所述掩埋电极。
12.根据权利要求1所述的微机电按钮器件，还包括：
检测结构，包括所述衬底、所述掩埋电极、所述结构层和所述帽；以及
封装件，具有支撑层，所述支撑层具有与所述检测结构耦合的相应前表面以及与所述相应前表面相对的相应后表面，
其中所述相应后表面限定所述封装件的主外表面，所述封装件被配置为：被耦合到集成电连接路径的柔性支撑件，并且被容纳在所述电子装置的所述外壳内，并且
所述封装件包括涂层，所述涂层覆盖并且横向涂覆所述检测结构，以限定所述封装件的外侧表面的一部分和另一主外表面的一部分，所述另一主外表面的一部分由所述检测结构的所述帽的所述第二主表面限定。
13.根据权利要求12所述的微机电按钮器件，还包括：
电子电路，与所述检测结构相关联，并且在相应半导体材料管芯中，所述电子电路与所述检测结构并排地耦合到所述支撑层。
14.一种用户接口元件，包括：
外壳，具有可变形部分；以及
微机电按钮器件，包括：
半导体材料的衬底，具有前表面和后表面，所述前表面和所述后表面在水平面中具有延伸部，并且沿垂直于所述水平面的竖直轴线彼此相对；
掩埋电极，在所述衬底上；
结构层，包括移动电极，所述移动电极覆盖所述衬底，并且以分离距离弹性地悬置在所述掩埋电极上方以形成检测电容器；以及
帽，耦合到所述结构层，并且具有面对所述结构层的第一主表面以及沿所述竖直轴线与所述第一主表面相对的第二主表面，
所述帽被设计为机械耦合到所述外壳的所述可变形部分，
其中所述帽在所述第一主表面上具有致动部分，所述致动部分在所述移动电极上，并且被配置为在施加在所述第二主表面上的压力存在的情况下，引起所述移动电极朝向所述掩埋电极的偏转，所述偏转被配置为引起所述检测电容器的电容变化，所述电容变化指示所述微机电按钮器件的致动。
15.根据权利要求14所述的用户接口元件，其中所述用户接口元件限定物理按钮。
16.一种电子装置，包括：
外壳，具有可变形部分；以及
用户接口元件，限定物理按钮，所述用户接口元件具有微机电按钮器件，所述微机电按钮器件包括：
半导体材料的衬底，具有前表面和后表面，所述前表面和所述后表面在水平面中具有延伸部，并且沿垂直于所述水平面的竖直轴线彼此相对；
掩埋电极，在所述衬底上；
结构层，包括移动电极，所述移动电极覆盖所述衬底，并且以分离距离弹性地悬置在所述掩埋电极上方以形成检测电容器；以及
帽，耦合到所述结构层，并且具有面对所述结构层的第一主表面以及沿所述竖直轴线与所述第一主表面相对的第二主表面，
所述帽被设计为机械耦合到所述外壳的所述可变形部分，
其中所述帽在所述第一主表面上具有致动部分，所述致动部分在所述移动电极上，并且被配置为在施加在所述第二主表面上的压力存在的情况下，引起所述移动电极朝向所述掩埋电极的偏转，所述偏转被配置为引起所述检测电容器的电容变化，所述电容变化指示所述微机电按钮器件的致动。
17.根据权利要求16所述的电子装置，还包括：
腔室，在所述外壳内部，所述微机电按钮器件被布置在所述腔室中；
柔性支撑件，集成被容纳在所述腔室内的电连接路径，所述微机电按钮器件电和机械耦合到所述柔性支撑件；以及
印刷电路板，被容纳在所述腔室内，并且固定到所述外壳，所述柔性支撑件通过连接元件耦合到所述印刷电路板。
18.根据权利要求16所述的电子装置，其中所述电子装置是便携式或可佩戴电子装置。
19.一种用于制造微机电按钮器件的方法，所述方法包括：
经由导电层的限定，在半导体材料的衬底上形成掩埋电极，所述衬底具有前表面和后表面，所述前表面和所述后表面在水平面中具有延伸部，并且沿垂直于所述水平面的竖直轴线彼此相对；
经由结构层的限定，形成移动电极，所述移动电极覆盖所述衬底，并且以分离距离弹性地悬置在所述掩埋电极上方以形成检测电容器；
将帽耦合到所述结构层，所述帽具有面对所述结构层的第一主表面以及沿所述竖直轴线与所述第一主表面相对的第二主表面，所述帽被设计为机械耦合到电子装置的外壳的可变形部分；以及
在所述第一主表面处形成所述帽的致动部分，所述致动部分被布置在所述移动电极之上，并且被配置为在施加在所述第二主表面上的压力存在的情况下，引起所述移动电极朝向所述掩埋电极的偏转，所述偏转被配置为引起所述检测电容器的电容变化，所述电容变化指示所述微机电按钮器件的致动。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括：
经由所述结构层的限定形成弹性悬置元件，所述弹性悬置元件具有耦合到所述移动电极的第一端以及固定地耦合到所述衬底的第二端，所述弹性悬置元件被配置为支撑所述移动电极，并且使得所述移动电极能够朝向所述掩埋电极进行电极偏转，所述移动电极以悬臂方式悬置在所述掩埋电极上方。
21.根据权利要求19所述的方法，其中
形成所述掩埋电极包括：形成悬置在所述衬底的所述前表面上方一距离处的所述掩埋电极，掩埋腔被布置在所述前表面与所述掩埋电极之间，
所述方法包括：
经由所述结构层的限定形成内框架，所述内框架将所述掩埋电极支撑在所述内框架悬置在所述掩埋腔上方的位置；以及
形成相应弹性悬置元件，所述弹性悬置元件具有耦合到所述内框架的相应第一端以及固定地耦合到所述衬底的第二端。
22.根据权利要求19所述的方法，还包括：
形成第一凹部和第二凹部，所述第一凹部和所述第二凹部在所述帽内在所述竖直轴线的方向上在所述致动部分的相对侧延伸。
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