CN208847381U - 微机电换能器 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种微机电换能器。该微机电换能器包括具有彼此相对的第一表面和第二表面的半导体本体。多个沟槽在半导体本体中从第一表面朝向第二表面延伸，其包括具有沿着第一轴线的相应主延伸方向的第一对沟槽以及具有沿着第二轴线的相应主延伸方向的第二对沟槽，第二轴线与第一轴线正交。第一压阻式传感器和第二压阻式传感器在分别被布置在第一对沟槽和第二对沟槽之间的半导体本体的第一表面处延伸。第一压阻式传感器、第二压阻式传感器和多个沟槽形成有源区。第一结构体被机械地耦接到半导体本体的第一表面以形成包围有源区的第一密封腔体。通过本公开，允许获得基于硅技术的多轴力传感器，其能够测量法向力和面外剪切力两者。

Description

微机电换能器
技术领域
本公开涉及微机电换能器、制造微机电换能器的方法以及用于操作微机电换能器的方法。
背景技术
众所周知，集成力传感器可以利用微机械加工技术来制造。这些传感器通常包括悬挂在腔体上的薄膜或膜片，该腔体设置在硅本体中。在膜内形成的是连接在一起以形成惠斯通电桥的压阻元件。当受到力时，膜会发生变形，导致压阻元件的电阻的变化，从而导致惠斯通电桥的不平衡。作为替代，电容式传感器是可用的，其中膜提供电容器的第一板，而第二板由固定基准提供。在使用期间，膜的偏转生成电容器的电容的变化，其可以被检测并且与被施加在膜上的压力相关联。
然而，这些半导体传感器本身可能不会被用于测量高压力，因为它们通常具有低的满刻度值。因此，对于高压力和高的力的应用，它们需要相当复杂的封装来支持所应用的负荷。
而且，典型的半导体力传感器被设计成主要测量力的一个分量(例如法向力)，而不是具有面内分量(例如剪切力)的法向分量的组合。因此，需要低成本并且通用的技术以用于制造感测多轴负荷的半导体力传感器，该半导体力传感器能够测量或补偿在传感器结构上引发的不同的所应用的负荷分量或非均匀残余应力。
多轴力传感器已经利用其它技术被实现，诸如金属负荷单元和陶瓷负荷单元。然而，基于金属负荷单元的多轴力传感器存在与低灵敏度、高成本、大尺寸(特别是针对高负荷应用)和高能量需求(由金属应变计的使用所导致)有关的问题。基于陶瓷负荷单元的多轴力传感器具有与制造电阻器的技术有关的其它缺点；用于厚膜电阻器的丝网印刷是在小型化和设计的灵活性方面受到限制的技术。为了制造多轴陶瓷力传感器，需要利用传感器布局内的复杂的机械特征。为此原因，基于陶瓷负荷单元的多轴力传感器需要复杂的封装，增加了它们的成本。而且，基于陶瓷负荷单元的力传感器(如金属传感器)对于高满刻度范围通常具有低分辨率。
实用新型内容
本公开提供了微机电换能器、制造微机电换能器的方法以及用于操作微机电换能器的方法，以克服至少一些前面讨论的问题。特别地，本公开的实施例提供了基于压阻式换能的半导体微机电换能器，该半导体微机电换能器被配置成既可以作为单轴力传感器工作又可以作为多轴力传感器工作。
本公开提供了一种微机电换能器，包括：半导体本体，其具有彼此相对并且平行于水平平面的第一表面和第二表面；多个沟槽，其在所述半导体本体中从所述第一表面朝向所述第二表面延伸，所述多个沟槽包括第一对沟槽和第二对沟槽，所述第一对沟槽具有在所述水平平面上的沿着第一轴线的相应主延伸方向，所述第二对沟槽具有在所述水平平面上的沿着第二轴线的相应主延伸方向，所述第二轴线不同于所述第一轴线并且与所述第一轴线形成一定角度；第一压阻式传感器和第二压阻式传感器，所述第一压阻式传感器和所述第二压阻式传感器在所述半导体本体的所述第一表面处延伸并且分别被布置在所述第一对沟槽和所述第二对沟槽之间，其中所述第一压阻式传感器、所述第二压阻式传感器和所述多个沟槽形成有源区；以及第一结构体，其被机械地耦接到所述半导体本体的所述第一表面以形成包围所述有源区的第一密封腔体。
通过本公开提供的技术方案，允许获得基于硅技术的多轴力传感器，其能够测量法向力和面外剪切力两者，而且允许在非均匀或部分集中负荷的情况下的精确测量。
附图说明
为了更好地理解本公开，其优选实施例现在仅通过非限制性实例并参考附图来描述，其中：
图1A是根据本公开的实施例的微机电换能器的第一横截面视图；
图1B是图1A的微机电换能器的第二横截面视图；
图2是图1A和图1B的微机电换能器的俯视图；
图3是被用作图1A、图1B和图2的微机电换能器的读出电路的惠斯通电桥的电路表示；
图4是在作为力传感器的使用期间图1A的微机电换能器的横截面视图；
图5是根据本公开的另一实施例的微机电换能器的横截面视图；
图6是根据本公开的又一实施例的微机电换能器的横截面视图；
图7是根据本公开的另一实施例的微机电换能器的俯视图；
图8是根据本公开的又一实施例的微机电换能器的俯视图；
图9是示出根据本公开的实施例的传感器的多层结构的多轴传感器的简化立体视图；
图10是根据本公开的实施例的更详细的立体分解视图，其示出了图9的多层多轴传感器的多个层；
图11是图10的多轴传感器的俯视图，其透过盖层并示出了传感器本体层中的压敏电阻组；以及
图12是图10和11的多轴传感器的立体视图，其示出了组装的多轴传感器中的被定位在彼此的顶部上的盖层、传感器本体层和基底层。
具体实施方式
图1A、图1B示出了根据本公开的实施例的微机电换能器，特别是多轴力传感器1的相应的横截面视图。图2示出了在xy平面中的图1A、图1B的多轴力传感器1的俯视图。图1A、图1B和图2中的多轴力传感器1在由彼此正交的三个轴线x、y、z所限定的空间坐标系统中被表示。图1A的横截面视图沿图2中所示的线I-I被截取，而图1B的横截面视图沿图2中所示的线II-II被截取。
参考图1A、图1B和图2，多轴力传感器1包括传感器本体2，该传感器本体2具有与平面xy平行地延伸的前表面2a和后表面2b。多个沟槽4贯穿传感器本体2从前表面2a延伸到后表面2b，特别是平行于z轴。
根据本公开的一个方面，多个沟槽4包括第一沟槽4a和第二沟槽4b。第一沟槽4a具有平行于平面xy的平行于第一方向的主延伸方向。第二沟槽4b具有平行于平面xy的平行于不同于第一方向的第二方向的主延伸方向。特别地，在图1A、图1B和图2的多轴力传感器1中，第一沟槽4a的平面xy上的主延伸方向是x轴线，而第二沟槽4b的平面xy上的主延伸方向是y轴线。因此，根据图1A、图1B和图2的实施例，第一沟槽4a的第一方向与第二沟槽4b的第二方向正交。
如图2所示，多个压敏电阻组6a、6b被布置在基底或本体2的前表面2a处。特别地，每个第一压敏电阻组6a被布置在相应的一对第一沟槽4a之间，而每个第二压敏电阻组6b被布置在相应的一对第二沟槽4b之间。第一压敏电阻组6a和第二压敏电阻组6b中的每一个压敏电阻组包括压阻元件19a-19d。因此，每个压敏电阻组6a的压阻元件19a-19d沿着平行于x轴线的相应方向一个接一个地、彼此相距一定距离并与沟槽4a相距一定距离地被布置，而每个压敏电阻组6b的压阻元件19a-19d沿着平行于y轴线的相应方向一个接一个地、彼此相距一定距离并与沟槽4b相距一定距离地被布置。沟槽4和压敏电阻组6a、6b限定多轴力传感器1的有源区7。
根据本公开的一个方面，传感器本体2是半导体材料的并且特别是硅。更具体地，传感器本体2由n型单晶硅(100)制成，并且压敏电阻6是p+注入区。
参考图1A、图1B和图2，具有盖的功能的第一结构体8通过第一耦接区域16被耦接到传感器本体2的前表面2a。仅为了表示清楚，第一结构体8在图2中仅被部分地示出，其仅覆盖一个压敏电阻组6b，并暴露其它压敏电阻组6a、6b。在下文中，第一结构体8被称为“盖”。对应于有源区7，盖8具有面向前表面2a的凹部10。凹部10由高度为H的侧壁10a和底壁10b界定。侧壁10a的高度H的示例性值在1-500μm的范围内。侧壁10a和底壁10b彼此相邻，形成角度α。根据本公开的一个方面，为了改善盖8到传感器本体2之间的机械耦接，角度α大于或等于90°。在其它的实施例中，角度α可以小于90°。
侧壁10a围绕有源区7并且底壁10b与传感器本体2的前表面2a相距一定距离地延伸。以这种方式，盖8的凹部10限定了密封的腔体，其中有源区7被容纳。腔体借助于例如由玻璃、如Al/Ge或Au/Ge合金那样的金属结合剂、通常为晶片结合材料的双粘合层所制成的第一耦接区域16而被密封。第一耦接区域16可以通过晶片到晶片结合技术(例如，玻璃浆料结合)来形成。多个焊盘17被布置在传感器本体2的未被盖8覆盖的区域上，以允许例如通过线结合来电接入到多轴力传感器1。焊盘17形成用于以惠斯通电桥配置连接的压敏电阻组19a-19d的电接触端子。焊盘通过穿过盖8和/或传感器本体2的导电路径连接到压敏电阻组19a-19d。焊盘17可以是任何合适的材料，例如铝。
具有支撑元件或基底的功能的第二结构体12通过第二耦接区域18耦接到传感器本体2的后表面2b。在下文中，第二结构体12被称为“基底”。与沟槽7延伸的区域相对应，基底12具有面向后表面2b的凹部14。凹部14由侧壁14a和底壁14b界定。侧壁14a围绕沟槽4，以及底壁与传感器本体2的后表面2b相距一定距离地延伸。以这种方式，基底12的凹部14限定了密封的腔体。特别地，根据该实施例的一个方面，凹部14和凹部10至少部分地沿着z轴线对齐。特别地，凹部14和凹部10是重叠的，正如从xy平面上的俯视图中可以看到的那样。
凹部14借助于例如由玻璃、如Al/Ge合金那样的金属结合材料或双粘合层所制成的第二耦接区域18而被密封。类似于第一耦接区域16，第二耦接区域18可以通过晶片到晶片结合技术(例如，玻璃浆料结合)来形成。
盖8和基底12可以是任何合适的材料，诸如半导体材料、陶瓷、钢或金属合金(例如，殷钢或FeNiCo合金)。
参考图2，第一感测单元7a包括第一压敏电阻组6a以及第一压敏电阻组6a被布置在其间的相应的一对第一沟槽4a，以及第二感测单元7b包括第二压敏电阻组6b以及第二压敏电阻组6b被布置在其间的相应的一对第二沟槽4b。
两个第一感测单元7a通过平行于x轴线的相应的主延伸方向dx1、dx2彼此相距一定距离地延伸。两个第二感测单元7b通过平行于y轴线的相应的主延伸方向dy1、dy2彼此相距一定距离地延伸。
根据本公开的实施例，每个第一沟槽4a被无缝地连接到一个相应的第二沟槽4b；更具体地，第一沟槽4a和第二沟槽4b在其端部中的一个端部处被连接，形成直角，并且从第一压敏电阻组6a连续延伸到第二压敏电阻组6b。
根据本公开的其它实施例，第一感测单元7a的第一沟槽4a不被连接到第二感测单元7b的第二沟槽4b。
从图2所示的xy平面上的俯视图来看，沟槽4具有例如带有圆角的基本矩形的形状。矩形的较长边限定沟槽4的长度，而较短边限定沟槽4的宽度Wt。
压敏电阻组6a、6b的每个压阻元件19a-19d具有基本上矩形或卵形或椭圆形的形状，其中长轴限定压阻元件19a-19d的长度Lp，以及短轴限定压阻元件19a-19d的宽度Wp。压阻元件19a-19d的尺寸的示例性值对于长度Lp在5-100μm的范围内，例如Lp＝30μm，对于宽度Wp，则在1-50μm的范围内，例如Wp＝10μm。
沟槽4的尺寸的示例性值对于长度在10-1000μm的范围内，对于宽度Wt在5-500μm的范围内，前提是沟槽的宽度Wt高于压阻元件19a-19d的长度Lp。
在每个感测单元7a、7b中，压阻元件19a-19d可以被布置为使得它们的长度Lp平行于或垂直于相应感测单元7a、7b的沟槽4a、4b的长度Lt。在该实施例中，每个压敏电阻组6a、6b包括四个压阻元件19a至19d，四个压阻元件19a至19d以惠斯通电桥配置来电连接，如图3中示意性示出的。为了实现惠斯通电桥的正常功能(如下详细描述的)，两个压阻元件19a、19d被布置为使得它们的长度Lp平行于相应感测单元7a(7b)的沟槽4a(4b)的长度Lt，而其它两个压敏电阻19b、19c被布置为使得其长度Lp垂直于相应感测单元7a(7b)的沟槽4a(4b)的长度Lt。
图4示出处于工作状态的多轴力传感器1。更具体地，图4示出了在图1A的横截面视图中，当受到由箭头40表示的多轴力F时的多轴力传感器1。力F可以沿x、y、z轴线分别被表示为其分量Fx、Fy、Fz。由于盖8通过第一耦接区域16被锚固到传感器本体2的事实，由施加的力导致的盖体8在传感器本体2上的相对膨胀引发了在传感器本体2的表面2a处的剪切负荷以及由此产生的平面应力分布，并因此在压阻单元19a-19d上引发剪切负荷以及因此产生的平面应力分布。
在该示例中，多轴力F表示沿所有轴线x、y、z的非零分量，因此它可以被认为是法向力和面外力(相对于表面2a)的叠加。
多轴力F的力分量Fx、Fy、Fz在传感器本体2的表面2a处引发平面机械应力σ。沟槽4的布置影响压敏电阻组6a、6b所位于的区域中平面应力σ的分量的值。特别地，对于每个感测单元7a、7b，相应的沟槽4a、4b限制了平行于相应的主延伸方向dx1、dx2、dy1、dy2的力分量的影响。
特别地，力分量Fx引发了在压敏电阻组6b所位于的区域中被最大化的平面应力σ，而力分量Fy引发了在压敏电阻组6a所位于的区域中被最大化的平面应力σ。力分量Fz在所有压敏电阻组6a、6b上引发等同的平面应力分布。
当受到平面应力σ时，第i压阻单元19a……19d根据硅的压电电阻效应的已知等式(1)来改变其电阻值Ri：
其中，ρi是第i压阻单元19a、……、19d的电阻率；πl、πt和πz分别是压阻单元19a-19d所在的传感器本体2的区域的压阻系数矩阵的纵向(平行于长度Lp)、横向(平行于宽度Wp)和法向(平行于z轴线)分量；σli、σti和σzi分别是关于第i压阻单元19a-19d的应力的纵向、横向和法向分量。更具体地，由于压阻单元19a-19d仅在传感器本体2的表面2a处受到平面应力σ，所以法向分量σzi变为零。作为一个示例，在晶面(001)和晶向<110>上的p型硅的情况下，等式(1)被简化为：
其中πin_plane约为硅压阻系数π44的一半(πin_plane≈70x10-11Pa-1)。
在第一感测单元7a中，第一压敏电阻组6a沿着平行于x轴线的方向dx1、dx2被布置在一对第一沟槽4a之间。因此，力分量Fx对平面应力σ的影响被减小(由于第一沟槽4a)，并且力Fy的影响被增大。因此，第一感测单元7a的压阻单元19a-19d受到具有平行于y轴线的主分量的平面应力σ。由于第一感测单元7a的压阻单元19b和19c具有平行于y轴线的主延伸方向，所以在模块中σli比σti高得多。相反地，由于第一感测单元7a的压阻单元19a和19d具有平行于x轴线的主延伸方向，所以在模块中σti比σli高得多。
例如，如果在所考虑的参考系中力分量Fy具有正符号，则沿着dx1方向布置的压敏电阻组6a受到沿y轴线作用的压缩应力，而沿着dx2方向布置的压敏电阻组6a受到拉伸应力。考虑到压缩应力具有负符号，在等式(1)的含义内，会出现沿dx1方向布置的压敏电阻组6a的压阻单元19a、19d的电阻值Ra、Rd的增加，而同时会出现压敏电阻组6a的压阻单元19b、19c的电阻值Rb、Rc的减少。相反，考虑到拉伸应力具有正符号，在等式(1)的含义内，会出现沿dx2方向布置的压敏电阻组6a的压阻单元19a、19d的电阻值Ra、Rd的减少，而同时会出现压敏电阻组6a的压阻单元19b、19c的电阻值Rb、Rc的增加。
如果相反地力分量Fy具有负符号，则沿着dx1方向布置的压敏电阻组6a受到沿y轴线作用的拉伸应力，而沿着dx2方向布置的压敏电阻组6a受到压缩应力。考虑到压缩应力具有负符号，会出现沿dx2方向布置的压敏电阻组6a的压阻单元19a、19d的电阻值Ra、Rd的增加，而同时会出现压敏电阻组6a的压阻单元19b、19c的电阻值Rb、Rc的减少。相反，考虑到拉伸应力具有正符号，会出现沿dx1方向布置的压敏电阻组6a的压阻单元19a、19d的电阻值Ra、Rd的减少，而同时会出现压敏电阻组6a的压阻单元19b、19c的电阻值Rb、Rc的增加。
在任何情况下，力分量Fy具有对第二压敏电阻组6b的压阻单元19a-19d的电阻值的可忽略不计的影响。这主要是由于两个原因。从机械的角度来看，第二压敏电阻组6b的低灵敏度是由于沟槽4b的存在，以及盖8与感测单元7b接触的两个边缘平行于感测单元7b的取向(其也平行于力分量Fy的方向)的事实。
类似的针对力分量Fx对压阻单元19a-19d的电阻值的影响的考虑，经适当的修改后，是有效的。
连接在惠斯通电桥中的压阻单元19a-19d的电阻值的变化导致如图3所示的由输入电压Vi偏置的惠斯通电桥的输出电压VO的变化，其根据已知的等式(2)：
在以下情况下：
ΔRa＝ΔRd＝-ΔRb＝-ΔRc＝ΔR
Ra＝Rb＝Rc＝Rd＝R (3)
等式(2)被简化为：
因此，第一感测单元7a的输出电压Vo与平行于y轴线的力分量Fy相关联，而第二感测单元7b的输出电压Vo与平行于x轴线的力分量Fx相关联。
力分量Fz在所有的压敏电阻组6a、6b上引发等同的压缩应力分布，并且因此引发对压阻单元19a-19d的等同的影响。通常，每个惠斯通电桥输出的符号不仅取决于在对应区域上的所引发应力的类型，而且还取决于压阻单元19a-19d之间的电连接的配置。
而且，力分量Fy具有对第二压敏电阻组6b的压阻单元19a-19d的电阻值的可忽略不计的影响的事实也是由于第二压敏电阻组6b的压阻单元19a-19d相对于平行于x轴并经过有源区7的几何中心的线对称地被定位的事实。因而，对应的惠斯通电桥相对于某种负荷不敏感，这种负荷或者在两个压敏电阻组6b上引发相同的应力贡献，或者与压组单元19c和19d相比针对压阻单元19a和19b引发相反的应力贡献。
综上所述，多轴力F的力分量Fx、Fy、Fz可以使用以下等式根据感测单元7a、7b的输出电压获得：
其中，V1、V2、V3和V4分别是沿着方向dy2的感测单元7b、沿着方向dx1的感测单元7a、沿着方向dy1的感测单元7b以及沿着方向dx2的感测单元7a的惠斯通电桥的输出电压；以及Sx、Sy、Sz分别是多轴力传感器1沿x、y、z轴线的灵敏度，其可以通过标准校准协议被获得。而且，用于计算力分量的标准优化程序可以适于考虑感测单元的非理想性。
用于制造图1A、图1B和图2的多轴力传感器的示例性方法现在将被描述。
首先，包括传感器本体2的n型单晶(100)硅晶片被提供。第一光致抗蚀剂掩模通过标准光学光刻技术在前表面2a的顶部上被形成。光致抗蚀剂掩模中的开口对应于压阻单元19a-19d应该被形成的区域。压阻单元19a-19d可以通过注入或扩散p型掺杂剂元素(例如硼)来形成。形成压阻单元19a-19d的技术以及它们在惠斯通电桥中的连接是已知的，因此它们将不被进一步详细描述。在去除第一光致抗蚀剂掩模之后，第二光致抗蚀剂掩模在前表面2a的顶部上被形成。第二光致抗蚀剂掩模中的开口对应于沟槽4应当被形成的区域，与压阻单元19a-19d被形成的区域相距一定距离。使用第二光致抗蚀剂掩模，传感器本体2通过其整个厚度被选择性地蚀刻，直到后表面2b处的开口被形成。形成沟槽4的蚀刻步骤是标准的体微加工技术，并且其可以是湿式或干式。然后，第二光致抗蚀剂掩模被去除。
硅或任何其它合适材料的第二晶片被提供，包括盖8。第三光致抗蚀剂掩模通过标准光学光刻技术在第二晶片的前侧上被形成。第三光致抗蚀剂掩模上的开口对应于凹部10的位置。第三光致抗蚀剂掩模上的开口的区域应该被限定为使得其包括第一光致抗蚀剂掩模和第二光致抗蚀剂掩模二者的开口的区域(当它们被彼此对齐的时候)。使用第三光致抗蚀剂掩模，盖8被选择性地蚀刻至低于其厚度的深度。然后，第三光致抗蚀剂掩模被去除。
硅或任何其它合适材料的第三晶片被提供，其包括基底12。第四光致抗蚀剂掩模通过标准光学光刻技术在第三晶片的前侧上被形成。第四光致抗蚀剂掩模上的开口对应于腔体14的位置。第四光致抗蚀剂掩模上开口的区域应当被限定为使得其包括第一光致抗蚀剂掩模和第二光致抗蚀剂掩模二者的开口的区域(当它们被彼此对齐的时候)。使用第四光致抗蚀剂掩模，基底12被选择性地蚀刻至低于其厚度的深度。然后，第四光致抗蚀剂掩模被去除。
接下来，包括传感器本体2的第一晶片和包括盖8的第二晶片在表面2a处通过耦接区域16被彼此耦接，该耦接区域16通过已知的晶片到晶片结合技术(例如玻璃浆料)来获得。
接下来，包括传感器本体2的第一晶片和包括基底12的第三晶片在表面2b处通过耦接区域18被彼此耦接，该耦接区域18通过已知的晶片到晶片结合技术(例如玻璃浆料)来获得。
以这种方式，有源区7未被暴露于环境。
图5示出了根据本公开的另一实施例的多轴力传感器20。不同于图1A、图1B、图2所示的多轴力传感器1，凹部10和凹部14不存在。所有其它元件对于图1A、图1B、图2的多轴力传感器1是共同的，并且由相同的附图标记来表示，因此它们不再被进一步描述。
如在图1A、图1B、图2的多轴力传感器1的情况中那样，盖8和基底12分别借助于耦接区域16和耦接区域18与前表面2a和后表面2b相距一定距离。图5的多轴力传感器20比图1A、图1B、图2的多轴力传感器1更容易被制造，因为它不包括形成凹部10和凹部14的盖8和基底12的刻蚀步骤。
在多轴力传感器1、多轴力传感器20的使用期间，沿着z轴线施加的压力或力可以使得盖8和基底12相对于它们各自的面向传感器本体2的自由表面朝向传感器本体2弯曲。为了确保有源区7的保护和适当的功能，盖8和基底12都不应当在弯曲时与压敏电阻组6a、6b直接接触。相对于图1A、图1B、图2的多轴力传感器1，多轴力传感器20可以承受施加于z轴线的较小的力，因为与多轴力传感器1相比，盖8和基底12与传感器本体2接触的区域中的应力集中度更高。
图6示出了根据本公开的另一实施例的多轴力传感器30。不同于图1A、图1B、图2所示的多轴力传感器1，基底12不存在。此外，在功能上对应于多轴力传感器1的沟槽4的沟槽34在传感器本体2中以比传感器本体2的厚度更低或更少的深度延伸。换言之，沟槽34与后表面2b相距一定距离地结束于传感器本体2内。沟槽34的深度的示例性值在5至100μm的范围内。多轴力传感器30的沟槽34包括具有平行于x轴线的主延伸方向的第一沟槽34a以及具有平行于y轴线的主延伸方向的第二沟槽34b，分别类似于图1A、图1B、图2的多轴力传感器1的第一沟槽4a和第二沟槽4b。所有其它元件对于图1A、图1B、图2的多轴力传感器1是共同的，并且由相同的附图标记来表示，因此它们不再被进一步描述。
与多轴力传感器1和多轴力传感器20相比，多轴力传感器30具有更低的厚度和更低的制造成本。
根据另一个实施例，图中未示出，多轴力传感器30的盖8的凹部10可以不存在，类似于上面参考图5所描述的。
图7示出了根据本公开的另一实施例的多轴力传感器40的俯视图。多轴力传感器40包括两个第一感测单元47a和两个第二感测单元47b。每个第一感测单元47a包括两个第一沟槽4a和一个第一压敏电阻组6a。每个第二感测单元47b包括两个第二沟槽4b和一个第一压敏电阻组6a。
每个第一沟槽4a具有平行于x轴线的主延伸方向。在每个第一感测单元47a中，第一压敏电阻组6a在相应的第一沟槽4a之间、沿着平行于第一沟槽4a的主延伸方向的方向并与第一沟槽4a相距一定距离地延伸。因此，对于每个第一感测单元47a，第一压敏电阻组6a沿着平行于x轴线的主方向dx1、dx2延伸，并且两个第一沟槽4a沿着平行于且不同于主方向dx1(dx2)的相应的主方向延伸。相同的第一感测单元47a的压敏电阻组6a和沟槽4a沿着y轴线被彼此对齐。更具体地，两个第一感测单元47a沿着y轴线被彼此对齐并且相对于平行于x轴线并且经过有源区7的几何中心(图1B)的线对称。
在每个第二感测单元47b中，第二压敏电阻组6b在相应的第二沟槽4b之间、沿着平行于第二沟槽4b的主延伸方向的方向并与第二沟槽4b相距一定距离地延伸。因此，对于每个第二感测单元47b，第二压敏电阻组6b沿着平行于y轴线的主方向dy1、dy2延伸，并且两个第二沟槽4b沿着平行于且不同于主方向dy1(dy2)的相应的方向延伸。相同的第二感测单元47b的压敏电阻组6b和沟槽4b沿着x轴线被彼此对齐。更具体地，两个第二感测单元47b沿着x轴线被彼此对齐并且相对于平行于y轴线并且经过有源区7的几何中心(图1B)的线对称。
第一感测单元47a不与第二感测单元47b重叠。
所有其它元件对于图1A、图1B、图2的多轴力传感器1是共同的，并且由相同的附图标记来表示，因此它们不再被进一步描述。参考图5和图6描述的变型也适用于图7的实施例。
在使用中，平行于y轴线的剪切力分量Fy将在第一压敏电阻组6a上引发平行于x轴线的拉伸平面应力σx，而平行于x轴线的剪切力分量Fx将在第二压敏电阻组6b上引发平行于y轴线的拉伸平面应力σy。
图8示出了根据本公开的另一实施例的多轴力传感器50的俯视图。多轴力传感器50包括两个第一感测单元47a和两个第二感测单元47b，其具有与图7的多轴力传感器40共同的元件。
在该实施例中，第一压敏电阻组6a的主延伸方向dx1、dx2彼此重合并且与x轴线重合。类似地，第二压敏电阻组6b的主延伸方向dy1、dy2也彼此重合并且与y轴线重合。
感测单元47a、47b的主延伸方向dx、dy被选择为使得感测单元47a、47b被布置成十字的形状；而且，感测单元47a、47b的主延伸方向dx、dy被选择以将第一感测单元47a的第一沟槽4a无缝地连接到第二感测单元47b的相应第二沟槽4b，并且将第一感测单元47a的另一第一沟槽4a无缝地连接到另一第二感测单元47b的相应第二沟槽4b。
所有其它元件对于图1A、图1B、图2的多轴力传感器1是共同的，并且由相同的附图标记来表示，因此它们不再被进一步描述。参考图5和图6描述的变型也适用于图7的实施例。
根据各种实施例，先前描述的本公开的实施例的优点从前面的描述中显现出来。
特别地，沟槽4和压阻单元19a-19d的空间配置允许获得基于硅技术的多轴力传感器，其能够测量法向力和面外剪切力两者。而且，沟槽4和压阻单元19a-19d的空间配置允许在非均匀或部分集中负荷的情况下的精确测量。
最后，清楚的是，修改和变化可以对本文已经描述和示出的内容来做出，而不偏离本公开的范围。
例如，盖8、传感器本体2和基底12可以具有任何合适的大小和形状。
而且，压敏电阻组6a、6b可以只包括一个或两个压阻元件。
此外，沟槽可以具有与上述矩形或基本矩形的形状不同的形状。例如，沟槽可以具有圆形形状、通用多边形形状等。
此外，第一沟槽和第二沟槽的主延伸方向也可以彼此不正交，即，第一沟槽和第二沟槽的主延伸方向彼此相交形成不同于90度的角度。
而且，根据应用的需要，盖的大小和有源区的大小可以被扩大以增加多轴力传感器的满刻度。
图9是示出根据本公开的实施例的传感器的多层结构的多轴传感器900的简化立体视图。在多轴传感器的一个实施例中，多轴传感器900包括与图1A、图1B和图2的多轴力传感器1中的盖8相对应的盖层902。在多轴传感器900的实施例中，传感器本体层904与传感器本体2相对应，并且基底层906与图1A、图1B和图2的多轴力传感器1中的基底12相对应。手指F被示出为在由箭头908指示的手指移动方向上移动并且向盖层902施加力。在图9中示出了与由手指F施加到盖层902的力相关联的法向分量和切向分量如上文中关于与图4相关的多轴力40所讨论的，根据本公开的实施例的多轴传感器感测垂直于传感器的表面(图9中的XY平面)并垂直于该平面(沿着图9中的Z轴线)的力。
图10是根据本公开的实施例的更详细的立体分解视图，该立体分解视图示出了图9的多层多轴传感器900的多个层。盖层902包括凹部902a，凹部902a与图1A、图1B和图2的实施例中的盖8中的凹部10相对应。传感器本体层904包括沟槽904a和904b，沟槽904a和904b分别与在图1A、图1B和图2的实施例中形成在传感器本体2中的沟槽4a和4b相对应。基底层906包括沟槽906a，沟槽906a与图1A、图1B和图2的实施例中的基底12中的沟槽14相对应。传感器900包括形成在传感器本体层904的表面上的电触点或焊盘904c，电触点或焊盘904c与图1A、图1B和图2的实施例中的电焊盘17相对应。
图11是图10的多轴传感器900的俯视图，其透过盖层902并示出形成在传感器本体层904中的压敏电阻组1100a-1100d。压敏电阻组1100a-1100d与图2的实施例中的第一感测单元7a和第二感测单元7b的压敏电阻组6a、6b相对应。如图11中更好地示出的，盖层902比传感器本体层904和基底层906更小，使得本体层的表面上的电焊盘904c被暴露以允许电连接到传感器900。这在图12中更好地被示出，现在将更详细地讨论图12。
图12是图10和图11的多轴传感器900的立体视图，其示出了适当对齐并且定位在彼此的顶部上以形成组装的多轴传感器900的盖层902、传感器本体层904和基底层906。图12示出了盖层902、传感器本体层904和基底层906，传感器本体层904和基底层906比盖层902大，使得本体层的表面上的电焊盘904c被暴露以提供用于电连接到传感器900的电焊盘904c。图9-12是多轴传感器900的简化图示，并且被提供以示出通过包括传感器的部件的多个层902-906的传感器的组件或构造。参考图1A、图1B、图2和图5-8的实施例详细描述的在这些层902-906中形成的传感器900的部件的许多细节未在图9-12中被示出，以简化这些图。这些部件的操作与先前参考图1A、图1B、图2和图5-8的实施例所提供的操作相同，因此不再参考图9-12提供。
根据本公开的多轴力传感器的实施例相对于诸如扇入和扇出晶片级芯片尺寸封装(WLCSP)和其它合适的晶片级封装的晶片级封装技术是特别有利的。如本领域技术人员将会理解的那样，在这些晶片级封装技术中，传感器本身也形成封装的一部分。这些类型的晶片级封装可以在晶片级处被执行，这使得制造过程更快、成本更低。这样的封装以及传感器本身都是可扩展的。另外，诸如盖8的保护层之一可以被设计成包括专用集成电路(ASIC)，该专用集成电路(ASIC)用于信号调节和采集由多轴力传感器生成的信号。在这样的实施例中，从传感器到ASIC的连接可以通过“硅通孔”技术完成。通过晶片级封装，多轴力传感器不需要用于传感器的保护或应用使用的附加的或额外的复杂封装。
上述各种实施例可以被组合以提供进一步的实施例。根据以上具体描述，可以对实施例做出这些和其它改变。通常，在下面的权利要求书中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制于说明书和权利要求书中所公开的具体实施例，而应被解释为包括所有可能的实施例以及这些权利要求所授权的等同物的全部范围。相应地，权利要求书不受本公开的限制。

Claims (15)

1.一种微机电换能器，其特征在于，包括：
半导体本体，其具有彼此相对并且平行于水平平面的第一表面和第二表面；
多个沟槽，其在所述半导体本体中从所述第一表面朝向所述第二表面延伸，所述多个沟槽包括第一对沟槽和第二对沟槽，所述第一对沟槽具有在所述水平平面上的沿着第一轴线的相应主延伸方向，所述第二对沟槽具有在所述水平平面上的沿着第二轴线的相应主延伸方向，所述第二轴线不同于所述第一轴线并且与所述第一轴线形成一定角度；
第一压阻式传感器和第二压阻式传感器，所述第一压阻式传感器和所述第二压阻式传感器在所述半导体本体的所述第一表面处延伸并且分别被布置在所述第一对沟槽和所述第二对沟槽之间，其中所述第一压阻式传感器、所述第二压阻式传感器和所述多个沟槽形成有源区；以及
第一结构体，其被机械地耦接到所述半导体本体的所述第一表面以形成包围所述有源区的第一密封腔体。
2.根据权利要求1所述的微机电换能器，其特征在于，其中所述第二轴线正交于所述第一轴线。
3.根据权利要求1所述的微机电换能器，其特征在于，其中：
所述第一对沟槽包括沿着彼此重合的相应的主延伸方向被对齐的两个沟槽，所述第一压阻式传感器沿着所述第一对沟槽的所述重合的主延伸方向被对齐；以及
所述第二对沟槽包括沿着彼此重合的相应的主延伸方向被对齐的两个沟槽，所述第二压阻式传感器沿着所述第二对沟槽的所述重合的主延伸方向被对齐。
4.根据权利要求1所述的微机电换能器，其特征在于，其中所述第一对沟槽和所述第二对沟槽中的每一对沟槽包括两个沟槽，所述两个沟槽沿着平行于彼此并且彼此不同的相应的主延伸方向被对齐。
5.根据权利要求1所述的微机电换能器，其特征在于，进一步包括：
第三压阻式传感器和第四压阻式传感器；
其中所述多个沟槽包括平行于彼此并且平行于所述第一对沟槽的第三对沟槽以及平行于彼此并且平行于所述第二对沟槽的第四对沟槽；以及
其中所述第三压阻式传感器和所述第四压阻式传感器被分别布置在所述第三对沟槽和所述第四对沟槽之间。
6.根据权利要求5所述的微机电换能器，其特征在于，其中：
所述第三对沟槽包括沿着彼此重合的相应的主延伸方向被对齐的两个沟槽，所述第三压阻式传感器沿着所述第三对沟槽的所述重合的主延伸方向被对齐；以及
所述第四对沟槽包括沿着彼此重合的相应的主延伸方向被对齐的两个沟槽，所述第四压阻式传感器沿着所述第四对沟槽的所述重合的主延伸方向被对齐。
7.根据权利要求5所述的微机电换能器，其特征在于，其中所述第三对沟槽和所述第四对沟槽中的每一对沟槽包括两个沟槽，所述两个沟槽沿着平行于彼此并且彼此不同的相应的主延伸方向被对齐。
8.根据权利要求5所述的微机电换能器，其特征在于，其中：
所述第一压阻式传感器和所述第三压阻式传感器相对于平行于所述第一轴线并穿过所述第一密封腔体的几何中心的第一对称轴线对称，使得沿着所述第二轴线施加的正向力分量向所述第一压阻式传感器引发压缩平面应力，并向所述第三压阻式传感器引发拉伸平面应力，而沿着所述第二轴线施加的负向力分量向所述第一压阻式传感器引发拉伸平面应力，并向所述第三压阻式传感器引发压缩平面应力；
所述第二压阻式传感器和所述第四压阻式传感器相对于平行于所述第二轴线并穿过所述第一密封腔体的所述几何中心的第二对称轴线对称，使得沿着所述第一轴线施加的正向力分量向所述第二压阻式传感器引发压缩平面应力，并向所述第四压阻式传感器引发拉伸平面应力，而沿着所述第一轴线施加的负向力分量向所述第二压阻式传感器引发拉伸平面应力，并向所述第四压阻式传感器引发压缩平面应力。
9.根据权利要求5所述的微机电换能器，其特征在于，其中：
所述第一压阻式传感器和所述第三压阻式传感器相对于正交于所述第一轴线并穿过所述第一密封腔体的几何中心的第一对称轴线对称，使得沿着所述第一轴线施加的正向力分量向所述第一压阻式传感器引发拉伸平面应力，并向所述第三压阻式传感器引发压缩平面应力，而沿着所述第一轴线施加的负向力分量向所述第一压阻式传感器引发压缩平面应力，并向所述第三压阻式传感器引发拉伸平面应力；
所述第二压阻式传感器和所述第四压阻式传感器相对于正交于所述第二轴线并穿过所述第一密封腔体的所述几何中心的第二对称轴线对称，使得沿着所述第二轴线施加的正向力分量向所述第二压阻式传感器引发拉伸平面应力，并向所述第四压阻式传感器引发压缩平面应力，而沿着所述第二轴线施加的负向力分量向所述第二压阻式传感器引发压缩平面应力，并向所述第四压阻式传感器引发拉伸平面应力。
10.根据权利要求5所述的微机电换能器，其特征在于，其中：
所述第一压阻式传感器和所述第三压阻式传感器相对于平行于所述第一轴线并穿过所述第一密封腔体的几何中心的第一对称轴线对称，使得沿着所述第二轴线施加的正向力分量向所述第三压阻式传感器引发拉伸平面应力，并向所述第一压阻式传感器引发压缩平面应力，而沿着所述第二轴线施加的负向力分量向所述第一压阻式传感器引发拉伸平面应力，并向所述第三压阻式传感器引发压缩平面应力；
所述第二压阻式传感器和所述第四压阻式传感器相对于平行于所述第二轴线并穿过所述第一密封腔体的几何中心的第二对称轴线对称，使得沿着所述第一轴线施加的正向力分量向所述第四压阻式传感器引发拉伸平面应力，并向所述第二压阻式传感器引发压缩平面应力，而沿着所述第一轴线施加的负向力分量向所述第二压阻式传感器引发拉伸平面应力，并向所述第四压阻式传感器引发压缩平面应力。
11.根据权利要求1所述的微机电换能器，其特征在于，其中所述压阻式传感器中的每个压阻式传感器包括被连接以形成惠斯通电桥的单个压阻元件、至少两个压阻元件和四个压阻元件中的一种。
12.根据权利要求1所述的微机电换能器，其特征在于，进一步包括在所述半导体本体和所述第一结构体之间的第一耦接区域，所述第一耦接区域围绕所述有源区并界定所述第一密封腔体。
13.根据权利要求1所述的微机电换能器，其特征在于，其中所述第一密封腔体包括在所述第一结构体中的第一凹部，所述第一凹部面向所述半导体本体并且围绕所述有源区。
14.根据权利要求1所述的微机电换能器，其特征在于，其中所述沟槽被限制在所述半导体本体内。
15.根据权利要求1所述的微机电换能器，其特征在于，其中所述沟槽从所述第一表面延伸到所述第二表面、通过所述半导体本体的整个厚度，所述微机电换能器进一步包括：
第二结构体，其被机械地耦接到所述半导体本体的所述第二表面；以及
第二密封腔体，其在所述半导体本体和所述第二结构体之间。
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