[发明专利]三维力输入控制器件及其制造

说明书

技术背景

技术领域

本发明总地涉及半导体器件、微电子机械系统(MEMS)、传感器，更具体地说，涉及与信号处理电子电路集成在同一个基片上的三维三轴力传感器。特别是，涉及用于消费产品和其它用途的三轴手指力传感器、手指鼠标和微动操纵杆。 

背景技术

用带有在柔性膜片上的应力敏感元件的微加工的硅片制成的三维力传感器是已知的。图1中所示的已有技术采用一个由芯片(die)的刚性框架12和刚性的中心部分16构成的传感器芯片10，中心部分、即凸部由一个较薄的膜片14连接于框架12。一个外部施加的力可被传递到刚性支柱16，该支柱的挠变可使弹性的膜片14内产生变形和应力，而达到应力敏感IC元件18、20、22所在的位置。由于刚性的支柱16是位于芯片10的厚度尺寸之内，以及圆的膜片的宽度很小且处于不到一毫米的范围内，很难在横向的X和Y方向对刚性支柱16施加外力来得到良好的响应，因此已有技术的这种应用不能适用于许多消费产品和人机界面。 

为了解决这个不足，把一个刚性的力传递元件31添加于芯片10和支柱16的结构。用一个居间层33把这个刚性的力传递元件31牢固地联接于传感器芯片10的刚性支柱16。刚性支柱的高度延伸到芯片框架的厚度以上可增强传感器对在所有正交的方向施加的向量力的灵敏度。力的那些分量被传递到传感器芯片的刚性支柱，继而传递到弹性部件和敏感IC元件。 

但是，这种解决办法的缺点是，需要用作刚性的力传递元件的附加晶片，需要进行附加的微加工，需要把两个晶片对准和结合起来，还需要更复杂的过程来把芯片分离于晶片，以及通常还需要成本更高的制造过程。 

人们所需要的是这样一种器件，它能降低制造和生产成本，并能容易地与硅基片上更高密度的IC电路系统集成。 

发明内容

本发明揭示一种用于感受向量力并将其转换成用于在电子信号处理系统中进行处理的电信号的三维力输入控制器件，传感器芯片内的所有部件都由单个半导体基片来制造。典型的这种器件包括：形成在半导体基片内的传感器芯片；在所述半导体基片内的弹性元件；形成为围绕着所述弹性元件并连接于完全在基片内的所述弹性元件的周缘的至少一部分的框架；定位在弹性元件中的至少三个机械应力敏感IC元件，其用于产生与各IC元件所在位置里的机械应力成比例的输出电信号；形成在基片内并联接于弹性元件的至少一个刚性支柱元件，该刚性支柱可把外部的向量力传递到弹性元件进而传递到各IC元件，而各IC元件可产生输出电信号，这个刚性支柱的高度大于框架的厚度减去弹性元件的厚度；至少一个把这种力传递元件与外力关联起来的弹簧元件；以及至少一个用于处理来自机械应力敏感IC元件的输出信号的电子线路。 

为了实现本发明的各不同的方面和优点，所有构成部分在设计和材料上都是可以改变的。 

揭示了几种制造方法，其中一种典型的方法包括以下步骤：提供有第一侧面和第二侧面的半导体基片；在基片的第一侧面上制造应力敏感IC元件和信号处理IC；在基片的第二侧面上制造闭合的沟槽，这些沟槽形成弹性元件、框架区域和刚性支柱的界线，用于芯片分离的沟槽；以及在框架区域处从基片的第二侧面除去附加的基片材料，使刚性支柱的尺寸从第二侧面突出并大于框架的余下的厚度尺寸减去弹性元件的厚度，留下的突出于基片的刚性支柱用于连接于外部力传递元件或用于接受任一和所有方向的机械力。在框架元件从第二侧面除去基片的一部分可采用选择性蚀刻来进行。 

在芯片区域内在基片第二侧面上制造闭合的沟槽的一种改变的方案还包括：在基片的第二侧面上沉积保护性掩盖层；用光刻(或称照相平版印刷)工艺限定刚性支柱、弹性元件、框架和划分芯片的沟槽的图形；从弹性元件和划分芯片的沟槽除去掩盖层并从基片的第二侧面在弹性元件和划分芯片的沟槽处将基片蚀刻到选择的厚度，这样就使闭合的划分芯片的沟槽为按照限定的图形分开芯片在基片中提供了形状和厚度轮廓，这样的制造过程耗用的基片较少且产生的废料也较少。 

附图说明

图1表示出已有技术的一个三维力传感器芯片，其带有一个位于芯片的厚度尺寸内的力传递刚性支柱和一个连接于刚性支柱的顶部的附加的力传递元件； 

图2是本发明的一个实施例的力传感器芯片及其主要微结构元件的俯视和仰视立体图； 

图3表示出本发明的一个实施例的一种用在手持式器件里的具有不同功能的三维输入手指控制的原理，其中三维力传感器芯片连接于外部按钮，该外部按钮用于通过一个弹簧之类的元件施加力，以便使控制响应所施加的力或挠变达到所要求的灵敏度、范围和精度的组合；