專利名稱：三維力輸入控制器件及其制造技術(shù)
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總地涉及半導(dǎo)體器件、微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)、傳感器，更具體地 說，涉及與信號(hào)處理電子電路集成在同一個(gè)基片上的三維三軸力傳感器。特別是， 涉及用于消費(fèi)產(chǎn)品和其它用途的三軸手指力傳感器、手指鼠標(biāo)和微動(dòng)操縱桿。
背景技術(shù)：
用帶有在柔性膜片上的應(yīng)力敏感元件的微加工的硅片制成的三維力傳感器是 已知的。圖1中所示的已有技術(shù)采用一個(gè)由芯片(die)的剛性框架12和剛性的 中心部分16構(gòu)成的傳感器芯片10，中心部分、即凸部由一個(gè)較薄的膜片14連接 于框架12。 一個(gè)外部施加的力可被傳遞到剛性支柱16，該支柱的撓變可使彈性的 膜片14內(nèi)產(chǎn)生變形和應(yīng)力，而達(dá)到應(yīng)力敏感IC元件18、 20、 22所在的位置。由 于剛性的支柱16是位于芯片10的厚度尺寸之內(nèi)，以及圓的膜片的寬度很小且處 于不到一毫米的范圍內(nèi)，很難在橫向的X和Y方向?qū)傂灾е?6施加外力來得 到良好的響應(yīng)，因此已有技術(shù)的這種應(yīng)用不能適用于許多消費(fèi)產(chǎn)品和人機(jī)界面。
為了解決這個(gè)不足，把一個(gè)剛性的力傳遞元件31添加于芯片10和支柱16的 結(jié)構(gòu)。用一個(gè)居間層33把這個(gè)剛性的力傳遞元件31牢固地聯(lián)接于傳感器芯片10 的剛性支柱16。剛性支柱的高度延伸到芯片框架的厚度以上可增強(qiáng)傳感器對(duì)在所 有正交的方向施加的向量力的靈敏度。力的那些分量被傳遞到傳感器芯片的剛性 支柱，繼而傳遞到彈性部件和敏感IC元件。
但是，這種解決辦法的缺點(diǎn)是，需要用作剛性的力傳遞元件的附加晶片，需要 進(jìn)行附加的微加工，需要把兩個(gè)晶片對(duì)準(zhǔn)和結(jié)合起來，還需要更復(fù)雜的過程來把 芯片分離于晶片，以及通常還需要成本更高的制造過程。
人們所需要的是這樣一種器件，它能降低制造和生產(chǎn)成本，并能容易地與硅基 片上更高密度的IC電路系統(tǒng)集成。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明揭示一種用于感受向量力并將其轉(zhuǎn)換成用于在電子信號(hào)處理系統(tǒng)中進(jìn) 行處理的電信號(hào)的三維力輸入控制器件，傳感器芯片內(nèi)的所有部件都由單個(gè)半導(dǎo) 體基片來制造。典型的這種器件包括形成在半導(dǎo)體基片內(nèi)的傳感器芯片；在所 述半導(dǎo)體基片內(nèi)的彈性元件；形成為圍繞著所述彈性元件并連接于完全在基片內(nèi) 的所述彈性元件的周緣的至少一部分的框架；定位在彈性元件中的至少三個(gè)機(jī)械 應(yīng)力敏感IC元件，其用于產(chǎn)生與各IC元件所在位置里的機(jī)械應(yīng)力成比例的輸出 電信號(hào)；形成在基片內(nèi)并聯(lián)接于彈性元件的至少一個(gè)剛性支柱元件，該剛性支柱 可把外部的向量力傳遞到彈性元件進(jìn)而傳遞到各IC元件，而各IC元件可產(chǎn)生輸 出電信號(hào)，這個(gè)剛性支柱的高度大于框架的厚度減去彈性元件的厚度；至少一個(gè) 把這種力傳遞元件與外力關(guān)聯(lián)起來的彈簧元件；以及至少一個(gè)用于處理來自機(jī)械 應(yīng)力敏感IC元件的輸出信號(hào)的電子線路。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的各不同的方面和優(yōu)點(diǎn)，所有構(gòu)成部分在設(shè)計(jì)和材料上都是可 以改變的。
揭示了幾種制造方法，其中一種典型的方法包括以下步驟提供有第一側(cè)面和 第二側(cè)面的半導(dǎo)體基片；在基片的第一側(cè)面上制造應(yīng)力敏感IC元件和信號(hào)處理 IC;在基片的第二側(cè)面上制造閉合的溝槽，這些溝槽形成彈性元件、框架元件和 剛性支柱的界線，用于芯片分離的溝槽；以及在框架區(qū)域處從基片的第二側(cè)面除 去附加的基片材料，使剛性支柱的尺寸從第二側(cè)面突出并大于框架的余下的厚度 尺寸減去彈性元件的厚度，留下的突出于基片的剛性支柱用于連接于外部力傳遞 元件或用于接受任一和所有方向的機(jī)械力。在框架元件從第二側(cè)面除去基片的一 部分可采用選擇性蝕刻來進(jìn)行。
在芯片區(qū)域內(nèi)在基片第二側(cè)面上制造閉合的溝槽的一種改變的方案還包括在 基片的第二側(cè)面上沉積保護(hù)性掩蓋層；用光刻(或稱照相平版印刷)工藝限定剛 性支柱、彈性元件、框架和劃分芯片的溝槽的圖形；從彈性元件和劃分芯片的溝 槽除去掩蓋層并從基片的第二側(cè)面在彈性元件和劃分芯片的溝槽處將基片蝕刻到 選擇的厚度，這樣就使閉合的劃分芯片的溝槽為按照限定的圖形分開芯片在基片 中提供了形狀和厚度輪廓，這樣的制造過程耗用的基片較少且產(chǎn)生的廢料也較少,。


圖1表示出已有技術(shù)的一個(gè)三維力傳感器芯片，其帶有一個(gè)位于芯片的厚度尺
寸內(nèi)的力傳遞剛性支柱和一個(gè)連接于剛性支柱的頂部的附加的力傳遞元件；
圖2是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的力傳感器芯片及其主要微結(jié)構(gòu)元件的俯視和仰 視立體圖3表示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的一種用在手持式器件里的具有不同功能的
三維輸入手指控制的原理，其中三維力傳感器芯片連接于外部按鈕，該外部按鈕 用于通過一個(gè)彈簧之類的元件施加力，以便使控制響應(yīng)所施加的力或撓變達(dá)到所
要求的靈敏度、范圍和精度的組合；
圖4表示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的扁平的矮型面手指力控制器件的例子，其是 基于一個(gè)直接連接于力傳感器芯片的彈性材料按鈕；
圖5表示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的扁平的手指力控制器件，其有一個(gè)直接連接 于剛性力傳遞元件的彈性材料按鈕，并包括一個(gè)觸覺機(jī)械反饋機(jī)構(gòu)，用以對(duì)感受 被按壓的按鈕的點(diǎn)擊(click);
圖6表示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的操縱桿型式的手指力控制器件的一個(gè)例子， 其基于一個(gè)彈性材料突頭體可彈回地變形的元件，該元件直接聯(lián)接于一個(gè)剛性力 傳遞元件，該剛性力傳遞元件可把力向量傳遞到安裝在居間的基片芯片上的傳感 器芯片；
圖7表示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的平頭操縱桿型式的手指力控制器件的另一 個(gè)例子，其中傳感器芯片是直接安裝于一個(gè)PCB (印刷電路板)； ' 圖8表示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的可撓曲的平頭手指力控制器件的一個(gè)例子，
該器件包括一個(gè)可搖擺的彈性塑料按鈕，該按鈕直接聯(lián)接于力傳感器芯片的剛性
力傳遞元件并且埋入一層塑料，其用作一個(gè)集成的按鈕芯片；
圖9表示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的可撓曲的平頭手指力控制器件的另一個(gè)例 子，該器件包括一個(gè)可搖擺的彈性塑料按鈕，該按鈕直接聯(lián)接于力傳感器芯片的 剛性力傳遞元件并包括一個(gè)在按鈕表面上的觸覺式機(jī)械反饋機(jī)構(gòu)，用以響應(yīng)按鈕 的按壓動(dòng)作發(fā)出的觸覺機(jī)械反饋；
圖IO表示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的手指力控制器件的一個(gè)例子，其基于彈性 材料包封件，該包封件直接連接于剛性的力傳遞支柱并包括取決于不同設(shè)計(jì)的芯 片的與不同按鈕的連接結(jié)構(gòu)；
圖11表示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的扁平的手指力控制器件的一個(gè)例子，其帶 有一個(gè)附加的力傳遞元件和一個(gè)用于感受對(duì)被按壓的按鈕的點(diǎn)擊的彈性殼；
圖12表示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的可撓曲的平頭手指力控制器件的另一個(gè)例
子，該器件包括一個(gè)可搖擺的彈性塑料按鈕，該按鈕直接聯(lián)接于一個(gè)附加的力傳 遞元件，而該力傳遞元件有增大的對(duì)塑料按鈕的結(jié)合力，并包括一個(gè)在按鈕表面 上的觸覺式機(jī)械反饋機(jī)構(gòu)，用以響應(yīng)按鈕的按壓動(dòng)作而發(fā)出觸覺機(jī)械反饋；
圖13表示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的制造工藝過程的一個(gè)例子，這種工藝過程 基于先局部蝕刻出膜片，然后減薄芯片框架；
圖14表示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的制造工藝過程的一個(gè)例子，這種工藝過程 基于先把膜片局部蝕刻到一定深度，然后減薄芯片框架并同時(shí)地繼續(xù)蝕刻膜片;，
圖15表示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的制造工藝過程的一個(gè)例子，這種工藝過程 基于先對(duì)膜片進(jìn)行局部蝕刻，然后在膜片區(qū)域上沉積一個(gè)掩蓋層，以及然后通過 蝕刻芯片來減薄框架；
圖16表示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的制造工藝過程的一個(gè)例子，這種工藝過程 基于沉積兩層掩蓋材料和進(jìn)行兩道平版印刷工序，以便蝕刻構(gòu)成膜片區(qū)域的階梯 型面，然后減薄框架；
圖17表示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的制造工藝過程的一個(gè)例子，這種工藝過程 基于沉積一層掩蓋材料和進(jìn)行兩道平版印刷工序，以便蝕刻構(gòu)成膜片的階梯型面， 然后減薄框架；
圖18表示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的制造工藝過程的一個(gè)例子，這種工藝過程 基于沉積一層掩蓋材料和進(jìn)行兩道光刻工序，以便同時(shí)地蝕刻彈性元件、劃分用 于切塊的溝槽以及減薄框架；
圖19表示出本發(fā)明的另一實(shí)施例的一個(gè)用于力傳遞元件的替換的較大表面的 制造過程中的附加步驟，用以形成支柱和芯片頂部的塑料之間的更強(qiáng)固的結(jié)合；
圖20表示出本發(fā)明的另一實(shí)施例的一個(gè)用于力傳遞元件的替換的較大表面的 制造過程中的另一些附加步驟，用以形成支柱和芯片頂部的塑料之間的更強(qiáng)固的 結(jié)合并提供附加的力過載保護(hù)。
具體實(shí)施方式
下面將參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的各特定實(shí)施例。
在本發(fā)明的各實(shí)施例的以下詳細(xì)說明中，為了便于更徹底地理解本發(fā)明，給出 了許多具體的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。但是，很明顯，熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人不用這些結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)
也能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。另一方面，對(duì)那些眾所周知的結(jié)構(gòu)沒有作詳細(xì)的描述，以避免 無益地使描述復(fù)雜化。
目的和優(yōu)點(diǎn)
本發(fā)明的目的是提供一種三維力輸入控制器件，其可用于市場(chǎng)容量很大的消費(fèi)
產(chǎn)品，諸如移動(dòng)通訊手機(jī)、便攜式游戲機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、等等。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種可用于集成在各種電子器件的各種功能中的
三維力輸入控制器件的制造方法。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種低成本的三維力輸入控制器件。 本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種手指尖尺寸的三維力輸入控制器件。 本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種可靠性高的三維力輸入控制器件。 本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種穩(wěn)定性高的三維力輸入控制器件。 本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供這樣一種三維力輸入控制器件，其可適應(yīng)X、 Y、
Z靈敏度之間的足夠低的噪聲比。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供這樣一種三維力輸入控制器件，其具有很低的軸間
交擾靈敏度。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供這樣一種三維力輸入控制器件，其允許把過程集成
于其它的傳感器和CMOS (互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體器件)。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種尺寸可按比例改變的三維力輸入控制器件。 本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供這樣一種三維力輸入控制器件，其可做到所要求的
施加的力和撓變的組合。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供這樣一種三維力輸入控制器件，其具有適應(yīng)大容量
的消費(fèi)產(chǎn)品市場(chǎng)需要的更好的可制造經(jīng)濟(jì)性。
優(yōu)選實(shí)施例
圖2—13表示出三維力輸入控制器件、切塊微結(jié)構(gòu)和制造方法的各實(shí)施例。下 面給出本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)、器件和制造方法的詳細(xì)說明。
參照?qǐng)D2a—2b，它們表示出一個(gè)力傳感器芯片及其主要微結(jié)構(gòu)元件的俯視平 面?zhèn)鹊牧Ⅲw和剖切圖。圖2b中示出芯片的立體仰視反射和剖切圖。芯片10有圍 繞著一個(gè)彈性元件14的框架12。在這一實(shí)施例中，彈性元件14是圓的并且是起 一個(gè)膜片的作用。中心的剛性支柱16是聯(lián)接于彈性元件14并處在其中央。在膜 片14的平面頂側(cè)上有幾個(gè)區(qū)域18、 20、 22，其處分別有效地定位有機(jī)械應(yīng)力敏 感IC元件。IC元件18、 20、 22是定位在膜片鄰近框架12的周緣上，并且是電連接于接觸墊24、 26、 28、 30、 32，這種連接不用在膜片表面上的金屬導(dǎo)體。這 樣的構(gòu)造可使傳感器有較好的穩(wěn)定性。應(yīng)力敏感IC元件18、 20、 22也可以是定 位在膜片的其它區(qū)域，例如定位在區(qū)域19、 21、 23，如圖2a中所示。
這些應(yīng)力敏感元件占用芯片表面上的相當(dāng)小的區(qū)域。其上的大部分區(qū)域是用于 信號(hào)處理IC的集成?？蓪⑦@些IC定位在框架的區(qū)域ll，或定位在剛性支柱的區(qū) 域13上，或甚至定位在彈性元件的區(qū)域14上。由于應(yīng)力敏感元件的工藝過程與 標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝過程兼容，那么就可將任何用CMOS工藝過程制造的集成電 路集成在同一個(gè)芯片上。具體地說，這些集成的IC可提供這樣一些功能模擬信 號(hào)放大、模一數(shù)和數(shù)一模轉(zhuǎn)換、多路傳輸、信號(hào)處理、門邏輯、存儲(chǔ)、數(shù)字接口、 電源管理、編碼加密、壓縮和解壓、混合的信號(hào)處理、發(fā)送和接收無線信號(hào)、感 受除力之外的各種物理域和組合。
一個(gè)外部施加的力被傳遞到剛性支柱16，剛性支柱16的撓變可使彈性膜片元 件14產(chǎn)生變形和應(yīng)力，而變形和應(yīng)力可達(dá)到應(yīng)力敏感IC元件18、 20、 22的位置。 相對(duì)于施加的向量力的具體大小和方向，這些至少三個(gè)敏感IC元件可產(chǎn)生一個(gè)獨(dú) 特的信號(hào)組合。用集成的IC進(jìn)行標(biāo)定和處理傳感器信號(hào)使得能夠確定力向量的各 個(gè)分量的值，進(jìn)而確定外部施加的力的值和方向。
在圖2所示的另一實(shí)施例中，位于芯片10內(nèi)的剛性支柱16高出于框架12， 或者說，其高度尺寸大于框架12的厚度減去膜片14的厚度。這允許在橫向的X 和Y方向更有效地施加一個(gè)外力，提供高的靈敏度，以及簡化傳感器芯片的幾何 微結(jié)構(gòu)。由于不再需要附加的晶片和對(duì)應(yīng)的加工步驟，器件的制造成本因而將相 應(yīng)地大大降低。這一所述實(shí)施例的微結(jié)構(gòu)可增大傳感器對(duì)在所有三個(gè)正交方向施 加的向量力的靈敏度。力的這些分量可被直接傳遞到傳感器芯片的剛性支柱，進(jìn) 而傳遞到彈性元件和各敏感IC元件。
三維力傳感器作為輸入力控制器件的實(shí)際應(yīng)用中的挑戰(zhàn)是，剛性支柱16在半 導(dǎo)體類材料中的撓變是可忽略的。對(duì)施加的力的控制的心理響應(yīng)是基于施加的力，
或者說是例如施加在手指上的壓力。為了達(dá)到好的手指控制，需要有一定的撓變 范圍，這一范圍還應(yīng)能增大施加輸入信號(hào)匹配于施加的力的范圍的精度和器件的 靈敏度。
按照本發(fā)明的第三實(shí)施例，本發(fā)明的解決這一問題的一個(gè)方面表示于圖3。其 中給傳感器添加了一個(gè)有兩端的彈簧元件40。彈簧元件40的第一端聯(lián)接于傳感 器芯片10的剛性支柱16，而傳感器芯片IO有一個(gè)框架12和幾個(gè)接觸墊34。彈 簧元件40的第二端連接于可被施加外部力向量的按鈕42。彈簧元件40容易撓變， 這可增大運(yùn)動(dòng)或施加的力的范圍和輸入機(jī)械信號(hào)的精度。還有另一個(gè)好處，就是 彈簧元件40還有利于在設(shè)計(jì)傳感器芯片的微結(jié)構(gòu)中增大得到較好的得自可變剛 度的性能、可靠性和成本的機(jī)會(huì)。
如圖4所示，對(duì)于某些手指鼠標(biāo)應(yīng)用場(chǎng)合，需要有小而能作出響應(yīng)性撓變的按 鈕和輸入力控制器件。這可用本發(fā)明的另一實(shí)施例的扁平形狀的按鈕來滿足。傳 感器芯片10用接觸墊34結(jié)合于基片36。傳感器芯片10被包覆上彈性的塑料44
而形成所需要的按鈕形狀。
用例如手指46對(duì)彈性的按鈕施加一個(gè)外力。法向力和切向(sheer)力通過按 鈕的彈性材料被傳遞到剛性支柱16、彈性元件14并最終傳遞到各應(yīng)力敏感IC元 件，于是產(chǎn)生與施加的外力成比例的輸出電信號(hào)。
傳感器芯片的尺寸和塑料按鈕的彈性材料的粘性和彈性在很大程度上決定著 傳感器的響應(yīng)特性。彈性的塑料44直接從背部型面?zhèn)劝矀鞲衅餍酒?0并可充 滿框架12和剛性支柱16之間的空腔48。由一個(gè)力施加的法向力和切向力被通過 按鈕的彈性材料直接傳遞到剛性支柱16，進(jìn)而傳遞到各應(yīng)力敏感IC元件。
在許多應(yīng)用中， 一個(gè)力向量的X分量和Y分量是用于光標(biāo)在電子器件的屏幕 上的導(dǎo)航的。當(dāng)光標(biāo)的位置被選定了時(shí)，就按動(dòng)一下動(dòng)作按鈕。在大多數(shù)情況中， 這種動(dòng)作按鈕是獨(dú)立于X-Y光標(biāo)導(dǎo)航系統(tǒng)的，IBM Think Pad的手指點(diǎn)動(dòng)鼠標(biāo)中 就是這樣。特別是便攜式設(shè)備上的動(dòng)作按鈕最好是有機(jī)械反饋或機(jī)械點(diǎn)擊的功能， 以便由手指的觸覺來感受。所提出的手指力控制器件可把X、 Y、 Z控制功能組合 在一個(gè)三維傳感器里，Z控制可用作一個(gè)動(dòng)作按鈕而不再需要用一個(gè)單獨(dú)的控制 動(dòng)作按鈕。按照本發(fā)明的第五實(shí)施例，可在這一器件上結(jié)合機(jī)械點(diǎn)擊反饋功能， 如圖5所示。
傳感器芯片10用接觸墊34結(jié)合于基片36。傳感器芯片10被彈性的塑料44 包覆而形成所需要的按鈕形狀。由例如手指46對(duì)彈性的按鈕施加外力。法向力和 切向力通過按鈕的彈性材料被傳遞到剛性支柱16、彈性元件14并最終傳遞到各 應(yīng)力敏感IC元件，于是這些元件產(chǎn)生與外力的X和Y分量成比例的輸出電信號(hào)。
在彈性塑料按鈕的頂部，觸覺機(jī)械反饋允許感受對(duì)被按壓的按鈕的點(diǎn)擊，這是 因?yàn)樗邢旅嬗幸粋€(gè)空腔52的彈性殼結(jié)構(gòu)50。殼結(jié)構(gòu)50在被從頂上按壓時(shí)，它 略微塌扁一點(diǎn)，保持連續(xù)性但發(fā)出一個(gè)可被手指46感知的點(diǎn)擊感覺。這個(gè)彈性殼 可以用包括金屬和塑料的不同材料制造。塌扁作用不僅產(chǎn)生一個(gè)觸覺反饋信號(hào)而
且也在各機(jī)械敏感元件中產(chǎn)生短的脈沖，這些脈沖可用作啟動(dòng)某個(gè)電子動(dòng)作的信
號(hào)
按照本發(fā)明的第六實(shí)施例，如圖6中所示，能夠提供所要求的撓變和靈敏度范 圍的彈簧元件54可用彈性的塑料制造。在這一實(shí)施例中，傳感器芯片10和剛性 的力傳遞支柱16是安裝在居間的基片53上，基片設(shè)有接觸墊54。彈性的塑料包 封材料55包覆著上述各元件并形成一個(gè)可撓變的突頭。突頭56的伸出端用作觸 覺接觸的按鈕。由手指46對(duì)按鈕56施加的外力可使突頭55彎曲而在傳感器芯片 和剛性的力傳遞支柱16之間的器件底部區(qū)域58里的塑料內(nèi)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力和變形。 這種誘導(dǎo)的應(yīng)力被傳遞到傳感器芯片并最終傳遞到各應(yīng)力敏感IC元件。這種微動(dòng) 操縱桿設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，由于其結(jié)構(gòu)簡單和可采用現(xiàn)己高度發(fā)展的批量制造技術(shù)，可使 生產(chǎn)成本大大降低。
塑料的彈性手指操縱桿的另一實(shí)施例表示于圖7，它在操作桿的突出端有一個(gè) 平頭60。這一塑料的操縱桿62，按照用途和要求，可制成有各種不同的形狀、顏 色和彈性。在這一實(shí)施例中，傳感器芯片10是直接安裝于一個(gè)電子器件的PCB36。
在應(yīng)用于計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)時(shí)，與應(yīng)用于大型操縱桿相比，往往需要小的按鈕撓變， 但輸入控制器件的高度可能是決定性的。對(duì)于這類應(yīng)用，如圖8所示，可按照另 一實(shí)施例，將用以提供所需要的撓變范圍和靈敏度范圍的彈簧元件制成為一個(gè)低 型面的有兩個(gè)脊錐骨形的可搖擺的結(jié)構(gòu)。這里，帶有剛性的力傳遞支柱16的傳感 器芯片10是安裝在基片36上。彈性的塑料64包覆著所有上述元件而形成一個(gè)可 撓變的頸部66。這個(gè)按鈕的頂面覆蓋有一層硬的塑料68，用作施加外力的表面。 由例如手指46施加于按鈕硬頂層的力可使按鈕64搖擺，而使傳感器芯片10和剛 性的力傳遞支柱16之間的頸部區(qū)域66的塑料里產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力和撓變。這個(gè)應(yīng)力 被傳遞到傳感器芯片并最終傳遞到各應(yīng)力敏感IC元件。
圖9表示出一個(gè)可撓曲的平頭手指力控制器件。根據(jù)本發(fā)明的該另一實(shí)施例， 它包括一個(gè)可搖擺的彈性的塑料按鈕64，其直接地聯(lián)接于力傳感器芯片的剛性力 傳遞支柱16并包括一個(gè)在按鈕表面68上的觸覺機(jī)械反饋機(jī)構(gòu)70，以供感受對(duì)被 按壓按鈕的點(diǎn)擊。
在塑料按鈕64的頂部，設(shè)置有允許感受對(duì)被按壓的按鈕的點(diǎn)擊的觸覺機(jī)械反 饋機(jī)構(gòu)70。該反饋機(jī)構(gòu)有一個(gè)彈性殼結(jié)構(gòu)70，其下面有一個(gè)空腔72。在殼結(jié)構(gòu) 被從頂上按壓時(shí)，它到達(dá)其后就塌扁的臨界程度，而在施加力的手指46上點(diǎn)擊感 覺。這個(gè)彈性殼可以用包括金屬和塑料的不同材料制造。這種點(diǎn)擊動(dòng)作不僅產(chǎn)生
觸覺反饋，而且在各機(jī)械敏感元件產(chǎn)生短的脈沖，這些脈沖可用作啟動(dòng)其它可編 程的動(dòng)作的信號(hào)。
便攜式設(shè)備的許多應(yīng)用和設(shè)計(jì)需要用各種尺寸、形狀、顏色和材料的控制按鈕， 同時(shí)應(yīng)保持所要求的功能。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，可采用如圖io所示的一種 可拆卸的按鈕。
這種手指力控制器件有一個(gè)直接連接于傳感器芯片10的彈性材料包封件80，
而傳感器芯片IO包括剛性的力傳遞支柱16。該器件還包括用以連接于不同的按 鈕88的結(jié)構(gòu)84、 86。這些按鈕88也有對(duì)應(yīng)的匹配結(jié)構(gòu)90、 92，以便連接于包封 件80。按鈕88的外部設(shè)計(jì)取決于具體的應(yīng)用要求。按鈕88可以是一個(gè)獨(dú)立的零 件，也可被集成在便攜式設(shè)備的鍵盤的墊塊94內(nèi)。
在某些應(yīng)用中，剛性的支柱16的小的表面尺寸不大可能建立支柱和附連的按 鈕的塑料之間的長期的牢固結(jié)合。對(duì)此，可按照本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例，如圖ll 所示的那樣，通過增加一個(gè)附加的力傳遞元件35來增大剛性的支柱的表面。這個(gè) 力傳遞元件可具有剛性的支柱可插入的一孔，并且通過粘結(jié)劑或釬焊或其它固定 方法機(jī)械地連接于支柱。這個(gè)力傳遞元件可以用不同的材料例如塑料、金屬、半 導(dǎo)體、陶瓷、等等制造。也可將其以一種批量制造方式連接于并結(jié)合于支柱，例 如結(jié)合于整個(gè)晶片或同時(shí)結(jié)合于多個(gè)晶片。
附加的力傳遞元件35可用作彈性殼39的安裝平臺(tái)，如圖11所示?？梢杂米?動(dòng)化的拿取和放置設(shè)備把彈性殼39 —個(gè)一個(gè)地安裝在力傳遞元件的表面上，或者 以批量制造的方式進(jìn)行安裝。
可以有不同的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。其中之一將帶有附加的力傳遞元件的基片結(jié)合于力傳 感器芯片的晶片，然后結(jié)合于彈性殼的基片。另一種設(shè)計(jì)是先將帶有附加的力傳 遞元件的基片結(jié)合于彈性殼的基片，然后結(jié)合于帶有力傳感器芯片的晶片。傳感 器芯片、附加的力傳遞元件和彈性殼在從晶片一體之后，都用塑料44包覆起來， 如圖11所示，而形成一個(gè)外部力傳遞元件，以供與例如手指46之類的外力接觸。
按照本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例，可將附加的力傳遞元件35的形狀做得更復(fù)雜一 些，如圖12所示。這個(gè)力傳遞元件35也可用包括塑料、金屬、半導(dǎo)體、陶瓷等 等的各種材料制造。也可將其在晶片那一級(jí)以批量制造的方式連接于并結(jié)合于支 柱。
在再一個(gè)實(shí)施例中，附加的力傳遞元件35有一個(gè)用以接納剛性支柱16的空腔 41，以便于用粘結(jié)材料43粘結(jié)剛性支柱16。設(shè)有一個(gè)部分45,該部分45可插進(jìn)剛性支柱16附近的溝槽47并有幾個(gè)好處。首先，它可增大與支柱的連接表面，
從而增強(qiáng)這一器件的結(jié)合和可靠性。其次，它可防止塑料64在注塑模制外部力傳 遞元件的過程中進(jìn)入溝槽47。第三，它作為一個(gè)附加的止動(dòng)檔，可限制X、 Y、 Z 方向的機(jī)械過載。 .
附加的力傳遞元件35的表面可以設(shè)有空腔或隆起49、 51，用以增強(qiáng)其與外部 力傳遞元件的塑料64的結(jié)合。其可提供更高的可靠性。
用單個(gè)基片以最低的成本制造三維力傳感器是最大的挑戰(zhàn)。在批量制造傳感器 芯片方面有幾種選擇。
圖13a—13d表示出本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例的制造方法。圖13a表示的初始硅 基片100有第一表面101和第二表面102。首先讓這個(gè)晶片經(jīng)歷標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工 藝過程，來制造IC電路104、敏感元件106和接觸墊108，如圖13b所示。在標(biāo) 準(zhǔn)的CMOS工藝過程之后，在晶片的第二側(cè)面上沉積一個(gè)掩蓋層103。從晶片的 第二側(cè)面進(jìn)行雙面平版印刷，敞開彈性元件110，留下框架和剛性的支柱上的掩 蓋層111，如圖13c所示。接著，從晶片的背側(cè)對(duì)硅晶片進(jìn)行深度地局部蝕刻， 以形成溝槽112,溝槽的深度達(dá)到彈性元件113的設(shè)計(jì)尺寸。局部蝕刻可以用本 技術(shù)領(lǐng)域已知的干式或濕式蝕刻方法進(jìn)行，例如通過RIE (活性離子腐蝕)、干 式等離子蝕刻、電火花加工、濕式各向同性的和各向異性的蝕刻等等。在從晶片 的背側(cè)局部地除去框架元件114的一些硅材料之后，如圖13d所示。結(jié)果，剛性 支柱116的高度尺寸變成大于框架114的余下的厚度減去彈性元件113的厚度。 從框架區(qū)域除去硅材料的最后步驟可以用不同的手段來進(jìn)行，包括機(jī)械銑削、電 火花加工、磨料磨削和不同類型的蝕刻，干式和濕式的。
圖14a—14d表示出本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例的制造方法。圖14a表示出初始硅 基片100，它具有前表面(第一側(cè)面)101和背表面(第二側(cè)面)102。首先讓這 個(gè)晶片經(jīng)歷標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝過程，而制造出IC電路104、敏感元件106和接觸 墊108，如圖14a所示。在標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝過程之后，在晶片的背側(cè)沉積一個(gè) 掩蓋層lll。從晶片的背側(cè)進(jìn)行雙面平版印刷，敞開彈性元件110，并留下框架上 的掩蓋層111和剛性支柱上的掩蓋層115，如圖14b所示。接著，從晶片的背側(cè) 對(duì)硅晶片進(jìn)行深度局部蝕刻，以形成溝槽112，使溝槽的深度等于框架的最終厚 度和彈性元件113的設(shè)計(jì)厚度之間的差值。這種局部蝕刻可以用本技術(shù)領(lǐng)域已知 的不同類型的干式或濕式蝕刻方法進(jìn)行，例如RIE、干式等離子蝕刻、電火花加 工、濕式各向同性的和各向異性的蝕刻等等。接著，除去框架元件118上的掩蓋層111，如圖14C所示。從晶片的背側(cè)進(jìn)行蝕刻的過程繼續(xù)蝕刻彈性元件并同時(shí) 地繼續(xù)蝕刻框架元件，如圖14d所示。結(jié)果，剛性支柱116的高度尺寸變成大于
框架114的余下的厚度減去彈性元件113的厚度，而這個(gè)彈性元件的厚度達(dá)到設(shè)
計(jì)厚度。從彈性元件和框架元件除去硅材料的步驟可以用各種手段來進(jìn)行，包括
不同類型的蝕刻，干式的和濕式的，例如用RIE。
圖15a—15d表示出本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例的制造方法。圖15a表示出硅基片 100有前表面101和背表面102，且所示為硅基片在CMOS工藝過程完成，且蝕 刻出圍繞剛性支柱116的溝槽112而形成彈性元件113之后的情況。在一個(gè)掩蓋 層120沉積在晶片的背側(cè)上之后，就掩蓋了溝槽的側(cè)壁和彈性元件113的表面， 如圖15b所示。下一個(gè)步驟是除去框架區(qū)域118上的掩蓋層，如圖15c所示，而 留下剛性支柱和溝槽上的包括彈性元件113的背表面上的掩蓋層115和120。接 著，從晶片的背側(cè)局部地除去框架區(qū)域上的硅材料，如圖15d所示。結(jié)果，剛性 支柱116的高度尺寸變成大于框架114的余下的厚度減去彈性元件113的厚度。 從框架區(qū)域除去硅材料的這一最后步驟可以用各種手段來進(jìn)行，包括不同類型的 蝕刻，干式的和濕式的。
上述各種方法中的諸多挑戰(zhàn)之一是，在某種型面已經(jīng)制成在晶片的背側(cè)上時(shí)， 如何除去框架元件上的掩蓋層。這可按照本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例來這樣地做到， 就是用互相之間有蝕刻選擇性的兩種掩蓋材料來掩蓋晶片的背側(cè)，然后對(duì)晶片背 側(cè)的初始平表面進(jìn)行兩次平版印刷。
圖16表示出在CMOS工藝過程之后的有前表面101和背表面102的硅基片 100。接著，在晶片的背側(cè)上沉積兩個(gè)掩蓋層122和124，如圖16a所示。掩蓋層 124可相對(duì)掩蓋層122增加高度的蝕刻選擇性。下一個(gè)步驟是除去框架元件和彈 性元件上的掩蓋層124，只留下剛性支柱上的掩蓋層124，如圖16b所示。隨后進(jìn) 行第二次平版印刷工藝，在掩蓋層122中敞開彈性元件110，如圖16c所示。結(jié) 果，晶片的背側(cè)有三個(gè)不同的被蝕刻元件沒有掩蓋層的區(qū)域110、被一個(gè)掩蓋 層122掩蓋的框架元件、以及被兩個(gè)掩蓋層122和124掩蓋的剛性支柱。接著， 通過掩蓋層122和124在彈性元件中對(duì)硅材料進(jìn)行局部蝕刻以達(dá)到預(yù)定的深度。 隨后蝕刻掉框架元件128上的掩蓋層122，留下剛性支柱上的掩蓋層124，如圖 16d所示。下一個(gè)步驟是同時(shí)地蝕刻框架和彈性元件，如圖16e所示。結(jié)果，:剛 性支柱134的高度尺寸變成大于框架132的余下的厚度減去彈性元件130的厚度， 而突出于基片。
本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例的在晶片的背側(cè)采用雙掩蓋工藝的另一個(gè)工藝過程表
示于圖17a—17e。圖17a表示出在CMOS工藝過程之后的具有前表面101和背表 面102的硅基片100。接著，在晶片的背側(cè)102上沉積掩蓋層136，如圖17a所示。 下一個(gè)步驟是除去框架和彈性元件上的掩蓋層136，只留下剛性支柱上的掩蓋層 136，如圖17b所示。隨后進(jìn)行第二次平版印刷，敞開彈性元件110，如圖17c所 示。結(jié)果，晶片的背側(cè)有三個(gè)不同的區(qū)域沒有掩蓋層的區(qū)域110、有光刻膠層 138掩蓋的框架元件100、以及有掩蓋層136掩蓋的剛性支柱。在下一個(gè)步驟，通 過掩蓋層136和138在彈性元件區(qū)域處將硅材料局部地蝕刻到一個(gè)預(yù)定的深度。 接下來，蝕刻掉框架128上的光刻膠掩蓋層138，留下剛性支柱上的掩蓋層136， 如圖17d所示。最后的步驟是同時(shí)地對(duì)框架和彈性元件進(jìn)行蝕刻，如圖17e所示。 結(jié)果，剛性支柱134的高度尺寸變成大于框架132的余下的厚度減去彈性元件130 的厚度。
按照本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例，圍繞剛性支柱的溝槽的深度蝕刻也蝕刻掉晶片厚 度的很大一部分，這種工藝過程也可用于從晶片劃分芯片，而不用常規(guī)的切塊方 法，這可降低這種器件的總成本。
圖18a表示出一個(gè)在CMOS工藝過程之后的硅基片100，在這個(gè)晶片的背側(cè)， 剛性支柱被掩蓋層136掩蓋。隨后進(jìn)行第二次平版印刷，敞開彈性元件110和切 塊溝槽140，如圖18b所示。結(jié)果，這個(gè)晶片的背側(cè)有四個(gè)不同的區(qū)域沒有掩 蓋層的彈性元件的區(qū)域110、沒有被掩蓋層的切塊溝槽140、被光刻膠層138掩蓋 的框架、以及被掩蓋層136掩蓋的剛性支柱。在下一個(gè)步驟，通過掩蓋層136和 138，在彈性元件126和切塊溝槽142處將硅材料局部地蝕刻到一個(gè)預(yù)定的深度。 接著，蝕刻掉框架區(qū)域144上的光刻膠掩蓋層138，留下剛性支柱上的掩蓋層136， 如圖18c所示。對(duì)框架、彈性元件和切塊溝槽同時(shí)地進(jìn)行蝕刻，如圖18d所示。 結(jié)果，剛性支柱134的高度尺寸變成從基片上突出，高于框架132的余下的厚度。 這就與做出從晶片劃分芯片的切塊溝槽146同時(shí)地進(jìn)行了。
圖19表示出再一個(gè)實(shí)施例的制造過程中的附加步驟。用這些步驟可制造一個(gè) 附加的力傳遞元件150，如圖19中所示。與剛性支柱134的表面相比，這個(gè)力傳 遞元件有更大的表面。這有利于支柱和這個(gè)芯片的頂上的塑料之間的長期強(qiáng)固結(jié)
圖19表示出制造完成的傳感器晶片，其剛性支柱從基片晶片的表面突出。然 后把機(jī)械的基片149對(duì)準(zhǔn)傳感器晶片129，使支柱134插進(jìn)基片149上的聯(lián)湊扎 153。然后用材料154、 156使這兩個(gè)晶片結(jié)合在一起。這些材料可以是粘結(jié)劑、 釬焊劑、或能夠形成這兩個(gè)晶片之間的強(qiáng)固和剛性結(jié)合的其它材料。可把各個(gè)元 件150在晶片這一級(jí)用槽和橋組合152互相分開，如圖19b中所示。這些槽和橋 是制出在基片上，與制出用以匹配于支柱的孔一樣。在這時(shí)，可將結(jié)合在一起的 晶片切塊，并在芯片的頂部包覆上塑料，以形成外部力傳遞元件。
作為這一實(shí)施例的繼續(xù)，圖19c表示出這一制造工藝過程中的附加步驟。這些 步驟包括安裝彈性殼158，如圖19c中所示。這些彈性殼158可安裝在力傳遞元 件150的表面上，可以用自動(dòng)化的拿取和放置設(shè)備一個(gè)一個(gè)地安裝或以批量制造 方式安裝。接下來，可把帶有若干彈性殼的結(jié)合在一起的晶片切塊，和/或在批量 制造過程中在芯片的頂部包覆上塑料，以形成外部力傳遞元件。
圖20表示出本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例的制造工藝過程的末端工序。圖20a表示 出制造完成的傳感器晶片，其剛性支柱從晶片的表面突出。制備了一個(gè)機(jī)械的基 片或稱晶片161。這個(gè)基片161可用例如塑料、金屬、半導(dǎo)體、陶瓷等等不同的 材料制成。這個(gè)機(jī)械的基片的至少一個(gè)表面已被做成這樣的型面，就是其上成形 有用于接納剛性支柱134的空腔166。其它微結(jié)構(gòu)元件諸如突脊168、空腔172、 空腔或溝槽170、以及其它設(shè)計(jì)的微結(jié)構(gòu)元件都可與用于接納支柱134的空腔166 同時(shí)制成。把這個(gè)機(jī)械的基片161對(duì)準(zhǔn)傳感器晶片129，使支柱134插進(jìn)機(jī)械基 片161的空腔166?？涨?66的深度、支柱134的高度和結(jié)合材料164的厚度一 起決定著傳感器晶片129的框架和附加的力傳遞元件162之間的間隙165。同時(shí)， 突脊168插進(jìn)支柱134周圍的閉合溝槽131。在下一個(gè)步驟，用結(jié)合材料164把 這兩個(gè)晶片結(jié)合在一起。結(jié)合材料可以是不同種類的粘結(jié)劑或釬焊劑、或能夠形 成這兩個(gè)晶片之間的強(qiáng)固和剛性結(jié)合的其它材料?？砂迅鱾€(gè)元件162在基片這一 級(jí)用槽和橋組合174互相分開，如圖20b中所示。這些槽和橋是在制成其它微結(jié) 構(gòu)元件166、 168、 170、 172的同時(shí)制成在機(jī)械的基片上的。在這一階段，可將結(jié) 合在一起的晶片切塊，然后以批量制造的方式在芯片的頂上包覆塑料176，以制 成外部力傳遞元件，如圖20c所示。在注塑模制外部力傳遞元件的塑料176的過 程中，塑料會(huì)進(jìn)入空腔170、 172而形成與附加的力傳遞元件162強(qiáng)固而可靠的機(jī) 械連接。同時(shí)，很小的間隙165和突脊168可防止塑料176進(jìn)入支柱134周圍的 閉合溝槽131。
應(yīng)該注意到，本發(fā)明的在一個(gè)公共基片上制造若干器件的方法有一些特有的優(yōu) 點(diǎn)，可集成其它的模擬和數(shù)字電路，這些電路可提供但不限于這樣一些功能模
擬信號(hào)放大、模一數(shù)和數(shù)一模轉(zhuǎn)換、多路傳輸、信號(hào)處理、門邏輯、存儲(chǔ)、數(shù)字 接口、電源管理、編碼加密、壓縮和解壓、混合的信號(hào)處理、發(fā)送和接收無線信 號(hào)、感受除力之外的各種物理域和組合。
應(yīng)能理解，以上說明的芯片的微結(jié)構(gòu)、手指鼠標(biāo)的結(jié)構(gòu)、手指按鈕和微動(dòng)操縱 桿以及它們的制造方法不對(duì)本發(fā)明構(gòu)成限制，只是圖解地描述了本發(fā)明涵蓋的各 種技術(shù)方法中的某一些而已。盡管已經(jīng)結(jié)合各優(yōu)選實(shí)施例詳細(xì)描述了本發(fā)明，但 是應(yīng)能理解，在本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)和范圍內(nèi)可以做出這些實(shí)施例的各種改變和變 型。
所以，盡管已經(jīng)以有限數(shù)目的實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人 在本發(fā)明的幫助下能夠理解，在本文揭示的本發(fā)明的范圍內(nèi)，可以設(shè)想出其它的 實(shí)施例。本發(fā)明的其它方面已經(jīng)在本說明書中并將在權(quán)利要求書顯現(xiàn)出來。
權(quán)利要求
1.一種在單個(gè)基片上的用于感受向量力并將其轉(zhuǎn)換成用于處理的電信號(hào)的三維力輸入控制器件，該控制器件包括傳感器芯片，該傳感器芯片能感受施加于該芯片內(nèi)的剛性支柱的力的量值和方向，并且還包括聯(lián)接于力傳遞剛性支柱的彈性元件、聯(lián)接于所述彈性元件的周緣的芯片框架、在所述彈性元件上的應(yīng)力敏感元件、信號(hào)處理IC，芯片電聯(lián)接于所述基片，其中，所述芯片的所有元件都形成在單個(gè)半導(dǎo)體基片上。
2. 如權(quán)利要求l所述的用于感受向量力的三維力輸入控制器件，其特征在于， 它還包括包覆著傳感器芯片的外部力傳遞元件，該外部力傳遞元件感知外力并將外力傳 遞到傳感器芯片的剛性支柱，所述傳感器芯片根據(jù)被施加的力的量值和方向產(chǎn)生 一組輸出信號(hào)。其中，所述外部力傳遞元件用容易被以批量方式施加于多個(gè)傳感器芯片的材料 來制造，所述材料選自主要包括下列材料的材料組塑料、彈性材料、橡膠類材 料、以上材料的組合、以及能滿足上述要求的任何其它材料。
3. —種在單個(gè)基片上的用于感受向量力并將其轉(zhuǎn)換成用于處理的電信號(hào)的三 維力輸入控制器件，該控制器件包括形成在單個(gè)半導(dǎo)體基片內(nèi)的傳感器芯片； 在所述半導(dǎo)體基片內(nèi)的彈性元件；框架，該框架圍繞著所述彈性元件形成并聯(lián)接于完全在所述基片內(nèi)的所述彈性 元件的周緣的至少一部分；定位在所述彈性元件中的至少三個(gè)機(jī)械應(yīng)力敏感IC元件，用于提供與所述IC元件所在位置內(nèi)的機(jī)械應(yīng)力成比例的輸出電信號(hào)；至少一個(gè)成形在初始基片上的剛性支柱，該支柱聯(lián)接于所述彈性元件并可把外部的向量力傳遞到所述彈性元件進(jìn)而傳遞到所述IC元件，所述IC元件產(chǎn)生輸出 電信號(hào)；其中，所述剛性支柱的高度大于所述框架的厚度和所述彈性元件的厚度之間的差值。
4. 如權(quán)利要求3所述的力輸入器件，其特征在于，所述半導(dǎo)體基片是用選自 主要包括下列材料的材料組中的材料制造的硅、鍺、碳化硅、金剛石類的碳、砷化鎵、氮化鎵、磷化銦、以及元素周期表的m、 IV和V族中的元素。
5. 如權(quán)利要求3所述的力輸入器件，其特征在于，所述半導(dǎo)體基片上的所述 彈性元件有環(huán)形的或n邊多邊形的幾何形狀和均勻的厚度，并且該厚度小于毗鄰的所述框架元件的厚度，所述剛性支柱位于所述彈性元件的中央?yún)^(qū)域。
6. 如權(quán)利要求3所述的力輸入器件，其特征在于，它還包括具有不均勻厚度 的彈性元件。
7. 如權(quán)利要求3所述的力輸入器件，其特征在于，它還包括在其厚度尺寸內(nèi) 有至少一個(gè)穿透部分的彈性元件。
8. 如權(quán)利要求3所述的力輸入器件，其特征在于，它還包括至少一個(gè)定位在 所述彈性元件上的應(yīng)力集中元件，該應(yīng)力集中元件的形狀選自主要包括下列形狀 的一組形狀V形槽、梯形槽、側(cè)壁與所述膜片的表面形成約90。角的槽以及組合。
9. 如權(quán)利要求3所述的力輸入器件，其特征在于，它還包括形狀選自下列一組形狀的剛性支柱元件圓錐體、圓柱體、半球體、球體、多面錐體、多面柱體、 多面半球體、多面球體以及組合。
10. 如權(quán)利要求3所述的力輸入器件，其特征在于，它還包括有至少一種不均勻結(jié)構(gòu)的剛性支柱元件，這種不均勻性選自下列一組不均勻結(jié)構(gòu)空腔、溝槽、 孔、高臺(tái)、突脊、橋、懸臂、負(fù)的斜坡區(qū)域以及它們的組合。
11. 如權(quán)利要求3所述的力輸入器件，其特征在于，它還包括把所述外力耦合到所述剛性支柱元件的彈簧元件，該彈簧元件選自主要包括下列彈回元件的一組彈簧元件彈簧、薄梁、金屬絲、彈性的塑料按鈕、彈性的塑料桿、彈性的塑料 搖擺按鈕、像脊椎骨那樣的結(jié)構(gòu)、帶有機(jī)械反饋的彈性拱頂、內(nèi)部充滿液體的塑 料殼、充滿膠體的塑料殼、彈性材料按鈕或它們的組合。
12. 如權(quán)利要求3所述的力輸入器件，其特征在于，它還包括至少一個(gè)應(yīng)力敏感IC元件，該元件選自主要包括下列應(yīng)力敏感IC元件的一組元件壓敏電阻器、pn結(jié)、隧道二極管、肖特基二極管、剪切應(yīng)力元件、壓阻惠斯登電橋、MOS晶 體管、CMOS晶體管的互補(bǔ)對(duì)、雙極晶體管、p—n—p和n—p—n雙極晶體管對(duì)、 雙極晶體管和連接于它的至少一個(gè)壓敏電阻器、MOS晶體管和連接于它的至少一 個(gè)壓敏電阻器、雙極晶體管電路、以及CMOS晶體管電路或組合。
13. 如權(quán)利要求3所述的力輸入器件，其特征在于，它還包括可提供主要包括 下列功能的一組功能中的功能的電子電路模擬信號(hào)放大、模一數(shù)和數(shù)一模轉(zhuǎn)換、 多路傳輸、信號(hào)處理、門邏輯、存儲(chǔ)、數(shù)字接口、電源管理、編碼加密、壓縮和 解壓、混合的信號(hào)處理、發(fā)送和接收無線信號(hào)、感受除力之外的各種物理域以及 它們的組合。
14. 如權(quán)利要求3所述的力輸入器件，其特征在于，它還包括連接于所述剛性 支柱的頂部的附加的力傳遞元件，該附加的力傳遞元件提供的表面面積比所述剛 性支柱的頂部的表面面積大，用于與外部力傳遞元件更好地連接，用于從所述剛 性支柱那一側(cè)保護(hù)所述彈性元件，該附加的力傳遞元件用選自下列一組材料的材 料制造塑料、金屬、半導(dǎo)體、陶瓷、玻璃以及它們的組合。
15. 如權(quán)利要求3所述的力輸入器件，其特征在于，它還包括連接于所述剛性 支柱的頂部和所述彈性殼的附加的剛性力傳遞元件，所述彈性殼用于產(chǎn)生機(jī)械反 饋機(jī)，使得可感受對(duì)被按壓的按鈕的點(diǎn)擊并發(fā)出用于啟動(dòng)所要求的電子動(dòng)作的信號(hào)
16. 如權(quán)利要求3所述的力輸入器件，其特征在于，它還包括連接于所述剛性 支柱的頂部的附加的剛性力傳遞元件，該附加的剛性力傳遞元件設(shè)有附加的空腔、 溝槽、隆起和突脊，用于更好地結(jié)合于所述外部力傳遞元件、用于保護(hù)所述彈性 元件以及用于附加的機(jī)械過載保護(hù)。
17. —種用于制造一種在單個(gè)基片上的用于感受向量力并將其轉(zhuǎn)換成用于處理的電信號(hào)的三維力輸入控制器件的方法，該方法包括以下步驟準(zhǔn)備有第一側(cè)面和第二側(cè)面的半導(dǎo)體基片；在所述基片的第一側(cè)面上制造應(yīng)力敏感IC元件和信號(hào)處理IC;在所述基片的第二側(cè)面上制造閉合的溝槽，這些溝槽形成限定彈性元件、框架 區(qū)域以及剛性支柱的界線；以及在所述框架區(qū)域從所述基片的第二側(cè)面除去附加的基片材料，使所述剛性支柱 的尺寸從所述第二側(cè)面突出并大于所述框架區(qū)域的余下的厚度尺寸減去所述彈性 元件的厚度，這樣就使所述剛性支柱從所述基片突伸出而便于聯(lián)接于外部力傳遞元件或便 于接受外部機(jī)械力。
18. 如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，從所述第二側(cè)面的框架元件除去所述基片的一部分的所述步驟是采用選自主要包括下列工藝過程的一組工藝過 程中的工藝過程來完成的選擇性的蝕刻、機(jī)械切削、激光切削以及組合。
19. 如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，在芯片區(qū)域內(nèi)在所述基片的第 二側(cè)面上制造閉合的溝槽的所述步驟還包括以下步驟在所述基片的第二側(cè)面上沉積保護(hù)性掩蓋層； 用光刻工藝限定所述剛性支柱、彈性元件和框架區(qū)域的圖形； 從所述彈性元件區(qū)域除去掩蓋層；以及 從所述彈性元件的第二側(cè)面將基片蝕刻到選擇的厚度。
20. 如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，在芯片區(qū)域內(nèi)在所述基片的第 二側(cè)面上制造閉合的溝槽的所述步驟和在所述框架元件處從所述基片的第二側(cè)面 除去所述基片的一部分的所述步驟還包括以下步驟在所述基片的第二側(cè)面上沉積至少一個(gè)保護(hù)性掩蓋層； 用光刻工藝在所述基片上限定所述剛性支柱、彈性元件和框架區(qū)域的圖形； 從所述彈性元件區(qū)域除去所述掩蓋層；通過所述剛性支柱上的掩蓋層和所述框架元件上的光刻膠層，在所述彈性元件 處從第二側(cè)面將基片蝕刻到所述框架和所述彈性元件的最終厚度之間的深度尺 寸。從所述框架區(qū)域除去掩蓋層；以及將所述基片的第二側(cè)面的彈性元件和所述框架蝕刻到所述彈性元件的預(yù)定的厚度。
21. 如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，在每個(gè)芯片區(qū)域內(nèi)在所述基片 的第二側(cè)面上制造閉合的溝槽的所述步驟和在所述框架元件處從第二側(cè)面除去所述基片的一些材料的所述步驟還包括以下步驟 在所述基片上沉積第一保護(hù)性掩蓋層； 用光刻工藝限定并保護(hù)所述剛性支柱的圖形； 從所述彈性框架元件除去所述第一掩蓋層； 在所述基片上沉積第二保護(hù)性掩蓋層； 用光刻工藝限定所述彈性元件的圖形； 從所述彈性元件除去所述第二掩蓋層； 從所述基片的第二側(cè)面將彈性元件蝕刻到一定的深度； 從所述框架元件除去第二掩蓋層；以及從所述基片的第二側(cè)面將彈性元件和框架元件蝕刻到所述彈性元件的選擇的 厚度。
22. 如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，在每個(gè)芯片區(qū)域內(nèi)在所述基片 的第二側(cè)面上制造閉合的溝槽的所述步驟和在所述框架區(qū)域從所述基片的第二側(cè) 面除去基片的一部分的所述步驟還包括以下步驟在所述基片上沉積保護(hù)性掩蓋層；用光刻工藝限定所述剛性支柱、彈性元件和框架元件的圖形；從彈性元件除去掩蓋層；將所述彈性元件蝕刻到選擇的厚度；在所述基片包括所述溝槽和彈性元件上沉積保護(hù)性掩蓋層； 從所述框架元件除去掩蓋層；以及 將基片框架元件蝕刻到選擇的厚度。
23. 如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，在芯片區(qū)域內(nèi)在所述基片的第 二側(cè)面上制造閉合的溝槽的所述步驟和在所述框架元件處從所述第二側(cè)面除去所 述基片的一部分的所述步驟還包括以下步驟在所述基片上沉積第一保護(hù)性掩蓋層；在所述基片上沉積對(duì)所述第一掩蓋層有蝕刻率選擇性的第二保護(hù)性掩蓋層；用光刻工藝在所述第二掩蓋層上限定所述剛性支柱的圖形；從所述彈性元件和所述框架元件除去第二掩蓋層；用光刻工藝在所述第一掩蓋層上限定所述彈性元件和所述框架元件的圖形； 從所述彈性元件除去所述第一掩蓋層；從第二側(cè)面在所述彈性元件區(qū)域處將基片蝕刻到選擇的厚度； 從所述框架元件除去第一掩蓋層而留下所述剛性支柱元件上的所述第二掩蓋層；從所述基片的所述第二側(cè)面將所述彈性元件和所述框架元件蝕刻到所述彈性 元件的預(yù)先選擇的厚度。
24. 如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，在芯片區(qū)域內(nèi)在所述基片的第 二側(cè)面上制造閉合的溝槽的所述步驟和在所述框架元件從所述第二側(cè)面除去所述 基片的一部分的所述步驟還包括以下步驟在所述基片上沉積保護(hù)性掩蓋層；用光刻工藝在所述掩蓋層上限定所述剛性支柱元件的圖形； 用光刻工藝限定所述彈性元件和所述框架元件的圖形；通過所述剛性支柱元件上的所述掩蓋層和所述框架元件上的所述光刻膠層，從 第二側(cè)面在所述彈性元件處將基片蝕刻到所述框架的最終厚度和所述彈性元件的 厚度之間差值的深度尺寸；從所述框架元件除去光刻膠掩蓋層；從第二側(cè)面在所述彈性元件和所述框架元件處將基片蝕刻到所述彈性元件的 選擇的厚度。
25. 如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，它還包括從所述晶片基片分出 芯片的工藝過程，該過程包括以下步驟在所述基片的第二側(cè)面上沉積保護(hù)性掩蓋層； 用光刻工藝在所述掩蓋層上限定所述剛性支柱元件的圖形； 用光刻工藝限定所述彈性元件和所述框架元件以及劃分芯片的溝槽的圖形； 利用在所述剛性支柱上的防蝕刻保護(hù)性掩蓋層和所述框架元件上的防蝕刻光刻膠層，從所述基片的第二側(cè)面在所述彈性元件和劃分芯片的溝槽處將基片蝕刻到選擇的厚度；從所述框架元件除去光刻膠掩蓋層；以及從第二側(cè)面在彈性元件和框架元件以及劃分芯片的溝槽處將基片蝕刻到所述 彈性元件的預(yù)定的厚度。
26. 如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，它還包括以下步驟 把另外一個(gè)機(jī)械加工的基片對(duì)準(zhǔn)原來的那個(gè)基片； 把這兩個(gè)基片互相結(jié)合在一起；以及 把結(jié)合在一起的基片切分成各個(gè)芯片。
27. 如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，它還包括以下步驟 把一個(gè)彈性殼元件放在所述力傳遞元件上。
28. 如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，它還包括以下步驟 在結(jié)合起來的基片的表面上沉積塑料，用于形成外部力傳遞元件；以及 以批量制造工藝過程把結(jié)合的基片的表面上的所述塑料成形為選擇的形狀。
29. 如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，它還包括以下步驟 以選擇的節(jié)距把各個(gè)芯片定位在附加的基片上； 在所述附加基片的表面上沉積塑料，用于形成外部力傳遞元件； 把所述附加基片的表面上的所述塑料成形為選擇的形狀；以及 使各個(gè)芯片從所述附加的基片分離而形成器件。
全文摘要
本發(fā)明是一種用于感受向量力并將其轉(zhuǎn)換成用于在電子信號(hào)處理系統(tǒng)中進(jìn)行處理的電子信號(hào)的三維力輸入控制器件，芯片內(nèi)的所有元件都用單個(gè)半導(dǎo)體基片來制造。這種芯片具有彈性元件；圍繞所述彈性元件的框架；定位在彈性元件上的至少三個(gè)機(jī)械應(yīng)力敏感IC元件；剛性支柱，該剛性支柱可把外部向量力傳遞到彈性元件進(jìn)而傳遞到各IC元件，而各IC元件產(chǎn)生輸出電信號(hào)，剛性支柱的高度高出框架元件的厚度；外部力傳遞元件，把剛性支柱與外力關(guān)聯(lián)起來；以及用于處理來自機(jī)械應(yīng)力敏感IC元件的輸出信號(hào)的電子線路。
文檔編號(hào)G06F3/0338GK101341459SQ200780000772
公開日2009年1月7日 申請(qǐng)日期2007年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月5日
發(fā)明者弗拉多米爾·瓦格諾夫 申請(qǐng)人:弗拉多米爾·瓦格諾夫