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。

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、框架元件和 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；
图4表示出本发明的一个实施例的扁平的矮型面手指力控制器件的例子，其是 基于一个直接连接于力传感器芯片的弹性材料按钮；
图5表示出本发明的一个实施例的扁平的手指力控制器件，其有一个直接连接 于刚性力传递元件的弹性材料按钮，并包括一个触觉机械反馈机构，用以对感受 被按压的按钮的点击(click)；
图6表示出本发明的一个实施例的操纵杆型式的手指力控制器件的一个例子， 其基于一个弹性材料突头体可弹回地变形的元件，该元件直接联接于一个刚性力 传递元件，该刚性力传递元件可把力向量传递到安装在居间的基片芯片上的传感 器芯片；
图7表示出本发明的一个实施例的平头操纵杆型式的手指力控制器件的另一 个例子，其中传感器芯片是直接安装于一个PCB(印刷电路板)；
图8表示出本发明的一个实施例的可挠曲的平头手指力控制器件的一个例子， 该器件包括一个可摇摆的弹性塑料按钮，该按钮直接联接于力传感器芯片的刚性 力传递元件并且埋入一层塑料，其用作一个集成的按钮芯片；
图9表示出本发明的一个实施例的可挠曲的平头手指力控制器件的另一个例 子，该器件包括一个可摇摆的弹性塑料按钮，该按钮直接联接于力传感器芯片的 刚性力传递元件并包括一个在按钮表面上的触觉式机械反馈机构，用以响应按钮 的按压动作发出的触觉机械反馈；
图10表示出本发明的一个实施例的手指力控制器件的一个例子，其基于弹性 材料包封件，该包封件直接连接于刚性的力传递支柱并包括取决于不同设计的芯 片的与不同按钮的连接结构；
图11表示出本发明的一个实施例的扁平的手指力控制器件的一个例子，其带 有一个附加的力传递元件和一个用于感受对被按压的按钮的点击的弹性壳；
图12表示出本发明的一个实施例的可挠曲的平头手指力控制器件的另一个例 子，该器件包括一个可摇摆的弹性塑料按钮，该按钮直接联接于一个附加的力传 递元件，而该力传递元件有增大的对塑料按钮的结合力，并包括一个在按钮表面 上的触觉式机械反馈机构，用以响应按钮的按压动作而发出触觉机械反馈；
图13表示出本发明的一个实施例的制造工艺过程的一个例子，这种工艺过程 基于先局部蚀刻出膜片，然后减薄芯片框架；
图14表示出本发明的一个实施例的制造工艺过程的一个例子，这种工艺过程 基于先把膜片局部蚀刻到一定深度，然后减薄芯片框架并同时地继续蚀刻膜片；
图15表示出本发明的一个实施例的制造工艺过程的一个例子，这种工艺过程 基于先对膜片进行局部蚀刻，然后在膜片区域上沉积一个掩盖层，以及然后通过 蚀刻芯片来减薄框架；
图16表示出本发明的一个实施例的制造工艺过程的一个例子，这种工艺过程 基于沉积两层掩盖材料和进行两道平版印刷工序，以便蚀刻构成膜片区域的阶梯 型面，然后减薄框架；
图17表示出本发明的一个实施例的制造工艺过程的一个例子，这种工艺过程 基于沉积一层掩盖材料和进行两道平版印刷工序，以便蚀刻构成膜片的阶梯型面， 然后减薄框架；
图18表示出本发明的一个实施例的制造工艺过程的一个例子，这种工艺过程 基于沉积一层掩盖材料和进行两道光刻工序，以便同时地蚀刻弹性元件、划分用 于切块的沟槽以及减薄框架；
图19表示出本发明的另一实施例的一个用于力传递元件的替换的较大表面的 制造过程中的附加步骤，用以形成支柱和芯片顶部的塑料之间的更强固的结合；
图20表示出本发明的另一实施例的一个用于力传递元件的替换的较大表面的 制造过程中的另一些附加步骤，用以形成支柱和芯片顶部的塑料之间的更强固的 结合并提供附加的力过载保护。

下面将参照附图详细说明本发明的各特定实施例。
在本发明的各实施例的以下详细说明中，为了便于更彻底地理解本发明，给出 了许多具体的结构细节。但是，很明显，熟悉本技术领域的人不用这些结构细节 也能实现本发明。另一方面，对那些众所周知的结构没有作详细的描述，以避免 无益地使描述复杂化。
目的和优点
本发明的目的是提供一种三维力输入控制器件，其可用于市场容量很大的消费 产品，诸如移动通讯手机、便携式游戏机、数码相机、等等。
本发明的另一个目的是提供一种可用于集成在各种电子器件的各种功能中的 三维力输入控制器件的制造方法。
本发明的再一个目的是提供一种低成本的三维力输入控制器件。
本发明的再一个目的是提供一种手指尖尺寸的三维力输入控制器件。
本发明的再一个目的是提供一种可靠性高的三维力输入控制器件。
本发明的再一个目的是提供一种稳定性高的三维力输入控制器件。
本发明的再一个目的是提供这样一种三维力输入控制器件，其可适应X、Y、 Z灵敏度之间的足够低的噪声比。
本发明的再一个目的是提供这样一种三维力输入控制器件，其具有很低的轴间 交扰灵敏度。
本发明的再一个目的是提供这样一种三维力输入控制器件，其允许把过程集成 于其它的传感器和CMOS(互补金属氧化物半导体器件)。
本发明的再一个目的是提供一种尺寸可按比例改变的三维力输入控制器件。
本发明的再一个目的是提供这样一种三维力输入控制器件，其可做到所要求的 施加的力和挠变的组合。
本发明的再一个目的是提供这样一种三维力输入控制器件，其具有适应大容量 的消费产品市场需要的更好的可制造经济性。
优选实施例
图2-13表示出三维力输入控制器件、切块微结构和制造方法的各实施例。下 面给出本发明的微结构、器件和制造方法的详细说明。
参照图2a-2b，它们表示出一个力传感器芯片及其主要微结构元件的俯视平 面侧的立体和剖切图。图2b中示出芯片的立体仰视反射和剖切图。芯片10有围 绕着一个弹性元件14的框架12。在这一实施例中，弹性元件14是圆的并且是起 一个膜片的作用。中心的刚性支柱16是联接于弹性元件14并处在其中央。在膜 片14的平面顶侧上有几个区域18、20、22，其处分别有效地定位有机械应力敏 感IC元件。IC元件18、20、22是定位在膜片邻近框架12的周缘上，并且是电 连接于接触垫24、26、28、30、32，这种连接不用在膜片表面上的金属导体。这 样的构造可使传感器有较好的稳定性。应力敏感IC元件18、20、22也可以是定 位在膜片的其它区域，例如定位在区域19、21、23，如图2a中所示。
这些应力敏感元件占用芯片表面上的相当小的区域。其上的大部分区域是用于 信号处理IC的集成。可将这些IC定位在框架的区域11，或定位在刚性支柱的区 域13上，或甚至定位在弹性元件的区域14上。由于应力敏感元件的工艺过程与 标准的CMOS工艺过程兼容，那么就可将任何用CMOS工艺过程制造的集成电 路集成在同一个芯片上。具体地说，这些集成的IC可提供这样一些功能：模拟信 号放大、模-数和数-模转换、多路传输、信号处理、门逻辑、存储、数字接口、 电源管理、编码加密、压缩和解压、混合的信号处理、发送和接收无线信号、感 受除力之外的各种物理域和组合。
一个外部施加的力被传递到刚性支柱16，刚性支柱16的挠变可使弹性膜片元 件14产生变形和应力，而变形和应力可达到应力敏感IC元件18、20、22的位置。 相对于施加的向量力的具体大小和方向，这些至少三个敏感IC元件可产生一个独 特的信号组合。用集成的IC进行标定和处理传感器信号使得能够确定力向量的各 个分量的值，进而确定外部施加的力的值和方向。
在图2所示的另一实施例中，位于芯片10内的刚性支柱16高出于框架12， 或者说，其高度尺寸大于框架12的厚度减去膜片14的厚度。这允许在横向的X 和Y方向更有效地施加一个外力，提供高的灵敏度，以及简化传感器芯片的几何 微结构。由于不再需要附加的晶片和对应的加工步骤，器件的制造成本因而将相 应地大大降低。这一所述实施例的微结构可增大传感器对在所有三个正交方向施 加的向量力的灵敏度。力的这些分量可被直接传递到传感器芯片的刚性支柱，进 而传递到弹性元件和各敏感IC元件。
三维力传感器作为输入力控制器件的实际应用中的挑战是，刚性支柱16在半 导体类材料中的挠变是可忽略的。对施加的力的控制的心理响应是基于施加的力， 或者说是例如施加在手指上的压力。为了达到好的手指控制，需要有一定的挠变 范围，这一范围还应能增大施加输入信号匹配于施加的力的范围的精度和器件的 灵敏度。
按照本发明的第三实施例，本发明的解决这一问题的一个方面表示于图3。其 中给传感器添加了一个有两端的弹簧元件40。弹簧元件40的第一端联接于传感 器芯片10的刚性支柱16，而传感器芯片10有一个框架12和几个接触垫34。弹 簧元件40的第二端连接于可被施加外部力向量的按钮42。弹簧元件40容易挠变， 这可增大运动或施加的力的范围和输入机械信号的精度。还有另一个好处，就是 弹簧元件40还有利于在设计传感器芯片的微结构中增大得到较好的得自可变刚 度的性能、可靠性和成本的机会。
如图4所示，对于某些手指鼠标应用场合，需要有小而能作出响应性挠变的按 钮和输入力控制器件。这可用本发明的另一实施例的扁平形状的按钮来满足。传 感器芯片10用接触垫34结合于基片36。传感器芯片10被包覆上弹性的塑料44 而形成所需要的按钮形状。
用例如手指46对弹性的按钮施加一个外力。法向力和切向(sheer)力通过按 钮的弹性材料被传递到刚性支柱16、弹性元件14并最终传递到各应力敏感IC元 件，于是产生与施加的外力成比例的输出电信号。
传感器芯片的尺寸和塑料按钮的弹性材料的粘性和弹性在很大程度上决定着 传感器的响应特性。弹性的塑料44直接从背部型面侧包覆传感器芯片10并可充 满框架12和刚性支柱16之间的空腔48。由一个力施加的法向力和切向力被通过 按钮的弹性材料直接传递到刚性支柱16，进而传递到各应力敏感IC元件。
在许多应用中，一个力向量的X分量和Y分量是用于光标在电子器件的屏幕 上的导航的。当光标的位置被选定了时，就按动一下动作按钮。在大多数情况中， 这种动作按钮是独立于X-Y光标导航系统的，IBM Think Pad的手指点动鼠标中 就是这样。特别是便携式设备上的动作按钮最好是有机械反馈或机械点击的功能， 以便由手指的触觉来感受。所提出的手指力控制器件可把X、Y、Z控制功能组合 在一个三维传感器里，Z控制可用作一个动作按钮而不再需要用一个单独的控制 动作按钮。按照本发明的第五实施例，可在这一器件上结合机械点击反馈功能， 如图5所示。
传感器芯片10用接触垫34结合于基片36。传感器芯片10被弹性的塑料44 包覆而形成所需要的按钮形状。由例如手指46对弹性的按钮施加外力。法向力和 切向力通过按钮的弹性材料被传递到刚性支柱16、弹性元件14并最终传递到各 应力敏感IC元件，于是这些元件产生与外力的X和Y分量成比例的输出电信号。
在弹性塑料按钮的顶部，触觉机械反馈允许感受对被按压的按钮的点击，这是 因为它有下面有一个空腔52的弹性壳结构50。壳结构50在被从顶上按压时，它 略微塌扁一点，保持连续性但发出一个可被手指46感知的点击感觉。这个弹性壳 可以用包括金属和塑料的不同材料制造。塌扁作用不仅产生一个触觉反馈信号而 且也在各机械敏感元件中产生短的脉冲，这些脉冲可用作启动某个电子动作的信 号。
按照本发明的第六实施例，如图6中所示，能够提供所要求的挠变和灵敏度范 围的弹簧元件54可用弹性的塑料制造。在这一实施例中，传感器芯片10和刚性 的力传递支柱16是安装在居间的基片53上，基片设有接触垫54。弹性的塑料包 封材料55包覆着上述各元件并形成一个可挠变的突头。突头56的伸出端用作触 觉接触的按钮。由手指46对按钮56施加的外力可使突头55弯曲而在传感器芯片 和刚性的力传递支柱16之间的器件底部区域58里的塑料内产生机械应力和变形。 这种诱导的应力被传递到传感器芯片并最终传递到各应力敏感IC元件。这种微动 操纵杆设计结构，由于其结构简单和可采用现已高度发展的批量制造技术，可使 生产成本大大降低。
塑料的弹性手指操纵杆的另一实施例表示于图7，它在操作杆的突出端有一个 平头60。这一塑料的操纵杆62，按照用途和要求，可制成有各种不同的形状、颜 色和弹性。在这一实施例中，传感器芯片10是直接安装于一个电子器件的PCB 36。
在应用于计算机鼠标时，与应用于大型操纵杆相比，往往需要小的按钮挠变， 但输入控制器件的高度可能是决定性的。对于这类应用，如图8所示，可按照另 一实施例，将用以提供所需要的挠变范围和灵敏度范围的弹簧元件制成为一个低 型面的有两个脊锥骨形的可摇摆的结构。这里，带有刚性的力传递支柱16的传感 器芯片10是安装在基片36上。弹性的塑料64包覆着所有上述元件而形成一个可 挠变的颈部66。这个按钮的顶面覆盖有一层硬的塑料68，用作施加外力的表面。 由例如手指46施加于按钮硬顶层的力可使按钮64摇摆，而使传感器芯片10和刚 性的力传递支柱16之间的颈部区域66的塑料里产生机械应力和挠变。这个应力 被传递到传感器芯片并最终传递到各应力敏感IC元件。
图9表示出一个可挠曲的平头手指力控制器件。根据本发明的该另一实施例， 它包括一个可摇摆的弹性的塑料按钮64，其直接地联接于力传感器芯片的刚性力 传递支柱16并包括一个在按钮表面68上的触觉机械反馈机构70，以供感受对被 按压按钮的点击。
在塑料按钮64的顶部，设置有允许感受对被按压的按钮的点击的触觉机械反 馈机构70。该反馈机构有一个弹性壳结构70，其下面有一个空腔72。在壳结构 被从顶上按压时，它到达其后就塌扁的临界程度，而在施加力的手指46上点击感 觉。这个弹性壳可以用包括金属和塑料的不同材料制造。这种点击动作不仅产生 触觉反馈，而且在各机械敏感元件产生短的脉冲，这些脉冲可用作启动其它可编 程的动作的信号。
便携式设备的许多应用和设计需要用各种尺寸、形状、颜色和材料的控制按钮， 同时应保持所要求的功能。在本发明的一个实施例中，可采用如图10所示的一种 可拆卸的按钮。
这种手指力控制器件有一个直接连接于传感器芯片10的弹性材料包封件80， 而传感器芯片10包括刚性的力传递支柱16。该器件还包括用以连接于不同的按 钮88的结构84、86。这些按钮88也有对应的匹配结构90、92，以便连接于包封 件80。按钮88的外部设计取决于具体的应用要求。按钮88可以是一个独立的零 件，也可被集成在便携式设备的键盘的垫块94内。
在某些应用中，刚性的支柱16的小的表面尺寸不大可能建立支柱和附连的按 钮的塑料之间的长期的牢固结合。对此，可按照本发明的再一个实施例，如图11 所示的那样，通过增加一个附加的力传递元件35来增大刚性的支柱的表面。这个 力传递元件可具有刚性的支柱可插入的一孔，并且通过粘结剂或钎焊或其它固定 方法机械地连接于支柱。这个力传递元件可以用不同的材料例如塑料、金属、半 导体、陶瓷、等等制造。也可将其以一种批量制造方式连接于并结合于支柱，例 如结合于整个晶片或同时结合于多个晶片。
附加的力传递元件35可用作弹性壳39的安装平台，如图11所示。可以用自 动化的拿取和放置设备把弹性壳39一个一个地安装在力传递元件的表面上，或者 以批量制造的方式进行安装。
可以有不同的设计结构。其中之一将带有附加的力传递元件的基片结合于力传 感器芯片的晶片，然后结合于弹性壳的基片。另一种设计是先将带有附加的力传 递元件的基片结合于弹性壳的基片，然后结合于带有力传感器芯片的晶片。传感 器芯片、附加的力传递元件和弹性壳在从晶片一体之后，都用塑料44包覆起来， 如图11所示，而形成一个外部力传递元件，以供与例如手指46之类的外力接触。
按照本发明的再一个实施例，可将附加的力传递元件35的形状做得更复杂一 些，如图12所示。这个力传递元件35也可用包括塑料、金属、半导体、陶瓷等 等的各种材料制造。也可将其在晶片那一级以批量制造的方式连接于并结合于支 柱。
在再一个实施例中，附加的力传递元件35有一个用以接纳刚性支柱16的空腔 41，以便于用粘结材料43粘结刚性支柱16。设有一个部分45，该部分45可插进 刚性支柱16附近的沟槽47并有几个好处。首先，它可增大与支柱的连接表面， 从而增强这一器件的结合和可靠性。其次，它可防止塑料64在注塑模制外部力传 递元件的过程中进入沟槽47。第三，它作为一个附加的止动档，可限制X、Y、Z 方向的机械过载。
附加的力传递元件35的表面可以设有空腔或隆起49、51，用以增强其与外部 力传递元件的塑料64的结合。其可提供更高的可靠性。
用单个基片以最低的成本制造三维力传感器是最大的挑战。在批量制造传感器 芯片方面有几种选择。
图13a-13d表示出本发明的再一个实施例的制造方法。图13a表示的初始硅 基片100有第一表面101和第二表面102。首先让这个晶片经历标准的CMOS工 艺过程，来制造IC电路104、敏感元件106和接触垫108，如图13b所示。在标 准的CMOS工艺过程之后，在晶片的第二侧面上沉积一个掩盖层103。从晶片的 第二侧面进行双面平版印刷，敞开弹性元件110，留下框架和刚性的支柱上的掩 盖层111，如图13c所示。接着，从晶片的背侧对硅晶片进行深度地局部蚀刻， 以形成沟槽112，沟槽的深度达到弹性元件113的设计尺寸。局部蚀刻可以用本 技术领域已知的干式或湿式蚀刻方法进行，例如通过RIE(活性离子腐蚀)、干 式等离子蚀刻、电火花加工、湿式各向同性的和各向异性的蚀刻等等。在从晶片 的背侧局部地除去框架元件114的一些硅材料之后，如图13d所示。结果，刚性 支柱116的高度尺寸变成大于框架114的余下的厚度减去弹性元件113的厚度。 从框架区域除去硅材料的最后步骤可以用不同的手段来进行，包括机械铣削、电 火花加工、磨料磨削和不同类型的蚀刻，干式和湿式的。
图14a-14d表示出本发明的再一个实施例的制造方法。图14a表示出初始硅 基片100，它具有前表面(第一侧面)101和背表面(第二侧面)102。首先让这 个晶片经历标准的CMOS工艺过程，而制造出IC电路104、敏感元件106和接触 垫108，如图14a所示。在标准的CMOS工艺过程之后，在晶片的背侧沉积一个 掩盖层111。从晶片的背侧进行双面平版印刷，敞开弹性元件110，并留下框架上 的掩盖层111和刚性支柱上的掩盖层115，如图14b所示。接着，从晶片的背侧 对硅晶片进行深度局部蚀刻，以形成沟槽112，使沟槽的深度等于框架的最终厚 度和弹性元件113的设计厚度之间的差值。这种局部蚀刻可以用本技术领域已知 的不同类型的干式或湿式蚀刻方法进行，例如RIE、干式等离子蚀刻、电火花加 工、湿式各向同性的和各向异性的蚀刻等等。接着，除去框架元件118上的掩盖 层111，如图14c所示。从晶片的背侧进行蚀刻的过程继续蚀刻弹性元件并同时 地继续蚀刻框架元件，如图14d所示。结果，刚性支柱116的高度尺寸变成大于 框架114的余下的厚度减去弹性元件113的厚度，而这个弹性元件的厚度达到设 计厚度。从弹性元件和框架元件除去硅材料的步骤可以用各种手段来进行，包括 不同类型的蚀刻，干式的和湿式的，例如用RIE。
图15a-15d表示出本发明的再一个实施例的制造方法。图15a表示出硅基片 100有前表面101和背表面102，且所示为硅基片在CMOS工艺过程完成，且蚀 刻出围绕刚性支柱116的沟槽112而形成弹性元件113之后的情况。在一个掩盖 层120沉积在晶片的背侧上之后，就掩盖了沟槽的侧壁和弹性元件113的表面， 如图15b所示。下一个步骤是除去框架区域118上的掩盖层，如图15c所示，而 留下刚性支柱和沟槽上的包括弹性元件113的背表面上的掩盖层115和120。接 着，从晶片的背侧局部地除去框架区域上的硅材料，如图15d所示。结果，刚性 支柱116的高度尺寸变成大于框架114的余下的厚度减去弹性元件113的厚度。 从框架区域除去硅材料的这一最后步骤可以用各种手段来进行，包括不同类型的 蚀刻，干式的和湿式的。
上述各种方法中的诸多挑战之一是，在某种型面已经制成在晶片的背侧上时， 如何除去框架元件上的掩盖层。这可按照本发明的再一个实施例来这样地做到， 就是用互相之间有蚀刻选择性的两种掩盖材料来掩盖晶片的背侧，然后对晶片背 侧的初始平表面进行两次平版印刷。
图16表示出在CMOS工艺过程之后的有前表面101和背表面102的硅基片 100。接着，在晶片的背侧上沉积两个掩盖层122和124，如图16a所示。掩盖层 124可相对掩盖层122增加高度的蚀刻选择性。下一个步骤是除去框架元件和弹 性元件上的掩盖层124，只留下刚性支柱上的掩盖层124，如图16b所示。随后进 行第二次平版印刷工艺，在掩盖层122中敞开弹性元件110，如图16c所示。结 果，晶片的背侧有三个不同的被蚀刻元件：没有掩盖层的区域110、被一个掩盖 层122掩盖的框架元件、以及被两个掩盖层122和124掩盖的刚性支柱。接着， 通过掩盖层122和124在弹性元件中对硅材料进行局部蚀刻以达到预定的深度。 随后蚀刻掉框架元件128上的掩盖层122，留下刚性支柱上的掩盖层124，如图 16d所示。下一个步骤是同时地蚀刻框架和弹性元件，如图16e所示。结果，刚 性支柱134的高度尺寸变成大于框架132的余下的厚度减去弹性元件130的厚度， 而突出于基片。
本发明的再一个实施例的在晶片的背侧采用双掩盖工艺的另一个工艺过程表 示于图17a-17e。图17a表示出在CMOS工艺过程之后的具有前表面101和背表 面102的硅基片100。接着，在晶片的背侧102上沉积掩盖层136，如图17a所示。 下一个步骤是除去框架和弹性元件上的掩盖层136，只留下刚性支柱上的掩盖层 136，如图17b所示。随后进行第二次平版印刷，敞开弹性元件110，如图17c所 示。结果，晶片的背侧有三个不同的区域：没有掩盖层的区域110、有光刻胶层 138掩盖的框架元件100、以及有掩盖层136掩盖的刚性支柱。在下一个步骤，通 过掩盖层136和138在弹性元件区域处将硅材料局部地蚀刻到一个预定的深度。 接下来，蚀刻掉框架128上的光刻胶掩盖层138，留下刚性支柱上的掩盖层136， 如图17d所示。最后的步骤是同时地对框架和弹性元件进行蚀刻，如图17e所示。 结果，刚性支柱134的高度尺寸变成大于框架132的余下的厚度减去弹性元件130 的厚度。
按照本发明的再一个实施例，围绕刚性支柱的沟槽的深度蚀刻也蚀刻掉晶片厚 度的很大一部分，这种工艺过程也可用于从晶片划分芯片，而不用常规的切块方 法，这可降低这种器件的总成本。
图18a表示出一个在CMOS工艺过程之后的硅基片100，在这个晶片的背侧， 刚性支柱被掩盖层136掩盖。随后进行第二次平版印刷，敞开弹性元件110和切 块沟槽140，如图18b所示。结果，这个晶片的背侧有四个不同的区域：没有掩 盖层的弹性元件的区域110、没有被掩盖层的切块沟槽140、被光刻胶层138掩盖 的框架、以及被掩盖层136掩盖的刚性支柱。在下一个步骤，通过掩盖层136和 138，在弹性元件126和切块沟槽142处将硅材料局部地蚀刻到一个预定的深度。 接着，蚀刻掉框架区域144上的光刻胶掩盖层138，留下刚性支柱上的掩盖层136， 如图18c所示。对框架、弹性元件和切块沟槽同时地进行蚀刻，如图18d所示。 结果，刚性支柱134的高度尺寸变成从基片上突出，高于框架132的余下的厚度。 这就与做出从晶片划分芯片的切块沟槽146同时地进行了。
图19表示出再一个实施例的制造过程中的附加步骤。用这些步骤可制造一个 附加的力传递元件150，如图19中所示。与刚性支柱134的表面相比，这个力传 递元件有更大的表面。这有利于支柱和这个芯片的顶上的塑料之间的长期强固结 合。
图19表示出制造完成的传感器晶片，其刚性支柱从基片晶片的表面突出。然 后把机械的基片149对准传感器晶片129，使支柱134插进基片149上的联接孔 153。然后用材料154、156使这两个晶片结合在一起。这些材料可以是粘结剂、 钎焊剂、或能够形成这两个晶片之间的强固和刚性结合的其它材料。可把各个元 件150在晶片这一级用槽和桥组合152互相分开，如图19b中所示。这些槽和桥 是制出在基片上，与制出用以匹配于支柱的孔一样。在这时，可将结合在一起的 晶片切块，并在芯片的顶部包覆上塑料，以形成外部力传递元件。
作为这一实施例的继续，图19c表示出这一制造工艺过程中的附加步骤。这些 步骤包括安装弹性壳158，如图19c中所示。这些弹性壳158可安装在力传递元 件150的表面上，可以用自动化的拿取和放置设备一个一个地安装或以批量制造 方式安装。接下来，可把带有若干弹性壳的结合在一起的晶片切块，和/或在批量 制造过程中在芯片的顶部包覆上塑料，以形成外部力传递元件。
图20表示出本发明的再一个实施例的制造工艺过程的末端工序。图20a表示 出制造完成的传感器晶片，其刚性支柱从晶片的表面突出。制备了一个机械的基 片或称晶片161。这个基片161可用例如塑料、金属、半导体、陶瓷等等不同的 材料制成。这个机械的基片的至少一个表面已被做成这样的型面，就是其上成形 有用于接纳刚性支柱134的空腔166。其它微结构元件诸如突脊168、空腔172、 空腔或沟槽170、以及其它设计的微结构元件都可与用于接纳支柱134的空腔166 同时制成。把这个机械的基片161对准传感器晶片129，使支柱134插进机械基 片161的空腔166。空腔166的深度、支柱134的高度和结合材料164的厚度一 起决定着传感器晶片129的框架和附加的力传递元件162之间的间隙165。同时， 突脊168插进支柱134周围的闭合沟槽131。在下一个步骤，用结合材料164把 这两个晶片结合在一起。结合材料可以是不同种类的粘结剂或钎焊剂、或能够形 成这两个晶片之间的强固和刚性结合的其它材料。可把各个元件162在基片这一 级用槽和桥组合174互相分开，如图20b中所示。这些槽和桥是在制成其它微结 构元件166、168、170、172的同时制成在机械的基片上的。在这一阶段，可将结 合在一起的晶片切块，然后以批量制造的方式在芯片的顶上包覆塑料176，以制 成外部力传递元件，如图20c所示。在注塑模制外部力传递元件的塑料176的过 程中，塑料会进入空腔170、172而形成与附加的力传递元件162强固而可靠的机 械连接。同时，很小的间隙165和突脊168可防止塑料176进入支柱134周围的 闭合沟槽131。
应该注意到，本发明的在一个公共基片上制造若干器件的方法有一些特有的优 点，可集成其它的模拟和数字电路，这些电路可提供但不限于这样一些功能：模 拟信号放大、模-数和数-模转换、多路传输、信号处理、门逻辑、存储、数字 接口、电源管理、编码加密、压缩和解压、混合的信号处理、发送和接收无线信 号、感受除力之外的各种物理域和组合。
应能理解，以上说明的芯片的微结构、手指鼠标的结构、手指按钮和微动操纵 杆以及它们的制造方法不对本发明构成限制，只是图解地描述了本发明涵盖的各 种技术方法中的某一些而已。尽管已经结合各优选实施例详细描述了本发明，但 是应能理解，在本发明的精神实质和范围内可以做出这些实施例的各种改变和变 型。
所以，尽管已经以有限数目的实施例描述了本发明，但是熟悉本技术领域的人 在本发明的帮助下能够理解，在本文揭示的本发明的范围内，可以设想出其它的 实施例。本发明的其它方面已经在本说明书中并将在权利要求书显现出来。
技术背景