三维力输入控制器件及其制造
专利汇可以提供三维力输入控制器件及其制造专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 是一种用于感受向量 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子信号的三维力输入 控制器 件，芯片内的所有元件都用单个 半导体 基片来制造。这种芯片具有：弹性元件；围绕所述弹性元件的 框架 ； 定位 在弹性元件上的至少三个机械 应力 敏感IC元件；刚性支柱，该刚性支柱可把外部向量力传递到弹性元件进而传递到各IC元件，而各IC元件产生输出 电信号 ，刚性支柱的高度高出框架元件的厚度；外部力传递元件，把刚性支柱与外力关联起来；以及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。，下面是三维力输入控制器件及其制造专利的具体信息内容。
1.一种在单个基片上的用于感受向量力并将其转换成用于处理的电信号的三维力输入控制器件，该控制器件包括：
传感器芯片，该传感器芯片能感受施加于该芯片内的刚性支柱的力的量值和方向，并且还包括联接于力传递刚性支柱的弹性元件、联接于所述弹性元件的周缘的芯片框架、在所述弹性元件上的应力敏感元件、信号处理IC，芯片电联接于所述基片，
其中，所述芯片的所有元件都形成在单个半导体基片上，
其中，所述刚性支柱的高度大于所述框架的厚度和所述弹性元件的厚度之间的差值。
2.如权利要求1所述的用于感受向量力并将其转换成用于处理的电信号的三维力输入控制器件，其特征在于，它还包括：
包覆着传感器芯片的外部力传递元件，该外部力传递元件感知外力并将外力传递到传感器芯片的刚性支柱，所述传感器芯片根据被施加的力的量值和方向产生一组输出信号，其中，所述外部力传递元件用容易被以批量方式施加于多个传感器芯片的材料来制造，所述材料选自包括下列材料的材料组：塑料、弹性材料、以及以上材料的组合。
3.一种在单个基片上的用于感受向量力并将其转换成用于处理的电信号的三维力输入控制器件，该控制器件包括：
形成在单个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；
框架，该框架围绕着所述弹性元件形成并联接于完全在所述基片内的所述弹性元件的周缘的至少一部分；
定位在所述弹性元件中的至少三个机械应力敏感IC元件，用于提供与所述IC元件所在位置内的机械应力成比例的输出电信号；
至少一个成形在初始基片上的刚性支柱，该支柱联接于所述弹性元件并可把外部的向量力传递到所述弹性元件进而传递到所述IC元件，所述IC元件产生输出电信号；
其中，所述刚性支柱的高度大于所述框架的厚度和所述弹性元件的厚度之间的差值。
4.如权利要求3所述的三维力输入控制器件，其特征在于，所述半导体基片是用选自包括下列材料的材料组中的材料制造的：硅、锗、碳化硅、金刚石类的碳、砷化镓、氮化镓、磷化铟、以及元素周期表的III、IV和V族中的元素。
5.如权利要求3所述的三维力输入控制器件，其特征在于，所述半导体基片上的所述弹性元件有环形的或n边多边形的几何形状和均匀的厚度，并且该厚度小于毗邻的所述框架元件的厚度，所述刚性支柱位于所述弹性元件的中央区域。
6.如权利要求3所述的三维力输入控制器件，其特征在于，所述弹性元件具有不均匀的厚度。
7.如权利要求3所述的三维力输入控制器件，其特征在于，所述弹性元件在其厚度尺寸内有至少一个穿透部分。
8.如权利要求3所述的三维力输入控制器件，其特征在于，它还包括至少一个定位在所述弹性元件上的应力集中元件，该应力集中元件的形状选自包括下列形状的一组形状：V形槽、梯形槽、侧壁与所述弹性元件的表面形成约90°角的槽以及组合。
9.如权利要求3所述的三维力输入控制器件，其特征在于，所述刚性支柱元件的形状选自下列一组形状：圆锥体、圆柱体、半球体、球体、多面锥体、多面柱体、多面半球体、多面球体以及组合。
10.如权利要求3所述的三维力输入控制器件，其特征在于，所述刚性支柱元件具有至少一种不均匀结构，这种不均匀性选自下列一组不均匀结构：空腔、沟槽、孔、高台、突脊、桥、悬臂、负的斜坡区域以及它们的组合。
11.如权利要求3所述的三维力输入控制器件，其特征在于，它还包括把外力耦合到所述刚性支柱元件的弹簧元件，该弹簧元件选自包括下列弹回元件的一组弹簧元件：弹簧、薄梁、金属丝、弹性的塑料杆、弹性的塑料摇摆按钮、像脊椎骨那样的结构、带有机械反馈的弹性拱顶、内部充满液体的塑料壳、充满胶体的塑料壳、弹性材料按钮或它们的组合。
12.如权利要求3所述的三维力输入控制器件，其特征在于，所述应力敏感IC元件选自包括下列应力敏感IC元件的一组元件：压敏电阻器、pn结、隧道二极管、肖特基二极管、剪切应力元件、压阻惠斯登电桥、MOS晶体管、CMOS晶体管的互补对、双极晶体管、p-n-p和n-p-n双极晶体管对、双极晶体管和连接于它的至少一个压敏电阻器、MOS晶体管和连接于它的至少一个压敏电阻器、双极晶体管电路、以及CMOS晶体管电路或组合。
13.如权利要求3所述的三维力输入控制器件，其特征在于，它还包括可提供包括下列功能的一组功能中的功能的电子电路：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以及它们的组合。
14.如权利要求3所述的三维力输入控制器件，其特征在于，它还包括连接于所述刚性支柱的顶部的附加的力传递元件，该附加的力传递元件提供的表面面积比所述刚性支柱的顶部的表面面积大，用于与外部力传递元件更好地连接，用于从所述刚性支柱那一侧保护所述弹性元件，该附加的力传递元件用选自下列一组材料的材料制造：塑料、金属、半导体、陶瓷、玻璃以及它们的组合。
15.如权利要求3所述的三维力输入控制器件，其特征在于，它还包括连接于所述刚性支柱的顶部和弹性壳的附加的刚性力传递元件，该弹性壳用于产生机械反馈，使得可感受对被按压的按钮的点击并发出用于启动所要求的电子动作的信号。
16.如权利要求3所述的三维力输入控制器件，其特征在于，它还包括连接于所述刚性支柱的顶部的附加的刚性力传递元件，该附加的刚性力传递元件设有附加的空腔、沟槽、隆起和突脊，用于更好地结合于外部力传递元件、用于保护所述弹性元件以及用于附加的机械过载保护。
17.一种用于制造一种在单个基片上的用于感受向量力并将其转换成用于处理的电信号的三维力输入控制器件的方法，该方法包括以下步骤：
准备有第一侧面和第二侧面的半导体基片；
在所述基片的第一侧面上制造应力敏感IC元件和信号处理IC；
在所述基片的第二侧面上制造闭合的沟槽，这些沟槽形成限定弹性元件、框架区域以及刚性支柱的界线；以及
在所述框架区域从所述基片的第二侧面除去附加的基片材料，使所述刚性支柱的尺寸从所述第二侧面突出并大于所述框架区域的余下的厚度尺寸减去所述弹性元件的厚度，这样就使所述刚性支柱从所述基片突伸出而便于联接于外部力传递元件或便于接受外部机械力。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，从所述第二侧面的框架区域除去所述基片的一部分的步骤是采用选自包括下列工艺过程的一组工艺过程中的工艺过程来完成的：
选择性的蚀刻、机械切削、激光切削以及组合。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，在芯片区域内在所述基片的第二侧面上制造闭合的沟槽的步骤还包括以下步骤：
在所述基片的第二侧面上沉积保护性掩盖层；
用光刻工艺限定所述刚性支柱、弹性元件和框架区域的图形；
从所述弹性元件区域除去掩盖层；以及
在所述弹性元件区域从所述基片的第二侧面将基片蚀刻到选择的厚度。
20.如权利要求17所述的方法，其特征在于，在芯片区域内在所述基片的第二侧面上制造闭合的沟槽的步骤和在所述框架区域处从所述基片的第二侧面除去所述基片的一部分的步骤还包括以下步骤：
在所述基片的第二侧面上沉积至少一个保护性掩盖层；
用光刻工艺在所述基片上限定所述刚性支柱、弹性元件和框架区域的图形；
从所述弹性元件区域除去所述掩盖层；
通过所述刚性支柱上的掩盖层和所述框架区域上的光刻胶层，在所述弹性元件处从第二侧面将基片蚀刻到所述框架和所述弹性元件的最终厚度之间的深度尺寸；
从所述框架区域除去掩盖层；以及
将所述基片的第二侧面的弹性元件和所述框架区域蚀刻到所述弹性元件的预定的厚度。
21.如权利要求17所述的方法，其特征在于，在每个芯片区域内在所述基片的第二侧面上制造闭合的沟槽的步骤和在所述框架区域处从第二侧面除去所述基片的一些材料的步骤还包括以下步骤：
在所述基片上沉积第一保护性掩盖层；
用光刻工艺限定并保护所述刚性支柱的图形；
从所述弹性元件和所述框架区域除去所述第一保护性掩盖层；
在所述基片上沉积第二保护性掩盖层；
用光刻工艺限定所述弹性元件的图形；
从所述弹性元件除去所述第二保护性掩盖层；
从所述基片的第二侧面将弹性元件蚀刻到一定的深度；
从所述框架区域除去第二保护性掩盖层；以及
从所述基片的第二侧面将弹性元件和框架区域蚀刻到所述弹性元件的选择的厚度。
22.如权利要求17所述的方法，其特征在于，在每个芯片区域内在所述基片的第二侧面上制造闭合的沟槽的步骤和在所述框架区域从所述基片的第二侧面除去基片的一部分的步骤还包括以下步骤：
在所述基片上沉积保护性掩盖层；
用光刻工艺限定所述刚性支柱、弹性元件和框架元件的图形；
从弹性元件除去掩盖层；
将所述弹性元件蚀刻到选择的厚度；
在所述基片包括所述沟槽和弹性元件上沉积保护性掩盖层；
从所述框架区域除去掩盖层；以及
将基片框架区域蚀刻到选择的厚度。
23.如权利要求17所述的方法，其特征在于，在芯片区域内在所述基片的第二侧面上制造闭合的沟槽的步骤和在所述框架区域处从所述第二侧面除去所述基片的一部分的步骤还包括以下步骤：
在所述基片上沉积第一保护性掩盖层；
在所述基片上沉积对所述第一保护性掩盖层有蚀刻率选择性的第二保护性掩盖层；
用光刻工艺在所述第二保护性掩盖层上限定所述刚性支柱的图形；
从所述弹性元件和所述框架区域除去第二保护性掩盖层；
用光刻工艺在所述第一保护性掩盖层上限定所述弹性元件和所述框架区域的图形；
从所述弹性元件除去所述第一保护性掩盖层；
从第二侧面在所述弹性元件区域处将基片蚀刻到选择的厚度；
从所述框架区域除去第一保护性掩盖层而留下所述刚性支柱元件上的所述第二保护性掩盖层；
从所述基片的所述第二侧面将所述弹性元件和所述框架区域蚀刻到所述弹性元件的预先选择的厚度。
24.如权利要求17所述的方法，其特征在于，在芯片区域内在所述基片的第二侧面上制造闭合的沟槽的步骤和在所述框架区域从所述第二侧面除去所述基片的一部分的步骤还包括以下步骤：
在所述基片上沉积保护性掩盖层；
用光刻工艺在所述掩盖层上限定所述刚性支柱元件的图形；
用光刻工艺限定所述弹性元件和所述框架区域的图形；
通过所述刚性支柱元件上的所述掩盖层和所述框架区域上的光刻胶掩盖层，从第二侧面在所述弹性元件处将基片蚀刻到所述框架区域的最终厚度和所述弹性元件的厚度之间差值的深度尺寸；
从所述框架区域除去光刻胶掩盖层；
从第二侧面在所述弹性元件和所述框架区域处将基片蚀刻到所述弹性元件的选择的厚度。
25.如权利要求17所述的方法，其特征在于，它还包括从所述基片分出芯片的工艺过程，该过程包括以下步骤：
在所述基片的第二侧面上沉积保护性掩盖层；
用光刻工艺在所述保护性掩盖层上限定所述刚性支柱元件的图形；
用光刻工艺限定所述弹性元件和所述框架区域以及划分芯片的沟槽的图形；
利用在所述刚性支柱上的所述保护性掩盖层和所述框架区域上的防蚀刻光刻胶层，从所述基片的第二侧面在所述弹性元件和划分芯片的沟槽处将基片蚀刻到选择的厚度；
从所述框架区域除去光刻胶层；以及
从第二侧面在弹性元件和框架区域以及划分芯片的沟槽处将基片蚀刻到所述弹性元件的预定的厚度。
26.如权利要求17所述的方法，其特征在于，它还包括以下步骤：
把另外一个机械加工的基片对准所述基片；
把这两个基片互相结合在一起；以及
把结合在一起的基片切分成各个芯片。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，它还包括以下步骤：
把一个弹性壳元件放在所述力传递元件上。
28.如权利要求26所述的方法，其特征在于，它还包括以下步骤：
在结合起来的所述基片的表面上沉积塑料，用于形成外部力传递元件；以及以批量制造工艺过程把结合的所述基片的表面上的所述塑料成形为选择的形状。
29.如权利要求26所述的方法，其特征在于，它还包括以下步骤：
以选择的节距把所述各个芯片定位在附加的基片上；
在所述附加基片的表面上沉积塑料，用于形成外部力传递元件；
把所述附加基片的表面上的所述塑料成形为选择的形状；以及
使所述各个芯片从所述附加的基片分离而形成器件。
三维力输入控制器件及其制造
技术背景
技术领域
背景技术
发明内容
具体实施方式
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。 [0063] 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。 [0064] 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。
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。 [0076] 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。
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。 [0079] 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。 [0080] 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。
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。
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之问的间隙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。
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