阅读说明：本技术 具有多范围构造的传感器组件 (Sensor assembly having a multi-range configuration ) 是由 陈雅媚 J.霍夫曼 于 2020-04-22 设计创作，主要内容包括：一种力传感器设备(10),包括由两个结合在一起的硅构件(14)和(16)形成的传感器管芯(12)。第一构件(14)包括第一膜片(24)和在第一膜下方的由第二构件(16)中的凹入部分(26)形成的掩埋腔(27)。第二构件包括第二膜片(44),其由第二构件的形成背面腔(36)的下表面的凹入部分(32)形成。第一膜片(24)和第二膜片(44)彼此竖直对准。第一构件包括第一组电感测元件(48),其定位在第一膜片(24)附近,第二组电感测元件(54)定位在第二膜片(44)附近。电触点(58)沿传感器管芯的表面设置,以促进与外部设备的电连接。(A force sensor device (10) includes a sensor die (12) formed of two silicon members (14) and (16) bonded together. The first member (14) comprises a first membrane (24) and a buried cavity (27) beneath the first membrane formed by a recess (26) in the second member (16). The second member includes a second diaphragm (44) formed by a recessed portion (32) of the second member forming a lower surface of the back cavity (36). The first diaphragm (24) and the second diaphragm (44) are vertically aligned with each other. The first member includes a first set of electrical sensing elements (48) positioned adjacent the first diaphragm (24) and a second set of electrical sensing elements (54) positioned adjacent the second diaphragm (44). Electrical contacts (58) are disposed along a surface of the sensor die to facilitate electrical connection with an external device.)

具有多范围构造的传感器组件

技术领域

本发明涉及用于感测力的方法和传感器设备。

背景技术

为了确定施加在传感器元件、隔膜或膜片上的力的大小而使用传感器组件在本领域中是已知的。为了确定由物理元件施加的力的大小，使用力传感器。常规的力传感器包括：力传感器管芯，其包括隔膜和与其连接的电感测元件；以及致动元件，其与传感器管芯分开制造并且与传感器管芯结合，使得致动元件接触隔膜的部分。致动元件从力传感器延伸以接收外力，该外力随后由致动元件传递到传感器管芯的隔膜上，导致隔膜发生偏弯，该偏弯由电感测元件测量，然后被用于提供用来确定外力的输出。

这种已知的力传感器包括具有掩埋腔设计的传感器，其中隔膜或膜片可以从传感器管芯的表面延伸到掩埋腔，并且当将外力施加到隔膜表面时，将导致隔膜偏弯到掩埋腔中。另外已知的力传感器具有背侧腔设计，其中隔膜或膜片可以从传感器管芯的表面延伸到背侧腔，并且当将外力施加到隔膜表面时，将导致隔膜偏弯到背侧腔中。这种已知的力传感器设计的特征在于，可以精确地确定的外力范围受到隔膜的工作偏弯范围和隔膜在检测施加在其中的力时的灵敏度的限制。对于这些类型的已知传感器中的每一种，可以精确测量的外力范围因此受到限制。

在某些使用应用中，需要在宽的范围内确定外力，该范围超出此类已知力传感器的能力，例如，超出隔膜或膜片达到完全偏弯而因此不再具有提供力测量信息的能力的工作条件。要解决的问题在于：提供一种传感器组件，使其被配置为能够在多个范围内测量外力，例如，当受到小力和大力条件时；以及被配置为能够针对将多范围力检测能力定制为特定用途应用的目的而实现定制化，例如，在范围的一个区域里相比于范围的另一区域可能需要不同程度的灵敏度。

发明内容

根据本发明，本文公开的传感器设备通常包括传感器管芯，其包括第一膜片，该第一膜片设置在传感器管芯的第一外表面与传感器管芯中的掩埋腔之间，所述掩埋腔从该外表面延伸一定深度。传感器管芯还包括第二膜片，该第二膜片布置在掩埋腔和传感器管芯的与第一外表面相背的第二外表面的凹入部分之间。在一示例中，传感器管芯包括附接在一起的第一构件和第二构件，其中掩埋腔形成在第一构件和第二构件之间，并且其中第一隔膜与第一构件是一体的。在一示例中，第二膜片与第二构件是一体的。第一膜片的尺寸可以被设定为具有与第二膜片的长度不同的长度。第一膜片可以具有与第二膜片的厚度不同的厚度。传感器管芯还包括设置在其中的电感测元件，用于测量第一感测膜片和第二感测膜片的运动。在一示例中，电感测元件设置在传感器管芯的介于第一外表面和掩埋腔之间的区域内。在一示例中，电感测元件包括邻近第一膜片定位的第一组电感测元件和邻近第二膜片定位的第二组电感测元件。传感器设备还包括沿传感器管芯的第一外表面暴露的电触点，其与电感测元件电连接。在一示例中，传感器设备是力传感器。

一种使用传感器设备确定施加在其中的力的方法，包括：将外力施加到传感器设备的被第一感测膜片占据的区域上，并且其中，第二感测膜片设置在第一感测膜片的竖直下方。施加在传感器设备上的力导致第一感测膜片偏弯，并且在某些情况下，第二感测膜片也偏弯，其中每个感测膜片的偏弯量由相应的电感测元件测量。电感测元件提供输出信号，该输出信号由电连接部传输到传感器设备外部，用于由与传感器设备电连接的外部设备确定力的大小。在一示例中，第一膜片被配置为检测在第一外力大小范围内的外力，并且第二膜片被配置为检测在第二外力大小范围内的外力，该第二外力大小范围不同于第一外力大小范围。

附图说明

现在将参考附图以示例方式描述本文所公开的传感器组件，其中：

图1A是本文公开的示例传感器组件的横截面侧视图；

图1B是图1A的示例传感器组件的俯视图；

图1C是图1A的示例传感器组件的仰视图；

图2A是本文公开的示例传感器组件的横截面侧视图；

图2B是图2A的示例传感器组件的俯视图；

图3A是图1的示例传感器组件在第一状态下的横截面侧视图；

图3B是图1的示例传感器组件在第二状态下的横截面侧视图；

图3C是图1的示例传感器组件在第四状态下的横截面侧视图；

图3D是图1的示例传感器组件在第四状态下的横截面侧视图；

图4是示出本文所公开的示例传感器组件的根据施加力的膜片偏弯特性的曲线图；和

图5是示出本文所公开的示例传感器组件的根据施加力的膜片灵敏度特性的曲线图。

具体实施方式

下文中将参考附图详细描述传感器组件或设备的实施例，其中相同的附图标记指代相同的元件。然而，本文所公开的传感器组件可以以许多不同的形式以及针对不同类型的用途来实现，并且不应被解释为限于本文所阐述的实施例；相反，提供这些实施例是为了使得本公开将是透彻和完整的，并将向本领域技术人员充分传达传感器组件的构思。本文所公开的传感器组件可以用于测量由物理物体施加在其上的力的应用中，其中这种传感器组件可以被称为力传感器。然而，应理解，本文所公开的传感器组件可以用于在测量由物理物体施加在其上的力的应用以外的其他类型的力记录/监视应用，例如压强传感器应用，其中流体压强等被监测。

图1A示出了本文公开的示例性传感器设备或组件10，其包括传感器管芯12。在示例中，传感器管芯12可以由附接或结合在一起的两个传感器管芯构件14和16形成。在示例中，第一传感器管芯构件和第二传感器管芯构件由硅形成并且直接结合在一起。传感器管芯的第一构件14具有在外表面18和底侧表面20之间延伸的厚度，并且在沿传感器管芯的边缘22观察时最佳显示。传感器管芯12包括第一隔膜或膜片24，其与第一构件是一体的，并且具有由第一构件的厚度限定的厚度。在一个示例中，第一膜片厚度可以大于约2微米，并且为约5到50微米。应当理解，膜片的具体厚度可以根据特定的最终用途和/或第一膜片的期望灵敏度而变化。

传感器管芯第二构件16包括凹入部分26，该凹入部分26可以通过蚀刻工艺等在与第一构件附接之前形成在第二构件中，如下文更好描述。凹入部分26直接与第一膜片24相对设置，并在传感器管芯内提供掩埋腔27，以使膜片响应于外力而在其中偏弯(deflect)。掩埋腔可以与外部环境通气或不通气。如果通气，则可以通过从掩埋腔延伸穿过传感器管芯的期望部分的端口来提供通气。

例如，在掩埋腔不通气的示例中，传感器组件可用于测量压强(pressure)。在掩埋腔通气的示例中，传感器组件可用于测量物理力。在一示例中，掩埋腔通气，并且这种通气可以例如通过从掩埋腔延伸的端口而发生。从第二构件的下侧表面28到掩埋腔的封闭部分30测量的凹入部分26的深度可以大于约0.5微米，并且可以为约1至10微米。应该理解的是，凹入部分的确切深度可以根据诸如第一膜片24的厚度以及特定的最终用途和/或第一膜片的期望偏弯度等因素而变化。如下文所述，凹入部分或掩埋腔的长度将根据传感器组件的特定最终用途而变化，例如在相对较低的力下提供所需程度的力敏感度。

传感器管芯的第二构件16包括凹入部分32，该凹入部分32沿着第二构件的外表面34设置并形成背侧腔36。背侧腔36与掩埋腔27相背设置。在一示例中，凹入部分32的尺寸被设置成为特定的传感器设备最终应用提供期望的第二膜片厚度，该厚度可以限定或有助于第二膜片的灵敏度特性。

在这一示例中，掩埋腔27在传感器管芯内延伸的长度小于背侧腔36的长度，其中，掩埋腔和背侧腔二者均沿着延伸穿过传感器管芯的厚度的公共竖直轴线彼此竖直对准。传感器管芯包括与传感器管芯成一体的第二膜片或隔膜40，其从背侧腔的封闭部分38延伸到第二构件的底侧表面28。第二膜片40包括中央部分44和端部部分46，中央部分44沿着掩埋腔27的长度延伸，每个端部部分46从掩埋腔的相应边缘延伸到背侧腔的相应边缘，其中第二膜片的中央部分的厚度小于第二膜片端部部分的厚度。在一示例中，第二膜片具有中央部分44，该中央部分的厚度可以大于约5微米，并且为约10至500微米。在一示例中，第二膜片具有端部部分厚度，该厚度可以大于约5微米，并且为约50至550微米。应当理解，第二膜片的中央部分和端部部分的确切厚度可以根据诸如第一膜片的厚度、第二构件的整体厚度以及特定最终用途的传感器组件应用等因素而变化。

在图1A所示的示例中，掩埋腔27沿着传感器管芯延伸的长度小于背侧腔36的长度。在一示例中，这样的配置可以在这样的使用应用中有用：在在较小力下需要增大的力敏感度，而在较大力下仍然以相对减小的力敏感度接收力的信息。

参见图，图1A和1B，传感器管芯12包括第一组电感测元件48，其沿着传感器管芯的外表面18(例如，传感器管芯的第一构件)邻近于第一膜片24的外周边缘定位。第一组电感测元件48可以是布置在惠斯通电桥中的压阻元件等的形式，以响应于施加在其上的外力来检测沿第一膜片表面的变化，并提供电信号输出，以确定这种力的大小。第一组电连接部50从第一组电感测元件48延伸到第一组电触点52(在图1B中示出)，其中电连接部50和电触点52位于外表面50附近。传感器管芯包括第二组电感测元件54，其沿着传感器管芯的外表面50(例如，传感器管芯的第一构件)邻近于第二膜片40的外周边缘定位。第二组电感测元件54可以是布置在惠斯通电桥中的压阻元件等的形式，以响应于施加在传感器管芯上的外力来检测沿第二膜片表面的变化，并提供电信号输出，以确定这种力的大小。第二组电连接部56从第二组电感测元件54延伸到第二组电触点58，其中电连接部56和电触点58位于外表面50附近。

如图1B所示，在该示例传感器组件10中，第一组电感测元件在第二组电感测元件的放置位置内同心地定位在传感器管芯12中，对应于相应的第一膜片和第二膜片的外周边缘。电触点52和58从第二组电感测元件向外定位，并且被配置为促进与外部设备的电端子的电连接，例如，用于接收由电感测元件产生的电信号并由此进行力确定。传感器可以包括一个或多个其他电触点60，以用于向硅基板施加电压偏压，或者用于其他传感器操作目的。

图1C示出了传感器组件10的传感器管芯12的仰视图，其示出了传感器管芯的第二构件外表面34和由凹入部分32形成的背侧腔36。还示出了掩埋腔27相对于背侧腔的相对位置。

在一示例中，在图1A至图1C中示出并在此公开的传感器组件可以通过以下方式制造：在传感器管芯的第二构件16中形成凹入部分32，然后将第二构件16结合到第一构件14，从而在其间形成掩埋腔27。利用掺杂剂扩散或离子注入来处理第一构件外表面50，以形成第一和第二组电感测元件48和54、电连接部50和56以及电触点52和58。然后，沿着第二构件外表面34形成凹入部分32，以提供背侧腔36。这仅是本文所公开的传感器组件的一个示例，并且应当理解，可以根据不同的步骤或过程形成这样的传感器组件，其同时在本文所公开的制造方法的范围内。

图2A和2B示出了如本文公开的示例传感器组件80，其包括如上文所述的图1A至图1B的传感器组件的相同元件，例如，包括第一和第二构件14和16的传感器管芯12、第一膜片24、掩埋腔27、背侧腔36、第二膜片40、第一和第二组电感测元件48和54、第一组和第二组电连接部50和56、以及第一组和第二组电触点52和58(如图2B所示)。然而，与图1至图1C的示例不同，掩埋腔27被配置为具有在传感器管芯内的长度，该长度大于背侧腔36的长度，使得第一膜片24被配置为具有大于第二膜片40的长度。该示例性传感器组件可以针对这种目以这种的方式配置：通过扩大的第一膜片的配置，对相对较小大小的施加力提供相对较高程度的力灵敏度和力测量精度；以及，通过减小尺寸的第二膜片的配置，对相对较大大小的施加力提供相对较低程度的力灵敏度和力测量精度。

如图2B所示，对于该示例传感器组件80，第一和第二组电感测元件48和54以及电连接部50和56的放置位置也与针对图1A-1C的示例传感器组件所示出的位置不同，体现出第一膜片和第二膜片的传感器管芯内的外周边缘放置的变化。在该示例中，第二组电感测元件54和相应的电连接部56同心地定位在第一组电感测元件48和相应的连接部50的内侧，以反映现在减小尺寸的第二膜片40相对于现在增大尺寸的第一膜片24的放置位置。第一组电触点52和第二组电触点58定位在第一组电感测元件48的外侧，以与所需的外部设备进行电接触。

图3A至图3D示出了图1A至图1C的示例传感器组件相对于施加在其上的外力处于不同状态。图3A示出了传感器组件100，该传感器组件100包括具有第一膜片24和第二膜片40的传感器管芯12，致动元件102布置在外表面18上并位于第一膜片的中央部分上方，并且其中，没有外力施加在致动元件上。图3B示出传感器组件100处于这样的状态中：低的力负载施加在了致动元件102上，该力负载使第一膜片24偏弯进入掩埋腔27中的部分深度。在这种状态下，第一组电感测元件48提供输出信号，该输出信号显示出对力负载的灵敏度，又提供了可以从中确定力负载量的信息。

图3C示出传感器组件100处于这样的状态中：施加在致动元件102上的力负载相对于图3B的水平增大了，使得第一膜片24进一步偏弯进入掩埋腔27中，以与掩埋腔的封闭部分30接触。在这种状态下，第一膜片的进一步自由偏弯被阻止，使得第一组电感测元件48可能对进一步的力负载增大不那么敏感，或者不能提供用于精确地确定该施加的力负载量的信息。在这一点上，通过使用第一膜片24和相关的第一组电感测元件48，传感器组件100对相对较低的力感测能力处于靠上的范围(upper range)，并且，最佳地通过使用第二膜片40和相关的第二组电传感器元件54来对任何进一步力负载进行监测。

图3D示出了传感器组件100处于这样的状态中：施加在致动元件102上的力负载进一步增大了，并且现在处于低范围以外，并处于高范围内。此时，增大的负载导致第一膜片24进一步偏弯到第二膜片40中，第二膜片40移动进入背侧腔36中。第二组电感测元件54提供输出信号，该输出信号显示出对相对较高的力负载的灵敏度，并且提供可以从中确定高力负载的大小的信息。这些附图用于说明本文所公开的传感器组件如何通过使用和配置第一和第二膜片以及相关的第一和第二电感测元件而在低范围和高范围的外加力下提供改进程度的力灵敏度和力确定。

图4是曲线图200，其示出了作为施加力的函数的、第一和第二隔膜或膜片的偏弯量。第一膜片的偏弯特性由曲线202示出，而第二膜片的偏弯特性由曲线204示出。如图所示，随着从零开始增加的施加力，从曲线202可以看出，第一膜片的偏弯程度大于第二膜片的偏弯程度。在曲线图上有一个在约0.7N处由垂直线206指示的点，该点表示第一膜片与掩埋腔接触，掩埋腔操作为限制第一膜片的进一步自由偏弯(该状况如上文所述，如图3C所示)。从这一点继续，曲线204示出了第二膜片显示出增加的偏弯度，而在此点之前，第二膜片的偏弯是微小的。随着持续施加力，曲线204示出了第二膜片的持续偏弯。因此，该图用于沿施加力的范围显示出传感器组件的的第一和第二膜片的偏弯特性(在此示例中，对应于第一膜片的偏弯，是从0至约0.7N的范围；和对应于第二膜片的偏弯，是0.7至10N的范围)，由此操作为在力压强范围内提供用于确定施加在其上的力的精确信息。

图5是曲线图300，其示出了作为施加力的函数的、第一和第二隔膜或膜片的灵敏度量。第一膜片的灵敏度特性由曲线302示出，而第二膜片的灵敏度特性由曲线304示出。如图所示，随着从零开始增加的施加力，从曲线302可以看出，第一膜片的灵敏水平相对大于第二膜片的灵敏水平。在曲线图上有一个在约0.7N处由垂直线306指示的点，该点表示第一膜片与掩埋腔接触，掩埋腔操作为限制第一膜片的进一步自由偏弯(该状况如上文所述，如图3C所示)。从这一点继续，曲线302示出了第一膜片的灵敏度的迅速降低，相反，曲线304示出了根据增加的施加力而几乎呈直线或线性的灵敏度水平。为了测量精度，第二膜片显示的这种线性灵敏度特性是期望的。因此，该图用于沿施加力的范围显示出传感器组件的的第一和第二膜片的灵敏度特性(在此示例中，对应于第一膜片的偏弯，是0至约0.7N的范围；和对应于第二膜片的偏弯，是0.7至10N的范围)，由此操作为在力压强范围内提供用于确定施加在其上的力的精确信息。

本文所公开的传感器组件的特征包括一种配置，该配置通过使用第一膜片和掩埋腔以及第二膜片和背侧腔来有助于在力范围上的力确定，这对于常规传感器组件是不可能的。该传感器组件可以例如通过第一和第二膜片的尺寸、掩埋腔的深度、和/或背侧腔的深度来定制，以在力范围的不同区域内提供期望的测量精度。此外，这样的传感器组件操作为通过掩埋腔的存在(即，通过与其接触)而物理地限制第一膜片的偏弯程度，从而最小化在使用期间第一膜片的可能的撕裂或其他故障，这可增加有效的传感器组件的使用寿命。此外，虽然本文公开的传感器组件在用作力传感器的上下文中进行了描述，但是可以用于诸如压力传感器等的其他应用中。