CN106648218B - 集成力感测元件 - Google Patents

集成力感测元件 Download PDF

Info

Publication number
CN106648218B
CN106648218B CN201610967053.XA CN201610967053A CN106648218B CN 106648218 B CN106648218 B CN 106648218B CN 201610967053 A CN201610967053 A CN 201610967053A CN 106648218 B CN106648218 B CN 106648218B
Authority
CN
China
Prior art keywords
sensing element
force sensing
strain gauge
piezoelectric sensor
hmi
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201610967053.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN106648218A (zh
Inventor
威洋·徐
史蒂夫·库默尔
马克·斯蒂芬·托特
阿洛科·洛希亚
特里·李·斯卡利
李圣倍
斯科特·罗伯特·萨默费尔特
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Texas Instruments Inc
Original Assignee
Texas Instruments Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Texas Instruments Inc filed Critical Texas Instruments Inc
Publication of CN106648218A publication Critical patent/CN106648218A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106648218B publication Critical patent/CN106648218B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/041—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means
    • G06F3/0416—Control or interface arrangements specially adapted for digitisers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/16—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/041—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means
    • G06F3/0414—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means using force sensing means to determine a position
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/041—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means
    • G06F3/044—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by capacitive means
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/041—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means
    • G06F3/045—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means using resistive elements, e.g. a single continuous surface or two parallel surfaces put in contact

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Human Computer Interaction (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)

Abstract

本发明揭示一种集成力感测元件，其包含形成在集成电路IC芯片中的压电传感器及至少部分地上覆于所述压电传感器的应变计，其中所述压电传感器能够弯曲。一种使用所述集成力感测元件的人机接口可包含调节电路、温度计、FRAM及处理器核心。

Description

集成力感测元件
技术领域
所揭示实施例大体上涉及人机接口(HMI)的领域。更确切地说，且并非作为任何限制，本发明涉及一种用于HMI中的集成力感测元件。
背景技术
电阻式及电容式触摸屏被开发用于LCD显示器以作为用户接口的一种形式，即，图形接口。这些触摸屏适合于较大阵列的应用，但制造昂贵。当阵列较大时，触摸屏在“每个像素”基础上有成本效益。然而，对于分散式“按钮”应用，触摸屏与机械式按钮相比往往比较昂贵。先前技术HMI受到以下限制：
●归因于人体中的含水量，电容式触摸式HMI检测到介电常数增大。戴着手套时，他们常常会失败。如果针对高敏感度进行调整，那么对经过的含水或金属物体进行的假性检测可能会成问题。
●电阻式触摸技术取决于由聚合物薄层分离的导电元件。导电元件可在重复使用之后或在长期暴露于压力及/或湿度之后形成电阻式泄漏路径。导电元件在重复接触之后的磨损还可引起在使用下的偶发性断路。
●相似地，机械式按钮还经由重复使用而遭受磨损。另外，其通常需要控制面板中存在电洞，所述电洞允许水或污染物进入。归因于移动，这会产生磨损之外的额外可靠性担忧。
●除了稳固性担忧以外，前述HMI方法都不可感测相互作用(接触)的力或速度。可与对接触(即，冲击)的力及速度的人体感测相关的HMI将极大地增强用户体验。
发明内容
本专利申请案揭示一种稳固性集成力感测元件及HMI，其经由相互作用的力及速度而感测接触且可充当开关。所述装置具有以下特征：
●压电传感器元件，
●应变计，及
●可任选的集成电路，其检测及测量来自所述压电传感器及应变计的信号。
当压电传感器受应力时(例如，当将力施加到压电传感器时)，压电传感器泵送电荷且产生电能。这个传感器可检测应力相对于时间的改变，且用以检测应力事件改变。将压电传感器连接到高通电路，所述高通电路帮助检测归因于快速动量改变(例如，冲击)而与HMI进行的初始接触。在适当布置中，压电传感器还可检测归因于装置移动而发生的动量改变。压电传感器并不适合于DC力测量，而是用以区分刺激的速度。在相同的力水平下，较快刺激产生较强信号；因此，可使用压电传感器来区分用户动作的紧急程度。应变计经配置以采取DC力测量，且可检测长期应力改变。举例来说，应变计可经布置以形成惠斯通电桥(Wheatstone bridge)。
通过合并两种类型的力传感器，可实施有效的力敏或压敏开关。将电路连接到低功率比较器，且电路可保持在低功率模式中直到压电元件唤醒电路为止。因为电路会不可避免地使由压电元件产生的电荷渗移，所以压电传感器用以测量冲击力而非静态(DC)力。为了最小化功率消耗，应变计依赖于来自压电电路的触发。一旦触发应变计，这个传感器可用以判定应力的绝对水平。不同于先前解决方案，所揭示的力感测元件可区分接触力，可区分接触的冲击速度，允许多重触摸模式HMI(例如，第一触摸用以唤醒、第二触摸用以启动)，且使得能够使用传感器数据来进行比例触觉反馈。
一方面，揭示集成力感测元件的一实施例。所述集成力感测元件包含：压电传感器，其形成在集成电路(IC)芯片中；及应变计，其至少部分地上覆于所述压电传感器，其中所述压电传感器能够弯曲。
一方面，揭示人机接口(HMI)的一实施例。所述HMI包含：集成电路(IC)芯片，其包括集成力感测元件，所述集成力感测元件包括压电传感器及应变计，所述应变计至少部分地上覆于所述压电传感器，其中所述压电传感器能够弯曲；处理器核心；及调节电路，其经附接以从所述压电传感器及所述应变计接收输出且将经调节信号提供到所述处理器核心，其中所述处理器核心可操作地经连接以将控制信号发送到装置。
所揭示的实施例的优点包含：
●在稳态模式中的较低功率消耗；
●HMI的新维度：
o力；
o冲击；
●稳固性：
o极小运动，归因于重复电接触而无电极磨损；
o对环境湿气、水、金属污染物不敏感；
●容易与CMOS电子件集成。
附图说明
本发明的实施例作为实例而非作为限制在随附图式的各图中说明，在随附图式中，相同参考指示相似元件。应注意，对本发明中的“一”或“一个”实施例的不同参考未必是参考同一实施例，且此类参考可意指至少一个。另外，当结合一实施例来描述一特定特征、结构或特性时，应理解，无论是否予以明确地描述，结合其它实施例来实现此特征、结构或特性均在所属领域的技术人员的知识范围内。
为了说明本发明的一或多个示范性实施例，将随附图式并入到说明书中且形成说明书的部分。将从以下详细【具体实施方式】理解本发明的各种优点及特征，【具体实施方式】结合所附权利要求书且参考随附图式进行，在诸图中：
图1A及1B描绘根据本发明的实施例的实例力感测元件的俯视图及侧视图；
图2描绘根据本发明的实施例的可允许开关区中的芯片挠曲的经蚀刻引线框架的侧视图；
图3描绘根据本发明的实施例的允许开关区中的芯片挠曲的封装***；
图4A及4B描绘根据本发明的实施例的实例力感测元件的俯视图及侧视图；
图5描绘根据本发明的实施例的用于感测DC力的实例电路；
图6描绘根据本发明的实施例的用于AC力测量的铁电电容器(FeCAP)阵列的实例；
图7描绘根据本发明的实施例的集成力感测元件的实例；
图8A描绘根据本发明的实施例的充当运动传感器的力感测元件的实例；
图8B说明与图8A的力感测元件相关联的时序图；
图9A描绘根据本发明的实施例的图8A的力感测元件的实例，其中电阻器由电容器DAC替代以减小静态功耗；
图9B说明与图9A的力感测元件相关联的时序图；
图10描绘根据本发明的实施例的实例人机接口的方块图。
具体实施方式
现在将参考附图详细描述本发明的特定实施例。在本发明的实施例的以下详细描述中，阐述了许多特定细节以便更彻底地理解本发明。然而，所属领域的技术人员将显而易知，可以在没有这些特定细节的情况下实践本发明。在其它情况下，众所周知的特征不再详细描述，从而避免了不必要地使描述变复杂。
现在参看图式，且更确切地说参看图1A及1B，根据本发明的实施例展示集成力感测元件100的俯视图及侧视图。开关100包含压电传感器102及应变计104。在这个图中所见的实施例中，压电传感器102包含串联连接的铁电电容器102A、102B、102C、102D及102E的阵列，而应变计104包含经布置以形成惠斯通电桥的四个薄膜电阻器104A、104B、104C、104D的集合。应变计104部分地上覆于压电传感器102以使得两个传感器都接收基本上相同的应变。如侧视图中所见，压电传感器102形成在介电膜112上。介电膜112可如所展示形成在硅层110上，或可形成在后续层中。在至少一个实施例中，压电传感器102的形成与例如铁电随机存取存储器(FRAM)的相似元件的形成相协调。压电元件102具有由压电膜层116分离的下部电极层114及上部电极层118。在至少一个实施例中，压电膜116是锆钛酸铅(PZT)。在替代实施例中，压电膜可为氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)或已知或未知的任何其它压电膜。上部电极层118及下部电极层114可为诸如Ir、Ti、Pt、Pd、Au、Al、Ru、Rh的金属、金属的氧化物，或其多层组合。在至少一个实施例中，电极由氮化钛铝(TiAlN)层及铱层组成。介电层120使压电传感器102与应变传感器104分离。应变计104由诸如镍铬、硅铬及氮化钽硅的薄膜电阻器材料形成。在至少一个实施例中，应变计104由硅铬(SiCr)形成。
为了增大集成力感测元件100的响应性，可在安装期间在图1的元件下方产生空腔。此空腔的一个实施例在说明引线框架200的侧视图的图2中展示。空腔202是通过蚀刻而产生在引线框架200中，且空腔202位于将在安装IC芯片之后下伏于力感测元件100的区中。为了进一步增大开关100的响应性，将最终硅IC厚度薄化到100微米或更小。在至少一个实施例中，将硅IC厚度薄化到小于75微米。在至少一个实施例中，将最终硅IC厚度薄化到小于50微米。
图3说明允许开关100区中的芯片挠曲的封装***。这个图说明安装到印刷电路板(PCB)310的四方扁平无引线(QFN)封装体312的四分之一模型。QFN封装体312包含IC芯片314，其已安装到QFN引线框架316且囊封在模制化合物318中。当QFN引线框架316焊接在PCB310上时，中心处的QFN引线框架316的底部与PCB 310之间存在小间隙，从而产生具有支座的所要“空腔”。随后，当将压力施加到区域320时，IC芯片314能够充分弯曲以将自发电荷提供在形成于IC芯片314内的压电传感器上。尽管仅已展示产生邻近于开关100的空腔的两种方法，但应理解，所属领域的技术人员可容易地构想替代实施例以实现相同目的。
图4A及4B说明组合式力感测元件400的替代版本的俯视图及侧视图。在这个实施例中，开关400并不需要依赖于空腔在封装或安装期间的产生。实情为，微机电***(MEMS)空腔蚀刻到硅晶圆410中，接着填充有顺应材料422。一旦空腔产生及已填充，结构性介电层412在压电传感器402形成之前沉积。压电传感器402包含第一电极414、压电材料416及第二电极418。另外介电层420使第二电极418与形成应变计404的薄膜电阻器层分离。不同于图1的应变计，应变计404A、404B、404C、404D中的每一者遵循蛇形路径。顺应材料424上覆于开关400以供保护。顺应材料层422及424(其可为相同材料或不同材料)允许隔膜相对于硅晶圆移动而防止超程及损坏。关于图4的压电传感器及MEMS空腔的另外资讯可在与Wei-YanShih共同申请的美国专利申请案第2015/0226618号找到，所述申请案特此以引用的方式并入。
所揭示的实施例中的压电层及薄膜电阻器将与硅的顶部表面接收相同的应变。以下诸图说明用以使用压电传感器及应变计来捕获及测量应变量的电路。图5说明用于使用诸如应变计104的应变计进行DC力传感的电路500。电路500包含经连接以形成惠斯通电桥504的四个薄膜电阻器，其中输入电压Vin及接地连接到所述布电桥的相对侧。惠斯通电桥504的输出端Vout+及Vout-连接到高输入阻抗仪表放大器510的输入终端。仪表放大器510含有输入缓冲放大器514、516，输入缓冲放大器514、516中的每一者使其反相输入端连接到连接在仪表放大器510的两个输出端之间的分压器。分压器包含固定电阻器R1及R2，每一电阻器连接在输入缓冲放大器514、516中的一者的反相输入端与对应输出端之间，且可变电阻器R3连接在电阻器R1与R2之间。可周期性地检查电路500以检测所揭示开关的长期应力改变。惠斯通电桥504的输出信号是对应于施加到IC芯片(惠斯通电桥建置在其中)表面的应变的信号。所属领域的技术人员将认识到，除了惠斯通电桥以外，还可使用电阻器的其它配置。
与图5的DC测量相反，图6说明用于使用诸如传感器102的压电传感器进行AC力感测的电路600。在这个实施例中，压电传感器包括FeCAP阵列602，其中FeCAP阵列602的终端连接到专用电荷放大器610的输入端。电荷放大器610的每一输入终端及相应输出终端与电容器CF及电阻器RF并联连接。电荷放大器610通过为对应的反馈电容器CF充电而平衡注入到每一输入端中的电荷。电阻器RF使电荷以低速率渗移离开对应的电容器CF以防止放大器漂移到饱和状态中。电阻器RF还向输入端提供DC偏置路径。RF及CF的值设置放大器的截止频率。FeCAP阵列602包含数个铁电电容器，其以串联及平行组合的形式布置以用于与CMOS电子件最佳地介接。当AC力入射时，串联连接会增大输出电压，而平行连接会增大传感器电容，从而使传感器对放大器的接口处的寄生电容器具有稳固性。尽管所揭示实施例展示十二个FeCAP，但应理解，这种情形仅为实例，且并非限制因素。提供到阵列602的外部入口612，以使可在极化期间施加偏振电压。极化通过使铁电材料在短时间段内服从高电场而迫使铁电材料中的微偶极进入所要对准。
当FeCAP及TFR两者都可用于DC及AC力感测时，如本文中所揭示，图7中所展示的架构可用于读取所述力的DC及AC分量两者。电路700包含具有高阻抗输入端的仪表放大器510。TFR电桥504及FeCAP阵列602各自连接到多路复用器701的输入端，多路复用器701又连接到仪表放大器510的输入终端。可接着以时间多路复用的方式来读取力的两个分量。
图8A说明亚微瓦电源唤醒***800，其使用如所揭示的FeCAP阵列来检测运动及提供唤醒信号以作为根据本发明的实施例的***800的输出。当***800经历运动时，电压将在FeCAP阵列802上出现，电路800对照阈值VTH来测量所得电压。当FeCAP阵列802上的电压超过阈值时，信号被触发。包括电阻器R1、R2、R3的电阻式分压器将电压VTH及VTH'提供到相应的连接点。直接地将阈值电压VTH提供到比较器810的非反相输入端。伪电阻器812连接在VTH'与开关S1之间，而开关S1连接到比较器810的反相输入端。FeCAP阵列802附接到伪电阻器812与开关S1之间的连接点。尽管FeCAP阵列802经展示为仅两个电容器，但应理解，这仅仅是为了简化及说明目的且并非限制。
伪电阻器812是实施为一或多个晶体管的电阻式元件，且充当FeCAP阵列802的偏置电路。开关S0在闭合时会连接比较器810的反相及非反相输入端且提供比较器的自动归零，而开关S1允许经由比较器810而对FeCAP阵列802进行取样。在这个图中，比较器功率消耗可通过负荷循环信号CMP Enable(未特定地展示)而缩减。然而，电阻式分压器将消耗静态功率。图8B说明CMP Enable信号的时序图，自动归零信号(S0)及取样信号(S1)展示在电路下方。如所展示，在启用比较器810的周期期间，开关S0首先闭合以提供比较器的自动归零；一旦开关S0断开，开关S1就闭合以允许对FeCAP阵列802进行取样。
图9A说明图8A的实施例，其中电阻器R1、R2、R3及伪电阻器812由开关电容器的数/模转换器(DAC)906替代，数/模转换器(DAC)906可为二进制加权DAC。电容器908并联连接以提供等效的串联电阻，其中在此实例中的最右侧电容器提供最高有效位。电容器908中的每一者的第一终端可经切换以连接到VDD或接地，而第二终端连接到比较器910的非反相输入端且可使用开关S0来切换以连接到接地。FeCAP阵列902连接在比较器910的反相输入端与接地之间。开关S1在闭合时会使开关电容器DAC 906连接到FeCAP阵列902。电路900可操作以量化在FeCAP阵列902上出现的电荷量，且可提供具有多重设置的开关。
如下参看图9B来论述电路900的操作：
●首先，开关S0、S1、S2都断开；
●开关S0闭合，且将DAC 906的开关912设置为000…0以提供DAC 906的复位920；
●开关S0断开，且将开关912设置为000…1以产生电压共模(VCM)925，亦即，DAC906的输出端处的VDD/2；
●开关S1接着闭合以提供VDD/2以作为FeCAP阵列902的输出端处的偏置值；
●开关S2闭合以启用比较器910及提供自动归零930，随后断开开关S1；
●可接着提供DAC 906的所要阈值；及
●将FeCAP阵列902与DAC 906的当前值进行比较935。
在至少一个实施例中，逐次近似寄存器(SAR)算法用以提供DAC 906的阈值以供比较。在至少一个实施例中，可一个步骤将FeCAP阵列902与FeCAP阵列902的普通值以上的阈值相比较，且一个步骤将FeCAP阵列902与所述普通值以下的阈值相比较。举例来说，如果FeCAP阵列902已接收到负电压，那么可将阈值设置成较低直到找到适当值为止。仿真已展示所提议的架构可能消耗小于1μW。
图10描绘根据本发明的实施例的人机接口***1000的方块图。如这个图中所见，HMI***1000包含一或多个力感测元件1002、一或多个处理器核心1004、调节电路1006、FRAM 1008、温度传感器及关联电路***1010、通信接口1012及模/数转换器(ADC)1014，所述组件中的每一者直接地或经由其它元件而连接到共同总线电路1016。力感测元件1002组合集成压电传感器及应变计，如本文中已揭示。在至少一个实施例中，力感测元件102实施为推按按钮。在至少一个实施例中，力感测元件102是更大表面的部分且提供对不同水平的压力敏感的区域。在至少一个实施例中，力感测元件102是运动检测器，其侦测传感器嵌入在其中的物体的运动。在至少一个实施例中，力感测元件102提供多级输出信号且通过力感测元件1002的输出端提供到的电路而实现多个决策等级。
调节电路1006从力感测元件1002接收信号且将经调节信号提供到模/数转换器(ADC)1014，模/数转换器(ADC)1014又将经转换信号提供到处理器核心1004。在至少一个实施例中，ADC 1014包括于处理器核心1004中。由调节电路1006提供的调节可包含放大信号，正如所属领域的技术人员所知。在一个实施例中，处理器核心1004是微控制器。FRAM 1008可用作还含有FeCAP或其它铁电组件的***的记忆体。在至少一个实施例中，使用相同处理步骤将FeCAP(其形成力感测元件1002的部分)的形成物及FRAM 1008形成在单芯片上以同时形成两个组件。
即使在不施加力的情况下，归因于压电陶瓷的热电性质，温度改变可造成电压跨越任何压电换能器的电极而出现。温度还影响压电陶瓷的其它性质(诸如弹性)、介电及压电耦接。为了允许调整由温度造成的电压，将温度传感器及关联电路***1010提供在***中。与温度传感器相关联的电路***可包含其自身的调节电路(未特定地展示)及ADC(也未展示)。如果ADC 1014包括于处理器核心1004中，那么多路复用器(未特定地展示)可用以按时间多路复用的方式从包括力感测元件1002及温度传感器1010的各种传感器接收数据。最终，通信接口1012提供处理器核心1004可响应于在力感测元件1002处接收到的输入而将信号提供到另一电路或机器所用的构件。在至少一个实施例中，以无线方式发送信号。在至少一个实施例中，将HMI***1000集成到更大***中以使得力感测元件1002可将开关输入提供到更大***。应理解，可提供HMI***1000的组件以作为分离组件。在至少一个实施例中，将力感测元件1002及HMI***1000的其它元件中的一或多者提供在单一IC芯片上。
尽管已展示及详细描述各种实施例，但权利要求书并不限于任何特定实施例或实例。以上【具体实施方式】应不被视为隐含任何特定组件、元件、步骤、动作，或功能是基本的以使得其一定包括于权利要求书的范围中。除非明确地如此陈述，否则以单数形式参考元件并非意欲意指“一个且仅仅一个”而是“一或多个”。上文所描述的实施例的元件的所有结构性及功能性等效物(其对于所属领域的技术人员为已知的)明确地以引用的方式并入本文中，且意欲由当前权利要求书涵盖。因此，所属领域的技术人员将认识到，可在所附权利要求书的精神和范围内进行各种修改及更改的情况下实践本文中所描述的示范性实施例。

Claims (19)

1.一种集成力感测元件，其包括：
硅层，其具有相对的第一表面和第二表面；
第一介电层，其在所述第二表面上；
压电传感器，其包括：在所述第一介电层上的第一电极、在所述第一电极上的压电材料、以及在所述压电材料上的第二电极；
第二介电层，其在所述第二电极上；
应变计，其在所述第二介电层上，所述应变计至少部分地上覆于所述压电传感器，所述应变计包括形成惠斯通电桥的四个薄膜电阻器；
印刷电路板；及
引线框架，其安装到所述印刷电路板，所述硅层的所述第一表面附接到所述引线框架，所述引线框架具有介于所述印刷电路板和所述压电传感器之间的空腔。
2.根据权利要求1所述的集成力感测元件，其中所述硅层具有75微米的厚度或更小的厚度。
3.根据权利要求2所述的集成力感测元件，其中所述硅层具有50微米的厚度或更小的厚度。
4.根据权利要求1所述的集成力感测元件，其中所述空腔的至少部分延伸穿过所述引线框架到所述第一表面。
5.根据权利要求1所述的集成力感测元件，其中所述空腔介于所述印刷电路板和所述引线框架之间。
6.根据权利要求1所述的集成力感测元件，其中所述空腔的至少部分通过蚀刻所述引线框架形成。
7.根据权利要求1所述的集成力感测元件，其进一步包括囊封至少所述第二介电层和所述应变计的模制化合物。
8.根据权利要求1所述的集成力感测元件，其中所述压电传感器包括选自由锆钛酸铅PZT、氮化铝AlN及氧化锌ZnO所组成的群组的铁电材料。
9.根据权利要求1所述的集成力感测元件，其中所述应变计包括硅铬SiCr。
10.根据权利要求1所述的集成力感测元件，其中所述硅层包括信号调节电路，所述信号调节电路包括：耦合到所述压电传感器的第一输入、耦合到所述应变计的第二输入、以及经调节信号输出。
11.一种人机接口HMI，其包括：
集成力传感器，所述集成力传感器包括：
硅层，其具有相对的第一表面和第二表面；
第一介电层，其在所述第二表面上；
压电传感器，其包括：在所述第一介电层上的第一电极、在所述第一电极上的压电材料、以及在所述压电材料上的第二电极；
第二介电层，其在所述第二电极上；及
应变计，其在所述第二介电层上，所述应变计至少部分地上覆于所述压电传感器，所述应变计包括形成惠斯通电桥的四个薄膜电阻器；
印刷电路板；及
引线框架，其安装到所述印刷电路板，所述硅层的所述第一表面附接到所述引线框架，所述引线框架具有介于所述印刷电路板和所述压电传感器之间的空腔；
处理器核心；及
调节电路，其包括：耦合到所述压电传感器的第一输入、耦合到所述应变计的第二输入、以及耦合到所述处理器核心的经调节信号输出。
12.根据权利要求11所述的HMI，其中所述硅层具有75微米的厚度或更小的厚度。
13.根据权利要求11所述的HMI，其中所述空腔的至少部分延伸穿过所述引线框架到所述第一表面。
14.根据权利要求11所述的HMI，其中所述空腔介于所述印刷电路板和所述引线框架之间。
15.根据权利要求11所述的HMI，其中所述空腔的至少部分通过蚀刻所述引线框架形成。
16.根据权利要求11所述的HMI，其进一步包括囊封至少所述第二介电层和所述应变计的模制化合物。
17.根据权利要求11所述的HMI，其中所述压电传感器包括选自由锆钛酸铅PZT、氮化铝AlN及氧化锌ZnO组成的群组的铁电材料。
18.根据权利要求11所述的HMI，其中所述应变计包括硅铬SiCr。
19.根据权利要求11所述的HMI，其中所述处理器核心、所述调节电路、随机存取存储器RAM、温度传感器或者通信接口中的至少一者于所述硅层中形成。
CN201610967053.XA 2015-10-29 2016-10-28 集成力感测元件 Active CN106648218B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/926,265 2015-10-29
US14/926,265 US10353503B2 (en) 2015-10-29 2015-10-29 Integrated force sensing element

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106648218A CN106648218A (zh) 2017-05-10
CN106648218B true CN106648218B (zh) 2021-04-06

Family

ID=58637493

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610967053.XA Active CN106648218B (zh) 2015-10-29 2016-10-28 集成力感测元件

Country Status (2)

Country Link
US (2) US10353503B2 (zh)
CN (1) CN106648218B (zh)

Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105867687A (zh) * 2016-03-29 2016-08-17 京东方科技集团股份有限公司 触控面板及显示装置
US10444913B2 (en) * 2016-04-15 2019-10-15 Lg Display Co., Ltd. Driving circuit, touch display apparatus, and method for driving touch display apparatus
DE102017204402A1 (de) * 2017-03-16 2018-09-20 Robert Bosch Gmbh Bauelement mit mikromechanischem Sensormodul
US10873020B2 (en) * 2017-08-08 2020-12-22 Texas Instruments Incorporated Piezoelectric sensing apparatus and method
JP2019066312A (ja) 2017-09-29 2019-04-25 ミネベアミツミ株式会社 ひずみゲージ
JP6793103B2 (ja) 2017-09-29 2020-12-02 ミネベアミツミ株式会社 ひずみゲージ
JP2019066453A (ja) 2017-09-29 2019-04-25 ミネベアミツミ株式会社 ひずみゲージ
JP2019066454A (ja) 2017-09-29 2019-04-25 ミネベアミツミ株式会社 ひずみゲージ、センサモジュール
US11105676B2 (en) * 2017-11-28 2021-08-31 Texas Instruments Incorporated Piezo-electric sensor reset
JP2019113411A (ja) * 2017-12-22 2019-07-11 ミネベアミツミ株式会社 ひずみゲージ、センサモジュール
JP2019184344A (ja) 2018-04-05 2019-10-24 ミネベアミツミ株式会社 ひずみゲージ及びその製造方法
JP2019219184A (ja) * 2018-06-15 2019-12-26 株式会社バルカー 判定回路、および判定方法
CN110857898A (zh) * 2018-08-22 2020-03-03 精量电子（深圳）有限公司 一种充油压力传感器
WO2020085247A1 (ja) 2018-10-23 2020-04-30 ミネベアミツミ株式会社 アクセルペダル、ステアリング、６軸センサ、エンジン、バンパー等
CN109860384B (zh) * 2019-01-17 2022-07-01 业成科技（成都）有限公司 应变规驱动压电装置
US11653568B2 (en) * 2020-01-08 2023-05-16 Texas Instmments Incorporated Integrated circuit stress sensor
CN113163045B (zh) * 2020-01-22 2023-08-04 华为技术有限公司 一种压力检测结构及电子设备
WO2021154721A1 (en) * 2020-01-27 2021-08-05 Orthosensor, Inc. A medical sensor and method
US20220196493A1 (en) * 2020-12-17 2022-06-23 The Boeing Company Stress sensor and methods of operating same
US11430747B2 (en) 2020-12-31 2022-08-30 Texas Instruments Incorporated Strain-induced shift mitigation in semiconductor packages

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5915267A (en) * 1997-12-09 1999-06-22 Daewoo Electronics Co., Ltd. Method for measuring piezoelectric constant of thin film shaped piezoelectric material
US7287433B2 (en) * 2005-06-27 2007-10-30 Denso Corporation Pressure sensor
US7901729B2 (en) * 2005-01-11 2011-03-08 Ngk Insulators, Ltd. Method of manufacturing a piezoelectric/electrostrictive device
US7934430B2 (en) * 2007-11-01 2011-05-03 Fairchild Semiconductor Corporation Die scale strain gauge
CN103493510A (zh) * 2011-02-15 2014-01-01 富士胶卷迪马蒂克斯股份有限公司 使用微圆顶阵列的压电式换能器
WO2015050247A1 (ja) * 2013-10-04 2015-04-09 株式会社フジクラ 半導体圧力センサ

Family Cites Families (57)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4071691A (en) * 1976-08-24 1978-01-31 Peptek, Inc. Human-machine interface apparatus
US4445384A (en) * 1982-03-30 1984-05-01 Honeywell Inc. Piezoelectric pressure sensor
US4853669A (en) * 1985-04-26 1989-08-01 Wisconsin Alumni Research Foundation Sealed cavity semiconductor pressure transducers and method of producing the same
US4823605A (en) * 1987-03-18 1989-04-25 Siemens Aktiengesellschaft Semiconductor pressure sensor with casing and method for its manufacture
JPH02119784U (zh) * 1989-03-08 1990-09-27
US5134887A (en) * 1989-09-22 1992-08-04 Bell Robert L Pressure sensors
JPH0797649B2 (ja) * 1990-03-07 1995-10-18 三菱電機株式会社 半導体圧力センサ装置およびその製造方法
US5397911A (en) * 1991-04-02 1995-03-14 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Semiconductor sensor with plural gate electrodes
US5815900A (en) * 1995-03-06 1998-10-06 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Method of manufacturing a surface acoustic wave module
JPH09149941A (ja) * 1995-12-01 1997-06-10 Tokai Rika Co Ltd 体内挿入用医療器具のセンサ
US7728715B2 (en) * 1996-01-23 2010-06-01 En-Gauge, Inc. Remote monitoring
DE602004027372D1 (de) * 2003-05-26 2010-07-08 Murata Manufacturing Co Piezoelektrische elektronische komponente
US7884432B2 (en) * 2005-03-22 2011-02-08 Ametek, Inc. Apparatus and methods for shielding integrated circuitry
JP5174673B2 (ja) * 2005-10-14 2013-04-03 エスティーマイクロエレクトロニクス エス．アール．エル． 基板レベル・アセンブリを具えた電子装置及びその製造処理方法
US20080011058A1 (en) * 2006-03-20 2008-01-17 The Regents Of The University Of California Piezoresistive cantilever based nanoflow and viscosity sensor for microchannels
JP5010451B2 (ja) * 2007-09-11 2012-08-29 アルプス電気株式会社 入力装置
US7848135B2 (en) * 2008-09-19 2010-12-07 International Business Machines Corporation Piezo-driven non-volatile memory cell with hysteretic resistance
KR101520070B1 (ko) * 2008-09-22 2015-05-14 삼성전자 주식회사 압전형 마이크로 스피커 및 그 제조 방법
DE102008042489B4 (de) * 2008-09-30 2018-07-26 Robert Bosch Gmbh Werkstückverbund sowie Verwendung des Werkstückverbundes
US8384679B2 (en) * 2008-12-23 2013-02-26 Todd Robert Paleczny Piezoelectric actuator arrangement
US8305358B2 (en) * 2009-02-10 2012-11-06 Sony Ericsson Mobile Communications Ab Sensor, display including a sensor, and method for using a sensor
US8770035B2 (en) * 2009-07-24 2014-07-08 Rohm Co., Ltd. Semiconductor pressure sensor, pressure sensor apparatus, electronic equipment, and method of manufacturing semiconductor pressure sensor
DE102009044980A1 (de) * 2009-09-24 2011-03-31 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur Herstellung eines Sensorbauelementes ohne Passivierung sowie Sensorbauelement
US8436806B2 (en) * 2009-10-02 2013-05-07 Research In Motion Limited Method of synchronizing data acquisition and a portable electronic device configured to perform the same
FR2951014B1 (fr) * 2009-10-06 2011-11-25 Commissariat Energie Atomique Structure d'actionnement piezoelectrique comportant une jauge de contrainte piezoresistive integree et son procede de realisation
US8633916B2 (en) * 2009-12-10 2014-01-21 Apple, Inc. Touch pad with force sensors and actuator feedback
KR101843185B1 (ko) * 2011-06-20 2018-03-29 삼성전기주식회사 관성센서
PL2590629T3 (pl) * 2010-07-09 2015-04-30 Innocore Tech B V Segmentowane kopolimery wieloblokowe z rozdziałem faz oraz uwalnianie biologicznie czynnych polipeptydów
WO2012033837A2 (en) * 2010-09-08 2012-03-15 Micropen Technologies Corporation Pressure sensing or force generating device
IT1402181B1 (it) * 2010-09-13 2013-08-28 Fond Istituto Italiano Di Tecnologia Dispositivo microelettromeccanico elettro-attivo e relativo procedimento di rivelazione
JP5418618B2 (ja) * 2011-03-23 2014-02-19 株式会社デンソー 圧力センサ
JP5610069B2 (ja) * 2011-05-09 2014-10-22 株式会社村田製作所 圧電発電装置
US20130018489A1 (en) * 2011-07-14 2013-01-17 Grunthaner Martin Paul Combined force and proximity sensing
US8496842B2 (en) * 2011-09-12 2013-07-30 Texas Instruments Incorporated MEMS device fabricated with integrated circuit
FR2979991B1 (fr) * 2011-09-14 2014-04-25 Commissariat Energie Atomique Capteur de pression piezoelectrique
US8988384B2 (en) * 2011-09-23 2015-03-24 Apple Inc. Force sensor interface for touch controller
JPWO2013046670A1 (ja) * 2011-09-27 2015-03-26 京セラ株式会社 触感呈示装置
KR20130077393A (ko) * 2011-12-29 2013-07-09 삼성전기주식회사 관성센서 및 그 제조방법
JP5410555B2 (ja) * 2012-01-26 2014-02-05 京セラドキュメントソリューションズ株式会社 タッチパネル装置
JP5701807B2 (ja) * 2012-03-29 2015-04-15 株式会社東芝 圧力センサ及びマイクロフォン
CN104246460B (zh) * 2012-04-17 2017-05-10 株式会社村田制作所 按压力传感器
DE102013001159A1 (de) * 2013-01-24 2014-07-24 Hella Kgaa Hueck & Co. Flüssigkeitsdrucksensor
JP5988494B2 (ja) * 2013-02-04 2016-09-07 富士フイルム株式会社 角速度センサ及びその製造方法
US9772314B2 (en) * 2013-12-18 2017-09-26 Seiko Epson Corporation Ultrasonic sensor and measuring method using the same, and method of manufacturing ultrasonic sensor
AU2015100011B4 (en) * 2014-01-13 2015-07-16 Apple Inc. Temperature compensating transparent force sensor
US9970831B2 (en) 2014-02-10 2018-05-15 Texas Instruments Incorporated Piezoelectric thin-film sensor
US9350319B2 (en) * 2014-02-24 2016-05-24 Siemens Energy, Inc. Self-powered sensing and transmitting device and method of fabricating the same
US20150296607A1 (en) * 2014-04-11 2015-10-15 Apple Inc. Electronic Device With Flexible Printed Circuit Strain Gauge Sensor
US9638597B2 (en) * 2014-09-24 2017-05-02 Nxp Usa, Inc. Differential pressure sensor assembly
US9690408B1 (en) * 2014-09-26 2017-06-27 Apple Inc. Electronic device with an integrated touch sensing and force sensing device
US9766725B2 (en) * 2015-04-22 2017-09-19 Uneo Inc. Force sensing module
US9835511B2 (en) * 2015-05-08 2017-12-05 Rosemount Aerospace Inc. High temperature flexural mode piezoelectric dynamic pressure sensor
CN205262665U (zh) * 2015-06-22 2016-05-25 意法半导体股份有限公司 压力传感器
US10549982B2 (en) * 2016-02-15 2020-02-04 Stmicroelectronics S.R.L. Pressure sensor encapsulated in elastomeric material, and system including the pressure sensor
ITUB20160759A1 (it) * 2016-02-15 2017-08-15 St Microelectronics Srl Sensore di pressione incapsulato in materiale elastomerico, e sistema includente il sensore di pressione
JP6595422B2 (ja) * 2016-08-24 2019-10-23 株式会社東芝 センサ及び電子機器
IT201800006827A1 (it) * 2018-06-29 2019-12-29 Metodo di test della chiusura ermetica di un incapsulamento

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5915267A (en) * 1997-12-09 1999-06-22 Daewoo Electronics Co., Ltd. Method for measuring piezoelectric constant of thin film shaped piezoelectric material
US7901729B2 (en) * 2005-01-11 2011-03-08 Ngk Insulators, Ltd. Method of manufacturing a piezoelectric/electrostrictive device
US7287433B2 (en) * 2005-06-27 2007-10-30 Denso Corporation Pressure sensor
US7934430B2 (en) * 2007-11-01 2011-05-03 Fairchild Semiconductor Corporation Die scale strain gauge
CN103493510A (zh) * 2011-02-15 2014-01-01 富士胶卷迪马蒂克斯股份有限公司 使用微圆顶阵列的压电式换能器
WO2015050247A1 (ja) * 2013-10-04 2015-04-09 株式会社フジクラ 半導体圧力センサ

Also Published As

Publication number Publication date
US11487381B2 (en) 2022-11-01
CN106648218A (zh) 2017-05-10
US10353503B2 (en) 2019-07-16
US20190339806A1 (en) 2019-11-07
US20170123548A1 (en) 2017-05-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106648218B (zh) 集成力感测元件
US9733268B2 (en) Systems and methods to determine stiction failures in MEMS devices
CN204495495U (zh) 一种三维力电容式触觉传感器单元
TWI632502B (zh) 具有手指偵測的指紋感測系統
KR20160135172A (ko) 향상된 감지소자를 갖는 정전용량 지문센서
JP2007086002A (ja) センサおよびセンサモジュール
KR20140026363A (ko) 터치 감지 디바이스의 초기화 프로세스 동안 도전성 오브젝트의 검출
CN105393099B (zh) 薄膜传感器
US20100077868A1 (en) Tactile sensor
US9435700B2 (en) Transducer arrangement for measuring load variations
JP6184006B2 (ja) 圧力センサ
CN110663183A (zh) 电容式检测接触和致动的方法
US20210389174A1 (en) Piezo-electric sensor reset
EP1914531B1 (en) Deformation detection sensor
US20160188948A1 (en) Sensing method and circuit of fingerprint sensor
CN107923934B (zh) 电容结构和在使用电容结构的情况下确定电荷量的方法
JPH0663725B2 (ja) 圧電センサ
GB2594336A (en) Force sensing systems
US11630012B2 (en) Pressure sensor with improved detection accuracy and compact design
US11448564B2 (en) Sensor arrangement and method of operating a sensor arrangement
KR101897150B1 (ko) 지문 검출 장치 및 방법
EP2466317A1 (en) Acceleration Threshold Detection
Tsai et al. A CMOS micromachined capacitive tactile sensor with compensation of process variations
CN117677828A (zh) 具有膜的偏移的接触识别的压力传感器以及压力传感器***和用于产生压力信号的方法
Surapaneni et al. A very high density floating electrode flexible sensor array for high-resolution measurements of contact forces

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant