CN117819471A - 一种阵列的mems压阻式触觉传感器封装设计方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种阵列的MEMS压阻式触觉传感器封装设计方法，包括以下步骤：在玻璃基板上制造出与阵列的MEMS压阻式触觉传感器上焊盘等大小、等间距的通孔，通孔填入导电金属材料；将触觉传感器倒装在玻璃基板，实现触觉传感器与玻璃基板下集成ASIC芯片电气通信。在硅衬底上制备出力传递微结构盖帽、固定框架；倒模出可产生变形的弹性结构；将力传递微结构盖帽和固定框架接合在一起，完成上层盖板制备；将上层盖板和MEMS压阻式触觉传感器对准键合。实现外部作用力与MEMS压阻式触觉传感器之间间接软接触，外部作用力通过力传递微结构盖帽，可以将力精准传递到阵列的MEMS压阻式触觉传感器的敏感元件上。

Description

一种阵列的MEMS压阻式触觉传感器封装设计方法

技术领域

本发明涉及阵列的MEMS压阻式触觉传感器与ASIC芯片集成技术领域，以及对阵列的MEMS压阻式触觉传感器的抗环境干扰、气密性、抗振动封装设计。

更具体地说，使阵列的MEMS压阻式触觉传感器与ASIC芯片进行电气连接的设计与制造方法，以及涉及一种实现了集成力作用力可动结构的同时又对阵列的MEMS压阻式触觉传感器完全密封的封装设计和制造方法。

背景技术

半导体制造和电子封装是生产微***的两大活动，包括微电子、光电子、微波/RF、生物医学设备、传感器、致动器、微型能源***等。在传感器领域中，半导体制造市场的份额主要被压力传感器、触觉传感器以及陀螺仪占据着。特别是触觉传感器，其发展进程影响着人工智能、机器人技术和智能传感技术的未来发展情况。随着人工智能、机器人技术和智能传感技术的不断发展，机器人的应用不再是单一的工作模式，人们寄希望于机器人技术能够实现复杂的人机交互，智能的完成一些高危、高重复性的工作，以及能够模拟人类皮肤的感知机制等工作。

根据不同的工作原理，传感器可分为电容式传感器、压阻式传感器、压电式传感器等多种类型的传感器。特别是压阻式触觉传感器，相比于其他传感器，它具有结构简单、微型化、高灵敏度、抗干扰能力强等优点。于是，国内外各个传感器研究中心都会选择对压阻式触觉传感器的性能、结构等各个方面进行探索。同样，申请人也不例外的研究了压阻式触觉传感器，并且设计出一种高灵敏度、适合微型化的阵列的MEMS压阻式触觉传感器。然而，若未对阵列的MEMS压阻式触觉传感器进行封装保护，阵列的MEMS压阻式触觉传感器使用期限将大大降低并且其性能也会有所损伤。于是，申请人设计出一种阵列的MEMS压阻式触觉传感器封装。

在过去的封装的设计中，人们只关注按照通用尺寸和规格生产的标准芯片封装，而忽略了对特定应用、特定器件的封装研究重要性。若对特定的器件采用标准芯片封装，将会使器件的性能大大降低，甚至造成极大的经济损伤。因此，使得标准芯片封装不支持集成了IC、传感器、微机电***(MEMS)器件、微型相机等组件组成的更复杂的***。然而，随着微电子技术的发展正朝着进一步小型化的方向发展以及环境智能的需求，在设备中集成实现更多功能的组件已经变得越来越重要。特别是，将MEMS器件与IC芯片的集成设计是能否将设备***进一步小型化发展的关键。与此同时，随着MEMS器件在智能设备中广泛应用，其器件的复杂封装设计以及制备工艺已成为MEMS商业化和电子***小型化的重要障碍。并且，如果对高灵敏度的MEMS压阻式触觉传感器未进行封装保护，则其易受到温度、湿度、高分子的颗粒物的干扰以及使用期限将大大的缩短。

发明内容

本申请的主要目的是提供一种阵列的MEMS压阻式触觉传感器封装设计方法，旨在解决阵列的MEMS压阻式触觉传感器与ASIC芯片实现集成结构、阵列的MEMS压阻式触觉传感器密封以及外部作用力精准传递到阵列的MEMS压阻式触觉传感器敏感元件上的问题。

为实现上述目的，本申请提供了一种阵列的MEMS压阻式触觉传感器封装设计方法，包括以下步骤：

首先，对阵列的MEMS压阻式触觉传感器的上表面封装设计，具体是：通过玻璃-硅键合工艺，将阵列的MEMS压阻式触觉传感器的上表面倒装于玻璃基板的上表面，使阵列的MEMS压阻式触觉传感器与玻璃基板下集成的ASIC芯片能够实现集成结构设计。

其次，在完成对阵列的MEMS压阻式触觉传感器的上表面封装设计之后，对阵列的MEMS压阻式触觉传感器的下表面封装设计，具体是：通过硅-硅键合工艺，将阵列的MEMS压阻式触觉传感器的下表面和上层盖板对准键合，使阵列的MEMS压阻式触觉传感器与外部作用力实现间接软接触。

同时，在对阵列的MEMS压阻式触觉传感器的上下表面封装设计过程中，利用键合工艺和阵列的MEMS压阻式触觉传感器上下表面封装结构的密封几何特性，实现对阵列的MEMS压阻式触觉传感器密封设计。

进一步说，所述玻璃基板包括中心空腔、通孔和凸台；中心空腔位于阵列的MEMS压阻式触觉传感器敏感元件区域，设计为中心对称的正方形，并且中心空腔的边框位于敏感元件区域的边缘，使得所有阵列的MEMS压阻式触觉传感器中的敏感元件能在空腔内上下、左右可动变形，实现阵列的MEMS压阻式触觉传感器上的硅压阻元件电阻变化。

进一步说，所述中心空腔的四周设计等间距、等大小的通孔，并且为通孔填入实心的、导电的金属材料，利用通孔的电气传递，使得阵列的MEMS压阻式触觉传感器与玻璃基板下面集成的ASIC芯片实现电气连接。

进一步说，所述通孔往外设计一定高度的所述凸台，相比于通孔高度，凸台高度比所述通孔高度高出20um，用于玻璃基板和阵列的MEMS压阻式触觉传感器芯片对准键合。

进一步说，所述上层盖板结构包括力传递微结构盖帽、固定框架以及可产生变形的弹性结构构成，力传递微结构盖帽由矩形力传递微结构和外部作用力接触平台组成；矩形力传递微结构由128根矩形柱子组成，每根矩形柱子固定连接在外部作用力接触平台的下表面，并且每根矩形柱子的下表面对齐并悬挂在每个敏感元件中心位置的上方。

进一步说，所述矩形力传递微结构、外部作用力接触平台、固定框架均采用硅材料。

进一步说，所述外部作用力接触平台，其整体为中心对称的、正方形平台，用于让每根矩形柱子有悬挂支撑点，以及使得外部作用力施加到阵列的MEMS压阻式触觉传感器上的接触平台。

进一步说，所述力传递微结构盖帽往外设计出可产生变形的弹性结构，起着将固定框架和矩形力传递微结构连接在一起的作用，并且使得力传递微结构盖帽能够在外部力作用下可动。

进一步说，所述可产生变形的弹性结构往外设计固定框架，用于将固定框架内的力传递微结构盖帽和可产生变形的弹性结构悬挂在阵列的MEMS压阻式触觉传感器上方，并且固定在阵列的MEMS压阻式触觉传感器的边缘区域上。

本发明具有以下有益效果：

1、该封装结构上层部分的盖板带有可移动的、刚性的力传递微结构盖帽，并且该力传递微结构盖帽位于敏感元件发生形变的最大位置处。该力传递微结构盖帽可以精准的、线性的将施加的力传递到阵列的MEMS压阻式触觉传感器中的每个敏感元件上，可以使阵列的MEMS压阻式触觉传感器检测到极其微小的力。

2、该封装结构下层部分的玻璃基板有着巨大的且一定高度的空腔，极大的满足了敏感元件上下左右移动的需求空间。利用玻璃通孔技术将阵列的MEMS压阻式触觉传感器上的焊盘垂直引入到玻璃基板下面集成ASIC芯片的引脚上，该技术极大的减小了器件放置空间，解决了芯片的集成问题。

3、在传统的触觉传感器封装中，为了使外部作用力施加在封装内的敏感元件上，必须要对触觉传感器的敏感区域部分进行开窗设计，而开窗设计往往会使得封装内的敏感元件易受到尘埃、温度、湿度等环境因素的干扰。故而，在本设计中采用三明治式的封装结构，对阵列的MEMS压阻式触觉传感器的上下表面密封。利用三明治结构的防护和隔离等结构性优点，减少了尘埃、温度、湿度等环境因素对阵列的MEMS压阻式触觉传感器的干扰，使其使用寿命延长，有助于提高传感器的长期稳定性。并且，在力传递微结构的周围有一定宽度、厚度的可产生变形的弹性结构，实现了外部作用力与阵列的MEMS压阻式触觉传感器之间的间接软接触。因此，在本设计中，解决了长期以来存在的将触觉传感器密封的同时又要将外部作用力施加在触觉传感器的敏感元件上的问题。

4、玻璃基板和带矩形柱子微结构盖帽两个主体功能部分均采用的是常规的MEMS工艺制造，并利用玻璃-硅键合工艺和硅—硅键合工艺将上下两层封装结构和阵列的MEMS压阻式触觉传感器对准键合成一个整体***。MEMS工艺技术成熟，不需要开发新的制造工艺，从而简化了封装结构的制造方法，节约了时间和资金成本。

附图说明

图1为阵列的MEMS压阻式触觉传感器结构正视图；

图2为阵列的MEMS压阻式触觉传感器封装整体结构正视图；

图3为玻璃基板结构正视图；

图4为阵列的MEMS压阻式触觉传感器封装整体结构立体图；

图5为下层封装结构立体图；

图6为力传递微结构盖帽正视图

图7为盖板结构正视图；

图8为上层封装结构立体图；

图9为封装的玻璃基板制备的工艺流程步骤示意图；

图10为上层盖板制备的工艺流程步骤示意图；

附图标记：

焊盘1，X轴敏感元件2，Y轴敏感元件3，Z轴敏感元件4，盖板5，阵列的MEMS压阻式触觉传感器6，玻璃基板7，中心空腔8，放置通孔的平台9，凸台10，通孔11，外部作用力接触平台12，矩形力传递微结构13，可产生变形的弹性结构14，固定框架15。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做更进一步地解释。下列实施例仅用于说明本发明，但并不用来限定本发明的实施范围。

如图1所示，显示是被封装的阵列的MEMS压阻式触觉传感器结构正视图，在图中能清晰地看见每个敏感元件的位置以及焊盘位置。并且，图中每个敏感元件中心位置也是力传递微结构中的每个矩形柱子放置的位置。阵列的MEMS压阻式触觉传感器上的焊盘1，用于实现每两个敏感元件构成的惠斯通半桥电路的输出与集成的***电路进行电气通信，最后完成将施加的力信号转化为电路能识别的电信号的转接口。放置参杂硅材料和pzt材料的X轴敏感元件2，通过刻蚀图案化工艺刻蚀出尺寸相同的32根敏感元件，其用于测量X轴的切向力；Y轴敏感元件3，也是通过刻蚀图案化工艺刻蚀出32根敏感元件，其用于测量Y轴的切向力；Z轴敏感元件4，也是通过刻蚀图案化工艺刻蚀出64根敏感元件，其用于测量Z轴法向力的大小。

通过阵列的MEMS压阻式触觉传感器封装结构正视图，如图2所示，可以直观的看出三明治式结构的封装。三明治式结构的封装整体为盖板5，阵列的MEMS压阻式触觉传感器6，玻璃基板7。阵列的MEMS压阻式触觉传感器封装由下到上依次层叠玻璃基板7、阵列的MEMS压阻式触觉传感器6、具有力传递微结构盖帽的盖板5，阵列的MEMS压阻式触觉传感器6放置在封装上层的盖板5和封装下层的玻璃基板的7中间。利用三明治式结构防护和隔离作用，使得阵列的MEMS压阻式触觉传感器6具有抗环境干扰、可与ASIC芯片上下集成、以及使用期限延长等优势。有效地提高了传感器的稳定性，实现了所需求的商业价值。具体是：通过阵列的MEMS压阻式触觉传感器6上表面与玻璃基板7上表面对准键合以及阵列的MEMS压阻式触觉传感器6下表面与盖板5下表面对准键合，最终完成对阵列的MEMS压阻式触觉传感器6三明治式封装结构制造。

下面将对封装结构中的两个主体部分，分别是上层盖板5和下层玻璃基板7附图详细说明。

如图3所示，显示的是玻璃基板结构正视图，可以直观的看出中心空腔8、放置通孔的平台9和凸台10之间的位置关系。阵列的MEMS压阻式触觉传感器6中敏感元件区域产生移动所需要的中心空腔8，通过对玻璃基板7一定深度的刻蚀可得；放置通孔11的平台9，并且不中断焊盘和内部走线的电气连接，用于放置周围的通孔11；玻璃基板7与阵列的MEMS压阻式触觉传感器6键合使用的凸台10。

在一优选例中，所述玻璃基板7的中心空腔8为边长约4280um的正方形，并且将整个中心空腔8与阵列的MEMS压阻式触觉传感器6的包含所有敏感元件的区域对齐，让所有敏感元件能够在力作用下发生形变。

在一优选例中，所述玻璃基板7的凸台10，其外边长为6000um的正方形，内边长为5000um的正方形，并且凸台10的高度相比于通孔11的高度，高出20um。其设计的目的是为了不影响阵列的MEMS压阻式触觉传感器6上的焊盘1和内部走线的电气连接，又能使得玻璃基板7和阵列的MEMS压阻式触觉传感器6对准键合。

为了更加直观的显示出阵列的MEMS压阻式触觉传感器6和玻璃基板7的连接关系，于是，在附图说明中放入了阵列的MEMS压阻式触觉传感器封装整体结构立体图和下层封装结构立体图，如图4所示，如图5所示。

玻璃基板7上的通孔11，通过TGV工艺刻蚀获得；在通孔中填入导电性金属，实现了阵列的MEMS压阻式触觉传感器6与ASIC芯片的集成，减少了设备的体积大小；阵列的MEMS压阻式触觉传感器6倒装在玻璃基板7。

在一优选例中，所述玻璃基板7上的通孔11为边长约100um的正方形，在中心空腔8的四周分别放置了一定数量的通孔11，以及通孔11之间的距离为100um。

以上是对下层封装结构的详细说明，下面内容将对上层封装结构附图详细说明。

上层封装结构主要包括矩形力传递微结构13、可产生变形的弹性结构14、外部作用力接触平台14以及固定框架15四个主体部分，如图6和图7所示，通过上层盖板结构正视图和力传递微结构盖帽正视图，直观的显示出四个主体部分在上层盖板5中的位置以及各个结构之间的连接关系。

外部作用力通过力传递微结构盖帽传递到阵列的MEMS压阻式触觉传感器6敏感元件上，使其敏感元件发生形变。力传递微结构盖帽由矩形力传递微结构13和外部作用力接触平台12组成；可产生变形的弹性结构14用于连接力传递微结构盖帽和固定框架，并且使力传递微结构盖帽可动；上层盖板的固定框架15，用于盖板5下表面和阵列的MEMS压阻式触觉传感器6下表面对准键合；为了更加直观的显示出阵列的MEMS压阻式触觉传感器6和盖板5之间的连接关系，于是，在附图说明中放入上层封装结构立体图，如图8所示。

在一优选例中，所述矩形力传递微结构13为128根矩形柱子组成，并且128根矩形柱子的排列位置是由阵列的MEMS压阻式触觉传感器6中的敏感元件中心位置所决定的，用于将力精准传递到敏感元件上并让敏感元件产生最大形变，使得阵列的MEMS压阻式触觉传感器6能够检测到极其微小的力作用。每根的柱子底面是长为100um、宽为50um的正方形，并且其高为80um。

在一优选例中，所述外部作用力接触平台12为边长约4280um的正方形，其位于128根矩形柱子阵列的上方，用于悬挂矩形柱子并且作为外力施加平台。

在一优选例中，所述可产生变形的弹性结构14为外边长约5000um、内边长约4280um的矩形环，其材料为聚二甲基硅氧烷，起着固定框架15和力传递微结构盖帽的连接作用，并且使力传递微结构盖帽可动将外部作用力传递到阵列的MEMS压阻式触觉传感器6上。

在一优选例中，所述固定框架15为外边长约6000um、内边长约5000um的矩形环，用于连接可产生变形的弹性结构14以及使得盖板5下表面对准键合到阵列的MEMS压阻式触觉传感器6下表面的外边沿区域上。

至此完成了对整体封装结构的附图说明。

参考图9，本申请还提供了一种玻璃基板7的制造方法，包括以下步骤：

步骤1、制备一块边长约为6000um、厚度为1000um的玻璃基板7，采用深反应离子刻蚀工艺，刻蚀出边长约为5000um、厚度约为20um的正方形空腔。

步骤2、在步骤1刻蚀出的空腔基础上，继续向下刻蚀出边长为4280um、高为20um的中心空腔8。

步骤3、采用TGV工艺对第二级刻蚀出来的中心空腔的四周分别进行通孔11，其通孔11的边长为100um、高为980um,且每个通孔之间的间距为100um。

最后将制造好的玻璃基板7和阵列的MEMS压阻式触觉传感器6对准键合，即完成阵列的MEMS压阻式触觉传感器6上表面的封装制造。

参考图10，本申请还提供了一种上层盖板5的制造方法，包括以下步骤：

步骤1、制备一块厚度为100um、边长为6000um的硅片，对硅片的边缘采用深反应离子刻蚀工艺除去内边长约为5680um、外边长约为6000um、厚度约为50um的矩形环。

步骤2、接着，对经过步骤1刻蚀过的硅片，采用深反应离子刻蚀工艺，对其边长约为4280um的正方形区域刻蚀出数根长为100um、宽为50um、高为80um的矩形柱子。

步骤3、对经过步骤2刻蚀过的硅片，继续采用深反应离子刻蚀工艺，在边长约为4280um的正方形区域的四周除去内边长约为4280um、外边长约为5680um、厚度为100um的矩形环。

步骤4、在刻蚀出的矩形柱子区域和固定框架区域之间的空隙填入厚度为20um、内边长约为4280um、外边长约为5680um的聚二甲基硅氧烷材料模型。

最后将制造出的盖板和阵列的MEMS压阻式触觉传感器的下表面对准键合，完成对传感器阵列芯片的下表面封装制造。

至此，完成对阵列的MEMS压阻式触觉传感器的整个封装设计和制造。

综上，本申请提供了一种阵列的MEMS压阻式触觉传感器封装以及制造方法，并且研究出将阵列的MEMS压阻式触觉传感器和ASIC芯片集成的方法。利用TGV工艺对下基板的玻璃进行通孔，对通孔填入具有强导电性的金属材料，通过具有导电性的通孔的电气传递使得阵列的MEMS压阻式触觉传感器上引出的焊盘与集成在玻璃基板下方的ASIC芯片进行电气连接。阵列的MEMS压阻式触觉传感器倒装在玻璃基板上，利用玻璃-硅键合工艺，可以将阵列的MEMS压阻式触觉传感器的上表面进行密封，使其不受***环境的干扰。与此同时，利用硅-硅键合工艺，让带有可动力传递微结构盖帽的盖板与阵列的MEMS压阻式触觉传感器对准键合，实现对阵列的MEMS压阻式触觉传感器下表面密封。最后，实现了对阵列的MEMS压阻式触觉传感器密封封装，解决了阵列的MEMS压阻式触觉传感器与ASIC芯片集成、密封的问题。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的控制方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种阵列的MEMS压阻式触觉传感器封装设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先，对所述阵列的MEMS压阻式触觉传感器的上表面封装设计；

通过玻璃-硅键合工艺，将所述阵列的MEMS压阻式触觉传感器的上表面倒装于玻璃基板的上表面，使所述阵列的MEMS压阻式触觉传感器与所述玻璃基板下集成的ASIC芯片能够实现集成结构设计；

其次，对所述阵列的MEMS压阻式触觉传感器的下表面封装设计；

通过硅-硅键合工艺，将所述阵列的MEMS压阻式触觉传感器的下表面和上层盖板对准键合，使所述阵列的MEMS压阻式触觉传感器与外部作用力实现间接软接触；

同时，在对所述阵列的MEMS压阻式触觉传感器的上下表面封装设计过程中，利用键合工艺和所述阵列的MEMS压阻式触觉传感器上下表面封装结构的密封几何特性，实现对所述阵列的MEMS压阻式触觉传感器密封设计。

2.根据权利要求1所述的一种阵列的MEMS压阻式触觉传感器封装设计方法，其特征在于，所述玻璃基板包括中心空腔、通孔和凸台；

所述中心空腔位于阵列的MEMS压阻式触觉传感器敏感元件区域，设计为中心对称的正方形，并且中心空腔的边框位于敏感元件区域的边缘，使得所有所述阵列的MEMS压阻式触觉传感器中的敏感元件能在空腔内上下、左右可动变形，实现所述阵列的MEMS压阻式触觉传感器上的硅压阻元件电阻变化。

3.根据权利要求2所述的一种阵列的MEMS压阻式触觉传感器封装设计方法，其特征在于，在所述中心空腔的四周设计等间距、等大小的所述通孔，并且为所述通孔填入实心的、导电的金属材料，利用所述通孔的电气传递，使得阵列的MEMS压阻式触觉传感器与所述玻璃基板下面集成的ASIC芯片实现电气连接。

4.根据权利要求3所述的一种阵列的MEMS压阻式触觉传感器封装设计方法，其特征在于，中心空腔四周的所述通孔往外设计一定高度的所述凸台，所述凸台高度比所述通孔高度高出20um，用于所述玻璃基板和阵列的MEMS压阻式触觉传感器对准键合。

5.根据权利要求1所述的一种阵列的MEMS压阻式触觉传感器封装设计方法，其特征在于，所述上层盖板包括力传递微结构盖帽、固定框架以及可产生变形的弹性结构；

所述力传递微结构盖帽由矩形力传递微结构和外部作用力接触平台组成；所述矩形力传递微结构是由128根矩形柱子组成，每根所述矩形柱子固定连接在所述外部作用力接触平台的下表面，并且每根所述矩形柱子的下表面对齐并悬挂在每个MEMS压阻式触觉传感器的敏感元件中心位置的上方。

6.根据权利要求5所述的一种阵列的MEMS压阻式触觉传感器封装设计方法，其特征在于，所述矩形力传递微结构、所述外部作用力接触平台和所述固定框架均采用硅材料。

7.根据权利要求5所述的一种阵列的MEMS压阻式触觉传感器封装设计方法，其特征在于，所述外部作用力接触平台，其整体为中心对称的正方形平台，用于让每根矩形柱子有悬挂支撑点以及使得外部作用力施加到所述阵列的MEMS压阻式触觉传感器上的接触平台。

8.根据权利要求5所述的一种阵列的MEMS压阻式触觉传感器封装设计方法，其特征在于，所述力传递微结构盖帽往外设计出可产生变形的弹性结构，起着将所述固定框架和所述力传递微结构盖帽连接在一起的作用，并且使得所述力传递微结构盖帽能够在外部力作用下可动。

9.根据权利要求5或8所述的一种阵列的MEMS压阻式触觉传感器封装设计方法，其特征在于，所述可产生变形的弹性结构往外设计有所述固定框架，用于将所述固定框架内的所述力传递微结构盖帽和所述可产生变形的弹性结构悬挂在所述阵列的MEMS压阻式触觉传感器上方，并且固定在所述阵列的MEMS压阻式触觉传感器的边缘区域上。