一种阵列的MEMS压阻式触觉传感器封装设计方法

本发明涉及阵列的mems压阻式触觉传感器与asic芯片集成，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：

1、半导体制造和电子封装是生产微系统的两大活动，包括微电子、光电子、微波/rf、生物医学设备、传感器、致动器、微型能源系统等。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。

2、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。

3、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、微机电系统(mems)器件、微型相机等组件组成的更复杂的系统。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系统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商业化和电子系统小型化的重要障碍。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。

技术实现思路

1、本技术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。

2、为实现上述目的，本技术提供了一种阵列的mems压阻式触觉传感器封装设计方法，包括以下步骤：

3、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。

4、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。

5、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。

6、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。

7、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。

8、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。

9、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。

10、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。

11、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。

12、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。

13、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。

14、本发明具有以下有益效果：

15、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。

16、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。

17、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。

18、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系统。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。