[发明专利]力测量和触摸感测集成电路器件

说明书

一种力测量和触摸感测集成电路器件包括：半导体基板、覆盖在半导体基板上的薄膜压电叠层、压电微机械测力元件(PMFE)和压电微机械超声换能器(PMUT)。薄膜压电叠层包括压电层。PMFE和PMUT沿薄膜压电叠层位于相应的横向位置处，使得PMFE和PMUT中的每一个包括薄膜压电叠层的相应部分。每个PMFE具有：(1)薄膜压电叠层的相应部分；(2)在薄膜压电叠层的一侧上的第一PMFE电极；以及(3)在薄膜压电叠层的另一侧上的第二PMFE电极。每个PMFE被配置为根据由低频机械变形导致的压电层的相应部分处的时变应变，输出PMFE电极之间的电压信号。

背景技术

压电微机械超声换能器(PMUT)的制造可以与CMOS半导体工艺集成。PMUT可以通过MEMS处理来制造，并且包括处于压电电容器配置的压电层，该压电电容器配置包括在压电层的一侧上的一个电极和在压电层的另一侧上的另一电极。例如，PMUT可以被配置为发送器(超声发送器)或接收器(超声接收器)。所得的集成电路可以是触摸感测集成电路，并且可以包括半导体基板(通常是硅基板)、半导体基板上的信号处理电路以及覆于半导体基板上的一个或多个PMUT。可以通过将PMUT电极连接到半导体基板上的信号处理电路来实现高集成度。

在某些用例(use case)中，上述触摸感测集成电路被处理成集成电路封装。IC封装通常在PMUT的顶部包含环氧粘合剂。IC封装与具有暴露的外表面并具有内表面的覆盖层结合，IC封装通过另一粘合剂附接到该内表面。在这样的用例中，触摸感测集成电路可以用于检测诸如人的手指等指头(digit)对暴露的外表面的触摸。然而，为了获得更好的功能性和辨别力，期望一种能够同时检测触摸并测量施加力的集成电路器件。

发明内容

在一方面，力测量和触摸感测集成电路器件包括半导体基板、覆于半导体基板上的薄膜压电叠层、压电微机械测力元件(PMFE)和压电微机械超声换能器(PMUT)。薄膜压电叠层包括压电层。PMFE和PMUT沿薄膜压电叠层位于相应的横向位置处，使得PMFE和PMUT中的每一个包括薄膜压电叠层的相应部分。

在另一方面，每个PMUT具有：(1)腔体；(2)薄膜压电叠层的相应部分；(3)在薄膜压电叠层的一侧上的第一PMUT电极；以及(4)在薄膜压电叠层的另一侧上的第二PMUT电极。腔体位于薄膜压电叠层和半导体基板之间。PMUT包括发送器和接收器。发送器被配置为在相应的PMUT电极之间施加电压信号时，沿大致正交于压电层的法线方向并且远离腔体以纵向模式发送超声信号。接收器被配置为响应于沿法线方向到达的超声信号，输出相应的PMUT电极之间的电压信号。

在又一方面，每个PMFE具有：(1)薄膜压电叠层的相应部分；(2)在薄膜压电叠层的一侧上的第一PMFE电极；以及(3)在薄膜压电叠层的另一侧上的第二PMFE电极。每个PMFE被配置为根据由低频机械变形导致的压电层的相应部分处的时变应变，输出PMFE电极之间的电压信号。

本发明的以上发明内容并非旨在描述本发明的每个公开的实施例或每个实现方式。下面的描述更具体地举例说明了说明性实施例。在整个申请的几个地方，通过示例提供了指导，这些示例可以以各种组合的方式使用。在列表的每个实例中，列举的列表仅用作代表组，而不应解释为排他性列表。

附图说明

结合附图考虑以下对本公开的各种实施例的详细描述，可以更完全地理解本公开，附图中：

图1是包括至少一个力测量、触摸感测集成电路器件的说明性装置的示意图。

图2是力测量、触摸感测集成电路器件的示意性截面图。

图3是图2的力测量、触摸感测集成电路器件的特定部分的示意性截面图。

图4是薄膜压电叠层的可变形部分的示意性截面图。

图5、图6和图7是PMUT发送器的示意性截面图。

图8、图9和图10是PMUT接收器的示意性截面图。