一种背接触触觉传感器的制作方法及背接触触觉传感器

摘要

本发明涉及传感器技术领域，本发明公开了一种背接触触觉传感器的制作方法及背接触触觉传感器，该传感器的制作方法包括以下步骤：通过将圆片级未释放传感芯片正面的第一导电件和圆片级待键合封装基板正面的第二导电件键合；利用封装基板的力学支撑作用，对上述封装后待释放触觉传感器进行释放，能够实现超薄传感芯片的转移，在上述释放过程后，超薄传感芯片背面能够自发形成连续的硅膜结构，再将上述触觉传感器经过临时键合工艺、基板背面减薄工艺和划片工艺，得到分立的封装后背接触式触觉传感器，从而使得到的传感器能够通过组装工艺设于柔性基板上。本发明提供的触觉传感器具有尺寸小、封装成本低和大面积可扩展的特点。

权利要求

1.一种背接触式触觉传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在SOI(Silicon‑On‑Insulator)硅片上制作力敏电阻(114)，再刻蚀形成梁‑岛结构(112)和支撑结构(12)，所述力敏电阻位于所述梁‑岛结构(112)的梁结构上；在所述SOI硅片的表面淀积第一阻挡层(14)，刻蚀所述第一阻挡层(14)形成第一引线孔(16)；在所述第一引线孔(16)上通过沉积工艺形成第一导电件(15)，所述第一导电件(15)位于所述支撑结构(12)上；通过金属溅射和图形化在所述梁‑岛结构(112)和所述支撑结构(12)上形成金属引线(17)，得到圆片级未释放传感芯片(3)；所述金属引线(17)和所述第一导电件(15)能够同时用于圆片级键合和能够实现原电池保护；且所述金属引线(17)和所述第一导电件(15)能够耐腐蚀；所述金属引线(17)与所述力敏电阻(114)电连接；

2)在封装基板(2)内部制作导电通孔(22)，在所述封装基板(2)的表面淀积第二阻挡层(21)，刻蚀所述第二阻挡层(21)形成第二引线孔(25)；在所述第二引线孔(25)上通过沉积工艺形成同时能够用于圆片级键合、能够实现原电池保护和耐腐蚀的第二导电件(26)，得到耐腐蚀的圆片级待键合封装基板(4)；所述第二导电件(26)与所述第一导电件(15)对应；

3)将所述圆片级未释放传感芯片(3)通过转移工艺转移到所述圆片级待键合封装基板(4)上，所述圆片级未释放传感芯片(3)正面与所述圆片级待键合封装基板(4)正面通过第一导电件(15)与第二导电件(26)键合，并同时实现金属引线(17)与所述第一导电件(15)、第二导电件(26)的电学连接，得到圆片级封装后待释放触觉传感器(5)；

4)利用所述封装基板(2)的力学支撑作用，去除所述圆片级封装后待释放触觉传感器(5)的所述SOI硅片背面的体硅层(18)和埋氧层(19)，能够实现超薄传感芯片(1)的转移，得到圆片级封装后触觉传感器(6)，其中，所述超薄传感芯片(1)背面能够在去除所述SOI硅片背面的体硅层(18)和埋氧层(19)后自发形成连续的硅膜结构(113)，形成梁‑膜‑岛结构(112)，并且所述超薄传感芯片(1)背面无电学结构，无需后续保护；

5)将所述圆片级封装后触觉传感器(6)经过临时键合工艺、基板背面减薄工艺和划片工艺，得到分立的封装后背接触式触觉传感器单元。

2.根据权利要求1所述的背接触式触觉传感器的制备方法，其特征在于，所述第一导电件(15)的材料及金属引线(17)的材料为通过溅射或蒸发工艺制作的Cr、Pt或者Au等耐碱性溶液腐蚀金属及其合金；

所述第二导电件(26)的材料为通过电镀工艺制作的耐碱性溶液腐蚀的金，使得所述第一导电件(15)、金属引线(17)和第二导电件(26)能够耐受住封装后释放工艺中碱性腐蚀溶液的腐蚀。

3.根据权利要求1所述的背接触式触觉传感器的制备方法，其特征在于，通过各向异性湿法腐蚀工艺来去除所述SOI硅片背面的体硅；

所述第一导电件(15)与所述第二导电件(26)键合的工艺为金金键合工艺，用于满足耐腐蚀、导电且能够作为原电池电极的条件下实现圆片级键合；

所述封装基板(2)正面和所述超薄传感芯片(1)的正面通过第一导电件(15)和第二导电件(26)进行键合的键合强度大于等于15MPa，用于满足芯片力学支撑要求。

4.根据权利要求3所述的背接触式触觉传感器的制备方法，其特征在于，所述各向异性湿法腐蚀液包括TMAH、KOH和EPW等；

通过反应离子刻蚀去除所述SOI硅片的埋氧层(19)二氧化硅；

所述第一阻挡层(14)和所述第二阻挡层(21)作为器件结构保护层，需要耐受住封装后各向异性湿法腐蚀工艺；

所述第一阻挡层(14)为LPCVD制作的氮化硅层或者PECVD等制作的碳化硅层；

所述第二阻挡层(21)为LPCVD制作的氮化硅层或者PECVD等制作的碳化硅层。

5.根据权利要求4所述的背接触式触觉传感器的制备方法，其特征在于，所述第一导电件(15)和所述第二导电件(26)的表面的材料为金，使得金与各向异性腐蚀液形成原电池，实现所述超薄传感芯片(1)的原电池保护，避免腐蚀液长时间在埋层氧化层上腐蚀形成针孔，从而进一步钻蚀破坏所述梁‑膜‑岛结构(112)；

所述第一导电件(15)和所述第二导电件(26)的表面积之和与所述针孔的面积比大于预设阈值，能够自动形成原电池保护，在TMAH溶液中，所述预设阈值为8:1。

6.根据权利要求1所述的背接触式触觉传感器的制备方法，其特征在于，所述封装基板(2)厚度小于等于300微米；

所述封装基板(2)的厚度大于等于50微米，且所述封装基板(2)的最小厚度由如下公式决定，使得所述封装基板(2)能够为超薄传感芯片(1)提供力学支撑：其中，h1‑硅基封装基板厚度；h2‑超薄传感芯片厚度；h3‑第一导电件和第二导电件的厚度之和。

7.一种背接触式触觉传感器，其特征在于，所述背接触式触觉传感器由权利要求1‑6任一项所述的制备方法制备，所述背接触式触觉传感器包括超薄传感芯片(1)和封装基板(2)；

所述超薄传感芯片(1)包括支撑结构(12)和敏感结构(11)，所述支撑结构(12)的厚度和所述敏感结构(11)的厚度近似相等；

所述支撑结构(12)为环形结构，所述敏感结构(11)设于所述支撑结构(12)内，且所述敏感结构(11)与所述支撑结构(12)的内壁连接；

所述敏感结构(11)包括力敏电阻(114)及由梁结构(111)决定力学特性的梁‑膜‑岛结构；所述梁‑膜‑岛结构(112)包括所述梁结构(111)、岛结构(112)和膜结构(113)；所述力敏电阻(114)设于所述梁结构(111)正面，用于测量压阻；所述梁结构(111)的一端与所述支撑结构(12)的内壁连接；所述梁结构(111)的另一端与岛结构(112)连接；所述膜结构(113)的周边与所述支撑结构(12)的背面连接；所述梁结构(111)的背面与所述膜结构(113)连接；

所述封装基板(2)内部设有导电通孔(22)；

所述封装基板(2)和所述超薄传感芯片(1)通过导电件实现电学连接；

该导电件包括第一导电件(15)和第二导电件(26)，第一导电件(15)设于支撑结构(12)的正面，第二导电件(26)设于与第一导电件(15)对应的封装基板(2)的正面，该封装基板(2)和该超薄传感芯片(1)通过第一导电件(15)与第二导电件(15)键合连接；

所述梁结构(111)、岛结构(112)和所述支撑结构(12)上均设有金属引线(17)，所述金属引线(17)与所述第一导电件(15)、所述力敏电阻(114)电连接；

所述封装基板(2)用于支撑所述超薄传感芯片(1)；

其中，所述超薄传感芯片(1)的厚度小于等于20微米，使得所述超薄传感芯片(1)单元边长能够小于等于500微米；

所述支撑结构(12)厚度和所述敏感结构(11)厚度差值小于等于3微米，所述支撑结构(12)的正面和所述敏感结构(11)的正面的高度差小于等于2微米。

8.根据权利要求7所述的触觉传感器，其特征在于，所述膜结构(113)的厚度小于等于梁结构(111)厚度的1/4；

所述膜结构(113)与梁结构(111)的厚度关系由如下公式决定：其中，L‑梁结构长度；a‑膜结构边长；b‑梁结构宽度；h4‑膜结构厚度；h5‑梁结构厚度；

所述膜结构(113)的背面与待测物体直接接触，用于保护所述敏感结构(11)和金属引线(17)。

9.根据权利要求8所述的背接触式触觉传感器，其特征在于，正压力检测单元梁上设有四个所述力敏电阻(114)，四个所述力敏电阻(114)均为可变电阻，其中，两个所述力敏电阻(114)分别位于一组对称梁的正面靠近中心质量块的端部，另两个所述力敏电阻(114)位于另一组对称梁的正面靠近所述支撑结构(12)的端部；

剪切力检测单元梁上设有四个所述力敏电阻(114)，其中，两个所述力敏电阻(114)为可变电阻，且位于一组对称梁的正面靠近中心质量块的端部或者位于一组对称梁的正面靠近支撑结构(12)的端部，另外两个为定值电阻，且位于支撑结构(12)上；

所述正压力检测单元与所述剪切力检测单元的尺寸及输入输出pad一致，形成标准触觉传感单元，能够根据应用场景不同自由组合形成触觉传感阵列。

说明书

一种背接触触觉传感器的制作方法及背接触触觉传感器

技术领域

[0001] 本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种背接触触觉传感器的制作方法及背接触触觉传感器。

背景技术

[0002] 触觉是人类通过皮肤感知外界环境的一种形式，是接触、滑动、压觉等机械刺激的总称，是由压力和牵引力作用于触觉感受器而引起的，具有敏锐的感知能力，可实现目标和
环境多种特性的直接测量。人们可以通过触觉感知物体的温度和形状等物理特征，也感知
物体滑移，正压，振动等运动特征。相较于听觉和视觉而言，触觉感官的模仿虽然更为困难
却是不可替代的，与视觉传感不同，触觉传感能将温度和力等感觉用定量的方式表现出来。

[0003] 触觉传感器是用于机器人中模仿触觉功能的传感器，对帮助机器人获取对象与环境信息及完成某种作业任务具有十分重要的现实意义。对于医疗设备、人体假肢、可穿戴设
备等智能机器人领域具有非常重要的意义。

[0004] 然而随着智能机器人、人工智能和虚拟现实等技术领域的快速发展，传统的触觉传感器难以满足应用需求，触觉传感器呈现出全局检测、多维力检测，以及微型化等发展趋
势。而现有触觉传感器的制作方法制备的传感器存在尺寸大的缺点，而且其结构仅适用于
传统封装工艺进行封装，具有封装成本高和难以大面积扩展的缺点。

发明内容

[0005] 本发明要解决的是触觉传感器尺寸大、封装成本高和难以大面积扩展的技术问题。

[0006] 为解决上述技术问题，本申请一方面公开了一种背接触触觉传感器的制作方法，其包括以下步骤：

[0007] 1)在SOI(Silicon‑On‑Insulator)硅片上刻蚀形成梁‑岛结构和支撑结构，制作力敏电阻，淀积第一阻挡层，制作能够同时用于圆片级键合、能够实现原电池保护、耐腐蚀的
金属引线及第一导电件，得到圆片级未释放传感芯片；

[0008] 2)在封装基板内部制作导电通孔，淀积第二阻挡层，制备同时能够用于圆片级键合、能够实现原电池保护和耐腐蚀的第二导电件，得到耐腐蚀的圆片级待键合封装基板；

[0009] 3)将该圆片级未释放传感芯片通过转移工艺转移到该圆片级待键合封装基板上，该圆片级未释放传感芯片正面与该圆片级待键合封装基板正面通过第一导电件与第二导
电件键合，并同时实现金属引线与该第一导电件、第二导电件的电学连接，得到圆片级封装
后待释放触觉传感器；

[0010] 4)利用该封装基板的力学支撑作用，去除该圆片级封装后待释放触觉传感器的该SOI硅片背面的体硅层和埋氧层，能够实现超薄传感芯片的转移，得到圆片级封装后触觉传
感器，其中，该超薄传感芯片背面能够在去除该SOI硅片背面的体硅层和埋氧层后自发形成
连续的硅膜结构，形成梁‑ 膜‑岛结构，并且该超薄传感芯片背面无电学结构，无需后续保
护；

[0011] 5)将该圆片级封装后触觉传感器经过临时键合工艺、基板背面减薄工艺和划片工艺，得到分立的封装后背接触式触觉传感器单元。

[0012] 可选地，该第一导电件的材料及金属引线的材料为通过溅射或蒸发工艺制作的Cr、Pt或者Au等耐碱性溶液腐蚀金属及其合金；

[0013] 该第二导电件的材料为通过电镀工艺制作的耐碱性溶液腐蚀的金，使得该第一导电件、金属引线和第二导电件能够耐受住封装后释放工艺中碱性腐蚀溶液的腐蚀。

[0014] 可选地，通过各向异性湿法腐蚀工艺来去除该SOI硅片背面的体硅；

[0015] 该第一导电件与该第二导电件键合的工艺为金金键合工艺，用于满足耐腐蚀、导电且能够作为原电池电极的条件下实现圆片级键合；

[0016] 该封装基板正面和该超薄传感芯片的正面通过第一导电件和第二导电件进行键合的键合强度大于等于15MPa，用于满足芯片力学支撑要求。

[0017] 可选地，该各向异性湿法腐蚀液包括TMAH、KOH和EPW等；

[0018] 通过反应离子刻蚀去除该SOI硅片的埋氧层二氧化硅；

[0019] 该第一阻挡层和该第二阻挡层作为器件结构保护层，需要耐受住封装后各向异性湿法腐蚀工艺；

[0020] 该第一阻挡层为LPCVD制作的氮化硅层或者PECVD等制作的碳化硅层；

[0021] 该第二阻挡层为LPCVD制作的氮化硅层或者PECVD等制作的碳化硅层。

[0022] 可选地，该第一导电件和该第二导电件的表面的材料为金，使得金与各向异性腐蚀液形成原电池，实现该超薄传感芯片的原电池保护，避免腐蚀液长时间在埋层氧化层上
腐蚀形成针孔，从而进一步钻蚀破坏该梁‑膜‑ 岛结构；

[0023] 该第一导电件和该第二导电件的表面积之和与该针孔的面积比大于预设阈值，能够自动形成原电池保护，在TMAH溶液中，该预设阈值为8:1。

[0024] 可选地，该封装基板厚度小于等于300微米；

[0025] 该封装基板的厚度大于等于50微米，且该封装基板的最小厚度由如下公式决定，使得该封装基板能够为超薄传感芯片提供力学支撑：

[0026]

[0027] 其中，h1‑硅基封装基板厚度；h2‑超薄传感芯片厚度；h3‑第一导电件和第二导电件的厚度之和。

[0028] 本申请在另一方面公开了一种背接触式触觉传感器，其包括超薄传感芯片和封装基板；

[0029] 该超薄传感芯片包括支撑结构和敏感结构，该支撑结构的厚度和该敏感结构的厚度近似相等；

[0030] 该支撑结构为环形结构，该敏感结构设于该支撑结构内，且该敏感结构与该支撑结构的内壁连接；该封装基板和该超薄超薄传感芯片通过导电件实现电学连接；

[0031] 该封装基板用于支撑该超薄传感芯片；

[0032] 其中，该超薄传感芯片的厚度小于等于20微米，使得该超薄传感芯片单元边长能够小于等于500微米；

[0033] 该支撑结构厚度和该敏感结构厚度差值小于等于3微米，该支撑结构的正面和该敏感结构的正面的高度差小于等于2微米。

[0034] 可选地，该敏感结构包括力敏电阻及由梁结构决定力学特性的梁‑膜‑ 岛结构；

[0035] 该梁‑膜‑岛结构包括该梁结构和膜结构；

[0036] 该力敏电阻设于该梁结构正面，用于测量压阻；

[0037] 该梁结构的一端与该支撑结构的内壁连接；

[0038] 该膜结构的周边与该支撑结构的背面连接；

[0039] 该梁结构的背面与该膜结构连接，该膜结构的厚度小于等于梁结构厚度的1/4；

[0040] 该膜结构与梁结构的厚度关系由如下公式决定：

[0041]

[0042] 其中，L‑梁结构长度；a‑膜结构边长；b‑梁结构宽度；h4‑膜结构厚度；h5‑梁结构厚度；

[0043] 该膜结构的背面与待测物体直接接触，用于保护该敏感结构和金属引线。

[0044] 可选地，正压力检测单元梁上的该力敏电阻的连接方式如图3所示，四个该力敏电阻均为可变电阻，其中两个该力敏电阻分别位于一组对称梁的正面靠近中心质量块的端
部，另两个该力敏电阻位于另一组对称梁的正面靠近该支撑结构的端部；

[0045] 剪切力检测单元梁上的该力敏电阻的连接方式如图5所示，其中两个该力敏电阻为可变电阻，且位于一组对称梁的正面靠近中心质量块的端部或者位于一组对称梁的正面
靠近支撑结构的端部，另外两个为定值电阻，且位于支撑结构上；

[0046] 该正压力检测单元与该剪切力检测单元的尺寸及输入输出pad一致，形成标准触觉传感单元，能够根据应用场景不同自由组合形成触觉传感阵列。

[0047] 采用上述技术方案，本申请提供的背接触触觉传感器的制作方法具有如下有益效果：

[0048] 一种背接触触觉传感器的制作方法，其包括以下步骤：

[0049] 1)在SOI(Silicon‑On‑Insulator)硅片上刻蚀形成梁‑岛结构和支撑结构，制作力敏电阻，淀积第一阻挡层，制作能够同时用于圆片级键合、能够实现原电池保护、耐腐蚀的
金属引线及第一导电件，得到圆片级未释放传感芯片；

[0050] 2)在封装基板内部制作导电通孔，淀积第二阻挡层，制备同时能够用于圆片级键合、能够实现原电池保护和耐腐蚀的第二导电件，得到耐腐蚀的圆片级待键合封装基板；

[0051] 3)将该圆片级未释放传感芯片通过转移工艺转移到该圆片级待键合封装基板上，该圆片级未释放传感芯片正面与该圆片级待键合封装基板正面通过第一导电件与第二导
电件键合，并同时实现金属引线与该第一导电件、第二导电件的电学连接，得到圆片级封装
后待释放触觉传感器；

[0052] 4)利用该封装基板的力学支撑作用，去除该圆片级封装后待释放触觉传感器的该SOI硅片背面的体硅层和埋氧层，能够实现超薄传感芯片的转移，得到圆片级封装后触觉传
感器，其中，该超薄传感芯片背面能够在去除该SOI硅片背面的体硅层和埋氧层后自发形成
连续的硅膜结构，形成梁‑ 膜‑岛结构，并且该超薄传感芯片背面无电学结构，无需后续保
护；

[0053] 5)将该圆片级封装后触觉传感器经过临时键合工艺、基板背面减薄工艺和划片工艺，得到分立的封装后背接触式触觉传感器单元，从而使得到的触觉传感器能够通过组装
工艺设于柔性基板上，具体地例如，在封装基板的背面通过背面植球和回流焊的工艺转接
到柔性基板上，从而降低了打线封装的封装成本，也增大了该背接触触觉传感器的背面传
感面积。

[0054] 而且由于封装基板的力学支撑作用，能够在去除该圆片级封装后待释放触觉传感器的该SOI硅片背面的体硅层和埋氧层后，实现超薄传感芯片的转移，制作超薄传感芯片，
得到小尺寸的背接触式触觉传感器单元，促进智能机器人、人工智能和虚拟现实等技术领
域的发展。

附图说明

[0055] 为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于
本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他
的附图。

[0056] 图1为本申请背接触触觉传感器制作方法的流程图；

[0057] 图2为本申请背接触触觉传感器制作方法的过程示意图；

[0058] 图3为本申请一种可选地实施方式中传感芯片的正面结构示意图；

[0059] 图4为本申请一种可选地实施方式中背接触触觉传感器的截面图；

[0060] 图5为本申请另一种可选地实施方式中传感芯片的正面结构示意图；

[0061] 图6为本申请实施例1中背接触触觉传感器制作方法的过程示意图；

[0062] 图7为本申请实施例1中背接触触觉传感器的结构示意图；

[0063] 图8为本申请实施例1中传感芯片的正压力检测结构示意图；

[0064] 图9为本申请实施例1中传感芯片的剪切力检测结构示意图；

[0065] 图10为本申请实施例1中背接触触觉传感器的截面图；

[0066] 图11为本申请实施例2中背接触触觉传感器的结构示意图；

[0067] 图12为本申请实施例2中第一种传感芯片上力敏电阻分布示意图；

[0068] 图13为本申请实施例2中第二种第一种传感芯片上力敏电阻分布示意图；

[0069] 图14为本申请实施例3中背接触触觉传感器的截面图；

[0070] 图15为本申请实施例4中背接触触觉传感器的截面图。

[0071] 以下对附图作补充说明：

[0072] 1‑超薄传感芯片；11‑敏感结构；111‑梁结构；112‑岛结构；113‑膜结构；114‑力敏电阻；12‑支撑结构；13‑绝缘层；14‑第一阻挡层；15‑第一导电件；16‑第一引线孔；17‑金属
引线；18‑体硅层；19‑埋氧层；2‑封装基板；21‑第二阻挡层；22‑导电通孔；23‑细圆环柱；24‑
空圆环柱；25‑第二引线孔；26‑第二导电件；27‑应力多晶硅；3‑圆片级未释放传感芯片； 4‑
圆片级待键合封装基板；5‑圆片级封装后待释放触觉传感器；6‑圆片级封装后触觉传感器。

具体实施方式

[0073] 下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其
他实施例，都属于本申请保护的范围。

[0074] 此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本申请至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等
指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简
化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和
操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能
理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第
一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、
“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样
使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图
示或描述的那些以外的顺序实施。

[0075] 如图1、图2和图3所示，图1为本申请背接触触觉传感器制作方法的流程图。图2为本申请背接触触觉传感器制作方法的过程示意图。图3为本申请一种可选地实施方式中传
感芯片的正面结构示意图。本申请提供了一种背接触触觉传感器的制作方法，其包括以下
步骤：

[0076] S101:在SOI(Silicon‑On‑Insulator)硅片上刻蚀形成梁‑岛结构和支撑结构12，制作力敏电阻114，淀积第一阻挡层14，制作能够同时用于圆片级键合、能够实现原电池保
护、耐腐蚀的金属引线17及第一导电件 15，得到圆片级未释放传感芯片3；

[0077] S102:在封装基板2内部制作导电通孔22，淀积第二阻挡层21，制备同时能够用于圆片级键合、能够实现原电池保护和耐腐蚀的第二导电件26，得到耐腐蚀的圆片级待键合
封装基板4；

[0078] S103:将该圆片级未释放传感芯片3通过转移工艺转移到该圆片级待键合封装基板4上，该圆片级未释放传感芯片3正面与该圆片级待键合封装基板4正面通过第一导电件
15与第二导电件26键合，并同时实现金属引线17与该第一导电件15、第二导电件26的电学
连接，得到圆片级封装后待释放触觉传感器5；

[0079] S104:利用该封装基板2的力学支撑作用，去除该圆片级封装后待释放触觉传感器5的该SOI硅片背面的体硅层18和埋氧层19，能够实现超薄传感芯片1的转移，得到圆片级封
装后触觉传感器6，其中，该超薄传感芯片1背面能够在去除该SOI硅片背面的体硅层18和埋
氧层19后自发形成连续的硅膜结构113，形成梁‑膜‑岛结构，并且该超薄传感芯片1背面无
电学结构，无需后续保护；

[0080] S105:将该圆片级封装后触觉传感器6经过临时键合工艺、基板背面减薄工艺和划片工艺，得到分立的封装后背接触式触觉传感器单元，与现有单颗背接触触觉传感器成型
工艺相比，该制备背接触触觉传感器的工艺方法背接触触觉传感器成型之后再进行分片，
具有成型工艺简单和成本低的优点。

[0081] 得到的触觉传感器能够通过组装工艺设于柔性基板上，具体地例如，在封装基板2的背面通过背面植球和回流焊的工艺转接到柔性基板上，从而降低了打线封装的封装成
本，也增大了该背接触触觉传感器的背面传感面积；而且由于封装基板2的力学支撑作用，
能够在去除该圆片级封装后待释放触觉传感器5的该SOI硅片背面的体硅层18和埋氧层19
后，实现超薄传感芯片1的转移，制作超薄传感芯片1，得到小尺寸的背接触式触觉传感器单
元，促进智能机器人、人工智能和虚拟现实等技术领域的发展。

[0082] 如图2所示，在一种可选地实施方式中，步骤S101中的制作力敏电阻 114具体包括：

[0083] 在SOI硅片上可以通过半导体常规工艺定义形成特定区域；

[0084] 利用离子注入或者扩散等掺杂技术在特定区域形成力敏电阻114，掺杂材料包括但不限于硼和磷等。

[0085] 从图2可知，在一种可选地实施方式中，步骤S101中，在制作力敏电阻114后还包括：

[0086] 在该SOI硅片上通过沉积工艺形成绝缘层13，采用的沉积工艺包括但不限于热氧化、低压化学气相淀积(LPCVD)和等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)等工艺，绝缘层13
的材料包括但不限二氧化硅；

[0087] 通过刻蚀工艺刻蚀附有该绝缘层13的SOI硅片，形成该梁‑岛结构，具体地，该刻蚀工艺包括但不限于深刻蚀技术，优选的，该刻蚀工艺过程中刻蚀深度小于SOI硅片正面的顶
层硅的厚度，这样在圆片级封装后触觉传感器6释放后背面可以自发形成连续的硅膜，形成
梁‑膜‑岛结构。在一种可选地实施方式中，在该梁‑岛结构的梁结构111的表面通过沉积工
艺形成第一阻挡层14。

[0088] 如图2所示，在一种可选地实施方式中，在步骤S101中制作第一导电件15包括:

[0089] 刻蚀该第一阻挡层14形成第一引线孔16；

[0090] 在该第一引线孔16上通过沉积工艺形成第一导电件15。

[0091] 在一种可选地实施方式中，步骤S102中的封装基板2为TSV转接板，且制作该TSV转接板的工艺为MEMS常规工艺。

[0092] 参考图4，图4为本申请一种可选地实施方式中背接触触觉传感器的截面图。在一种可选地实施方式中，步骤S102中淀积第二阻挡层21，制备第二导电件26具体包括：

[0093] 通过沉积工艺形成第二阻挡层21，第二阻挡层21具有保护封装基板2 不被破坏的作用，具体地，第二阻挡层21设于封装基板2的上下表面及侧面。

[0094] 刻蚀该第二阻挡层21形成第二引线孔25，具体地，可以采用半导体常规工艺图形化定义第二引线孔25所在区域，然后刻蚀第二阻挡层21形成第二引线孔25，通过在该第二
引线孔25区域溅射、电镀种子层，再通过光刻图形化工艺，在第二引线孔25区域通过电镀工
艺形成一定厚度的第二导电件26；进一步地，种子层的材料包括但不限于TiW/Au，TiW/Cu，
Cr/Au 和Cr/Cu等。

[0095] 在一种可选地实施方式中，通过无掩膜刻蚀工艺刻蚀掉种子层，保留第二导电件26。

[0096] 在一种可选地实施方式中，该第一阻挡层14和该第二阻挡层21作为器件结构保护层，需要耐受住封装后各向异性湿法腐蚀工艺；该第一阻挡层14为LPCVD制作的氮化硅层或
者PECVD等制作的碳化硅层；该第二阻挡层21为LPCVD制作的氮化硅层或者PECVD等制作的
碳化硅层，具有减少应力对器件性能的影响的优点。

[0097] 在另一种可选地实施方式中，淀积第一阻挡层14和第二阻挡层21的工艺为旋涂或者热氧化工艺，第一阻挡层14和第二阻挡层21的材料为高分子材料，这种高分子材料能够
在形成薄膜形态附着在梁结构111的表面，该薄膜包括聚丙烯薄膜、聚酯薄膜和聚乙烯薄膜
等。

[0098] 在一种可选地实施方式中，该第一导电件15的材料及金属引线17的材料为通过溅射或蒸发工艺制作的Cr、Pt或者Au等耐碱性溶液腐蚀金属及其合金，该第二导电件26的材
料为通过电镀工艺制作的耐碱性溶液腐蚀的金，使得该第一导电件15、金属引线17和第二
导电件26能够耐受住封装后释放工艺中碱性腐蚀溶液的腐蚀。

[0099] 在一种可选地实施方式中，该第一导电件15和该第二导电件26的表面的材料为金，使得金与各向异性腐蚀液形成原电池，实现该超薄传感芯片1的原电池保护，避免腐蚀
液长时间在埋层氧化层上腐蚀形成针孔，从而进一步钻蚀破坏该梁‑膜‑岛结构；该第一导
电件15和该第二导电件26 的表面积之和与该针孔的面积比大于预设阈值，能够自动形成
原电池保护，保护器件结构的完整性，提高转移工艺的成品率，在TMAH溶液中，该预设阈值
为8:1。

[0100] 在一种可选地实施方式中，该第一导电件15与该第二导电件26键合的工艺为金金键合工艺，用于满足耐腐蚀、导电且能够作为原电池电极的条件下实现圆片级键合；该封装
基板2正面和超薄传感芯片1的正面通过第一导电件15和第二导电件26进行键合的键合强
度大于等于15MPa，用于满足芯片力学支撑要求，在另一种可选地实施方式中，该第一导电
件15与该第二导电件26键合的工艺还可以是金锡键合、铜锡键合等键合方式，或者还可以
是金金热压焊等，需要说明的是该步骤键合工艺的选择要保证后续的圆片级封装后触觉传
感器6的释放工艺不会影响键合强度和质量。

[0101] 在一种可选地实施方式中，通过各向异性湿法腐蚀工艺来去除该SOI 硅片背面的体硅；该各向异性湿法腐蚀液包括TMAH、KOH和EPW等，优选的采用TMAH腐蚀液；通过反应离
子刻蚀去除该SOI硅片的埋氧层19二氧化硅，反应离子刻蚀去除埋层二氧化硅是常规集成
电路工艺；

[0102] 在另一种可选地实施方式中，利用所述封装基板的力学支撑作用，通过DRIE反应离子干法刻蚀工艺来对圆片级封装后待释放触觉传感器5进行释放，且为了保证封装基板2
的力学强度能够耐受反应离子刻蚀机基板冷却工艺引起的压强差，圆片级封装基板2制作
的初始厚度大于等于300微米。

[0103] 在另一种可选地实施方式中，利用所述封装基板的力学支撑作用，通过XeF2等各向同性干法腐蚀对圆片级封装后待释放触觉传感器5进行释放，且第一阻挡层14和第二阻
挡层21是二氧化硅或者碳化硅，第一阻挡层14 和所述第二阻挡层21作为器件结构保护层，
需要耐受住XeF2等各向同性干法腐蚀，优选地，第一导电件15、第二导电件26及金属引线17
的材料为铝或者铬等耐XeF2腐蚀金属。

[0104] 在一种可选地实施方式中，在步骤S104中，还包括先采用机械研磨工艺将圆片级封装后待释放触觉传感器5减薄至一定程度，减薄后的厚度受腔体尺寸限制，再采用各向异
性湿法腐蚀或者DRIE等反应离子干法刻蚀或 XeF2等各向同性干法腐蚀等工艺，利用所述
封装基板的力学支撑作用进行背面释放。在一种可选地实施方式中，该封装基板2厚度小于
等于300微米；

[0105] 该封装基板2的厚度大于等于50微米，且该封装基板2的最小厚度由如下公式决定，使得该封装基板2能够为超薄传感芯片1提供力学支撑：

[0106]

[0107] 其中，h1‑硅基封装基板2厚度；h2‑超薄传感芯片1厚度；h3‑第一导电件和第二导电件的厚度之和。例如，当所述传感芯片边长小于等于500微米，要求所述封装基板2的厚度大
于等于50微米。

[0108] 具体地，上述公式1通过以下条件推出，当封装基板2受到均匀载荷发生小挠度纯弯曲时，由于封装基板2轴对称均匀变形，可认为剪切应力Trθ， Tθz为0，由于封装基板2单面
受力，可认为z方向正应力为0，封装基板2 内仅有Tr，Tθ和Trz等三个不为零的应力分量,根
据力平衡方程和力矩平衡方程，联立得到极坐标下微分方程，即如下公式：

[0109]

[0110] 其中，P—集中载荷；D1—弯曲刚度。

[0111] 再根据封装基板2中心固支端、自由端边界条件为径向应力为0、外加力矩为0的边界条件和公式2，计算得到封装基板偏转引起超薄传感芯片1的拉伸量为:

[0112]

[0113] 其中，a1—封装基板边长。

[0114] 根据公式3得到超薄传感芯片1横向拉伸应力为:

[0115]

[0116] 其中，E—杨氏模量。

[0117] 同理，计算可得超薄传感芯片1表面最大应力为：

[0118]

[0119] 其中，a2—传感芯片的边长。

[0120] 根据超薄传感芯片1最大应力Tm与封装基板2弯曲引起的超薄传感芯片1 横向拉伸应力Txx之比小等于10％,，也就是根据公式4和公式5可得公式1

[0121]

[0122] 即背接触式传感器封装基板2的最小厚度满足公式1。

[0123] 如图4所示，本申请在另一方面公开了一种背接触式触觉传感器，其包括超薄传感芯片1和封装基板2；该超薄传感芯片1包括支撑结构12和敏感结构11，该支撑结构12的厚度
和该敏感结构11的厚度近似相等，也就是说该支撑结构12厚度和该敏感结构11厚度差值小
于等于3微米，该支撑结构12的正面和该敏感结构11的正面的高度差小于等于2微米；该支
撑结构12为环形结构，该敏感结构11设于该支撑结构12内，且该敏感结构11与该支撑结构
12的内壁连接；该封装基板2和该超薄超薄传感芯片1通过导电件实现电学连接；该封装基
板2用于支撑该超薄传感芯片1；

[0124] 其中，该超薄传感芯片1的厚度小于等于20微米，使得该超薄传感芯片1单元边长能够小于等于500微米。

[0125] 在一种可选地实施方式中，该导电件包括第一导电件15和第二导电件 26，第一导电件15设于支撑结构12的正面，第二导电件26设于与第一导电件15对应的封装基板2的正
面，该封装基板2和该超薄传感芯片1通过第一导电件15与第二导电件26键合而连接，且第
一导电件15之间存在间隙，第二导电件26之间存在间隙，使得封装基板2与超薄传感芯片1
的键合空腔与大气相通。

[0126] 在一种可选地实施方式中，该敏感结构11包括力敏电阻114及由梁结构111决定力学特性的梁‑膜‑岛结构；该梁‑膜‑岛结构包括该梁结构111 和膜结构113；该力敏电阻114
设于该梁结构111正面，用于测量压阻；该梁结构111的一端与该支撑结构12的内壁连接；该
膜结构113的周边与该支撑结构12的背面连接；该梁结构111的背面与该膜结构113连接，该
膜结构113的厚度小于等于梁结构111厚度的1/4；该膜结构113与梁结构 111的厚度关系由
如下公式决定：

[0127]

[0128] 其中，L‑梁结构111长度；a‑膜结构113边长；b‑梁结构111宽度；h4‑ 膜结构113厚度；h5‑梁结构111厚度；

[0129] 通过公式6可知，梁结构111的倔强系数大于膜结构113的倔强系数，梁结构111主要起力学支撑作用，该膜结构113的背面与待测物体直接接触，用于保护该敏感结构11和金
属引线17。

[0130] 在一种可选地实施方式中，梁‑膜‑岛结构还包括岛结构112，梁结构111的一端与支撑结构12连接，梁结构111的另一端与岛结构112连接。

[0131] 在一种可选地实施方式中，正压力检测单元梁上的该力敏电阻114的连接方式如图3所示，四个该力敏电阻114均为可变电阻，其中两个该力敏电阻114分别位于一组对称梁
的正面靠近中心质量块的端部，另两个该力敏电阻114位于另一组对称梁的正面靠近该支
撑结构12的端部；

[0132] 剪切力检测单元梁上的该力敏电阻114的连接方式如图5所示，图5 为本申请另一种可选地实施方式中传感芯片的正面结构示意图。其中两个该力敏电阻114为可变电阻，且
位于一组对称梁的正面靠近中心质量块的端部或者位于一组对称梁的正面靠近支撑结构
12的端部，另外两个为定值电阻，且位于支撑结构12上。

[0133] 该正压力检测单元与该剪切力检测单元的尺寸及输入输出pad一致，形成标准触觉传感单元，能够根据应用场景不同自由组合形成触觉传感阵列。

[0134] 为了更好地体现本申请公开的背接触触觉传感器的有益效果，以下将以具体的实施方式进行说明。

[0135] 实施例1

[0136] 该实施例主要提供了一种背接触触觉传感器的制作方法，本实施例方案主要包括利用SOI硅片制作MEMS微机械传感结构，如图6和图7所示，图6为本申请实施例1中背接触触
觉传感器制作方法的过程示意图；图7 为本申请实施例1中背接触触觉传感器的结构示意
图。并参考图4，该背接触触觉传感器的梁‑膜‑岛结构包括4个梁结构111，具体工艺实施步
骤为：

[0137] 1)提供一SOI硅片，在SOI硅片上热氧化生长一层二氧化硅层，具体地，该二氧化硅层的厚度为 刻蚀层形成特定区域，在特定区域将硼离子注入及扩散形成
17 20 2
力敏电阻114，具体地，特定区域的硼离子掺杂浓度为1×10 ‑1×10 atoms/cm。

[0138] 2)在SOI硅片表面形成绝缘层13，该绝缘层13的材料为光刻胶，刻蚀掉力敏电阻114区域外的二氧化硅，能够在一定程度上减小二氧化硅膜应力对器件的影响，再刻蚀SOI
硅片顶层的硅形成梁‑膜‑岛结构，具体地，刻蚀深度范围为9‑13μm。

[0139] 3)在敏感结构11上通过LPCVD沉积一层低应力氮化硅作为第一阻挡层14，该第一阻挡层14的厚度范围为

[0140] 4)利用光刻胶做掩膜，刻蚀干净第一阻挡层14和上述二氧化硅层形成第一引线孔16，再通过金属溅射和图形化形成金属引线17，由图3可知，具体地，金属引线17的成分为
Cr/Pt/Au，该金属引线17的厚度范围为 如图6所示，第一导电件15之间存在间
隙，第二导电件26之间存在间隙，使得超薄传感芯片1与封装基板2之间的连接处存在间隙，
从而使该背接触触觉传感器的内外腔压力相同，得到圆片级未释放传感芯片3。

[0141] 该金属引线17连接力敏电阻114形成惠斯通电桥。

[0142] 如图8和图9所示，图8为本申请实施例1中传感芯片的正压力检测结构示意图；图9为本申请实施例1中传感芯片的剪切力检测结构示意图；如图8所示，该敏感结构11，也就是
梁‑膜‑岛结构上分布有8个力敏电阻 114，从图8中可知，该电路为两组串联电路并联的电
路，当背接触触觉传感器的背面受到正压力F1的作用下，梁结构111靠近岛结构112的一端
的应力变化会改变力敏电阻114的阻值大小，通过测量该触觉出传感器的输出电压就可以
测得与目标物体的作用力，从图8可以看出，在FI的作用下，靠近岛结构112的梁结构111处
于压应力区，即R5、R6、R7、R8电阻减小；而梁结构111的另一端处于拉应力区，即R1、R2、R3、
R4电阻增大。

[0143] 当然根据实际需要，也可以是如图9所示金属引线17连接电路。当背接触触觉传感器的背面受到切向力F2的作用下，沿剪切方向，R9、R11处于压应力区，R10、R12处于拉应力
区。

[0144] 5)如图10所示，图10为本申请实施例1中背接触触觉传感器的截面图；参考图2，制备封装基板2，该封装基板2为TSV转接板，该TSV转接板为重掺杂低阻硅片。

[0145] 6)在封装基板2的顶部利用等离子体深刻蚀技术(ICP‑DRIE)刻蚀形成细圆环柱23，优选的，细圆环柱23的直径范围为2‑6μm，高度范围为 80‑140μm。

[0146] 7)在细圆环柱23的内侧壁经过热氧化工艺生长一层二氧化硅层，该二氧化硅层的厚度范围为 在刻蚀后细圆环柱23中通过LPCVD 工艺填充低应力多晶硅27，
为保证填充质量，可以每次沉积范围为1‑3μm，沉积两次，优选的，刻蚀掉硅片表面的低应力
多晶硅27。

[0147] 8)在封装基板2的上下表面及侧面通过沉积工艺淀积一层氮化硅作为第二阻挡层21，该第二阻挡层21的厚度范围为

[0148] 9)通过图形化刻蚀第二阻挡层21和二氧化硅层形成第二引线孔25，在第二引线孔25内溅射Cr/Pt/Au种子层，具体地，种子层Cr/Pt/Au的厚度范围为 通过电镀
工艺形成第二导电件26，具体地，该第二导电件26的高度为3‑8μm，通过无掩膜刻蚀金去掉
种子层，得到圆片级待键合封装基板4。

[0149] 11)将圆片级未释放传感芯片3与圆片级待键合封装基板4金‑金热压焊，将圆片级未释放传感芯片3转移到圆片级待键合封装基板4上，具体地，热压焊的温度为300‑500℃真
空，得到圆片级封装后待释放触觉传感器 5。

[0150] 12)待释放背接触触觉传感器8放置通过KOH溶液腐蚀工艺去除SOI 硅片的体硅层18，并采用气相HF腐蚀工艺去掉SOI硅片的埋氧层19。具体地，在上述KOH溶液腐蚀过程中，
第一导电件15和第二导电件26的面积之和与SOI硅片的埋氧层19孔隙面积之比大于8。

[0151] 13)通过等离子体深刻蚀技术对封装基板2的顶部进行干法刻蚀形成空圆环柱24，该空圆环柱24的直径范围为30‑50μm，厚度范围为 240‑300μm，干法刻蚀至与正面刻蚀的细
圆环柱23相接形成绝缘环，空圆环柱24的中间为低阻硅导电柱。

[0152] 14)由于TSV密度低，在封装基板2的底部可铜布线和植球。在背接触触觉传感器的力的接触面制作导力柱，得到圆片级封装后触觉传感器6。

[0153] 将该圆片级封装后触觉传感器6经过临时键合工艺、基板背面减薄工艺和划片工艺，得到分立的封装后背接触式触觉传感器单元；

[0154] 用SMT机器在将上述布有铜线的分立的封装后背接触式触觉传感器单元的底部与柔性PCB板上连接，通过贴片和回流焊工艺等组装工艺替封装工艺，形成低成本大面积柔性
触觉传感阵列。

[0155] 实施例2

[0156] 如图11所示，图11为本申请实施例2中背接触触觉传感器的结构示意图；该实施例主要提供了另一种背接触触觉传感器的制作方法，为了简化本申请，本实施例中与实施例1
相同的部分将不再赘述。

[0157] 本申请与实施例1中背接触触觉传感器的制作方法的主要区别如下：

[0158] 封装基板2为利用双抛低阻硅片制作的常规TSV转接板，敏感结构11 包括两个梁结构111，且两个梁结构111在一条直线上，分别位于岛结构 112的两侧，采用干法刻蚀工艺
对转移后的圆片级传感器进行释放。具体区别工艺步骤包括以下几个：

[0159] 1)形成的梁‑膜‑岛结构为二梁结构；

[0160] 2)在第一引线孔16形成金属引线17，该金属引线17连接力敏电阻 114形成惠斯通电桥。

[0161] 如图12和图13所示，图12为本申请实施例2中第一种传感芯片上力敏电阻分布示意图；图13为本申请实施例2中第二种传感芯片上力敏电阻分布示意图；如图12和图13所
示，该传感芯片的梁‑膜‑岛结构上分布有四个力敏电阻114，每个梁结构111的两端分别设
有一个力敏电阻114。

[0162] 3)封装基板2制作工艺及超薄传感芯片1转移键合到封装基板2工艺同实施例1，因为后续采用干法工艺进行释放，提供的封装基板2的初始厚度大于等于300微米。

[0163] 4)利用等离子体深刻蚀技术(ICP‑DRIE)对转移键合后的圆片级触觉传感器进行干法刻蚀，去除SOI硅片背面体硅，使用BOE溶液(Buffered Oxide Etchant)去除SOI硅片背
面埋氧层，得到圆片级封装后触觉传感器 6。

[0164] 上述提供的背接触触觉传感器具有强度高和封装工艺成本低的优点。

[0165] 实施例3

[0166] 如图14所示，图14为本申请实施例3中背接触触觉传感器的截面图；并参考图2。为了简化本申请，本实施例与实施例1相同的部分将不再赘述。

[0167] 本申请与实施例1中背接触触觉传感器的制作方法的区别如下，封装基板2为利用常规硅片制作带导电通孔22的TSV转接板，将超薄传感芯片转移到封装基板2上。具体区别
工艺步骤包括以下几个：

[0168] 1)在SOI(Silicon‑On‑Insulator)硅片上刻蚀形成梁‑岛结构和支撑结构12，制作力敏电阻114，淀积第一阻挡层14，制作金属引线17及第一导电件15，得到圆片级未释放传
感芯片3，具体工艺及参数同实施例1；

[0169] 2)提供一双抛硅片制作封装基板2，在硅片上首次生长氧化层，厚度范围为1‑4微米；

[0170] 3)在硅片正面光刻，去除窗口处二氧化硅，利用等离子体深刻蚀技术 (ICP‑DRIE)对硅片正面进行干法刻蚀导电通孔22；

[0171] 4)采用BOE溶液(Buffered Oxide Etchant)去除硅片正反面残余的二氧化硅层，重新进行热氧化形成二氧化硅层作为TSV的绝缘层，二氧化硅层的厚度范围为1‑4微米，得
到TSV硅片；

[0172] 5)将TSV硅片与裸硅片支撑的金层进行金金键合，以形成电镀种子层，对TSV硅片进行铜电镀填充，去除裸支撑硅片，得到圆片级待键合封装基板4；

[0173] 6)将圆片级未释放传感芯片3与圆片级待键合封装基板4金‑金热压焊，将圆片级未释放传感芯片3转移到圆片级待键合封装基板4上，并完成键合后释放，圆片级封装后触
觉传感器6；

[0174] 7)圆片级封装后触觉传感器6经过临时键合工艺、基板背面减薄工艺和划片工艺，得到分立的封装后背接触式触觉传感器单元。

[0175] 实施例4

[0176] 为了简化本申请，本实施例中与实施例3相同的部分将不再赘述。如图15所示，图15为本申请实施例4中背接触触觉传感器的截面图。参考图14，本实施例提供的一种背接触
触觉传感器的制作方法与实施例3中的主要不同之处在于将导电通孔22的位置制作到对应
传感器中央的位置，以适应不同应用场景的需求。

[0177] 以上所述仅为本申请可选实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。