所揭示實施例大體上涉及人機接口(HMI)的領域。更確切地說，且并非作為任何限制，本發(fā)明涉及一種用于HMI中的集成力感測元件。

背景技術：

電阻式及電容式觸摸屏被開發(fā)用于LCD顯示器以作為用戶接口的一種形式，即，圖形接口。這些觸摸屏適合于較大陣列的應用，但制造昂貴。當陣列較大時，觸摸屏在“每個像素”基礎上有成本效益。然而，對于分散式“按鈕”應用，觸摸屏與機械式按鈕相比往往比較昂貴。先前技術HMI受到以下限制：

●歸因于人體中的含水量，電容式觸摸式HMI檢測到介電常數(shù)增大。戴著手套時，他們常常會失敗。如果針對高敏感度進行調整，那么對經(jīng)過的含水或金屬物體進行的假性檢測可能會成問題。

●電阻式觸摸技術取決于由聚合物薄層分離的導電元件。導電元件可在重復使用之后或在長期暴露于壓力及/或濕度之后形成電阻式泄漏路徑。導電元件在重復接觸之后的磨損還可引起在使用下的偶發(fā)性斷路。

●相似地，機械式按鈕還經(jīng)由重復使用而遭受磨損。另外，其通常需要控制面板中存在電洞，所述電洞允許水或污染物進入。歸因于移動，這會產生磨損之外的額外可靠性擔憂。

●除了穩(wěn)固性擔憂以外，前述HMI方法都不可感測相互作用(接觸)的力或速度?？膳c對接觸(即，沖擊)的力及速度的人體感測相關的HMI將極大地增強用戶體驗。

技術實現(xiàn)要素：

本專利申請案揭示一種穩(wěn)固性集成力感測元件及HMI，其經(jīng)由相互作用的力及速度而感測接觸且可充當開關。所述裝置具有以下特征：

●壓電傳感器元件，

●應變計，及

●可任選的集成電路，其檢測及測量來自所述壓電傳感器及應變計的信號。

當壓電傳感器受應力時(例如，當將力施加到壓電傳感器時)，壓電傳感器泵送電荷且產生電能。這個傳感器可檢測應力相對于時間的改變，且用以檢測應力事件改變。將壓電傳感器連接到高通電路，所述高通電路幫助檢測歸因于快速動量改變(例如，沖擊)而與HMI進行的初始接觸。在適當布置中，壓電傳感器還可檢測歸因于裝置移動而發(fā)生的動量改變。壓電傳感器并不適合于DC力測量，而是用以區(qū)分刺激的速度。在相同的力水平下，較快刺激產生較強信號；因此，可使用壓電傳感器來區(qū)分用戶動作的緊急程度。應變計經(jīng)配置以采取DC力測量，且可檢測長期應力改變。舉例來說，應變計可經(jīng)布置以形成惠斯通電橋(Wheatstone bridge)。

通過合并兩種類型的力傳感器，可實施有效的力敏或壓敏開關。將電路連接到低功率比較器，且電路可保持在低功率模式中直到壓電元件喚醒電路為止。因為電路會不可避免地使由壓電元件產生的電荷滲移，所以壓電傳感器用以測量沖擊力而非靜態(tài)(DC)力。為了最小化功率消耗，應變計依賴于來自壓電電路的觸發(fā)。一旦觸發(fā)應變計，這個傳感器可用以判定應力的絕對水平。不同于先前解決方案，所揭示的力感測元件可區(qū)分接觸力，可區(qū)分接觸的沖擊速度，允許多重觸摸模式HMI(例如，第一觸摸用以喚醒、第二觸摸用以啟動)，且使得能夠使用傳感器數(shù)據(jù)來進行比例觸覺反饋。

一方面，揭示集成力感測元件的一實施例。所述集成力感測元件包含：壓電傳感器，其形成在集成電路(IC)芯片中；及應變計，其至少部分地上覆于所述壓電傳感器，其中所述壓電傳感器能夠彎曲。

一方面，揭示人機接口(HMI)的一實施例。所述HMI包含：集成電路(IC)芯片，其包括集成力感測元件，所述集成力感測元件包括壓電傳感器及應變計，所述應變計至少部分地上覆于所述壓電傳感器，其中所述壓電傳感器能夠彎曲；處理器核心；及調節(jié)電路，其經(jīng)附接以從所述壓電傳感器及所述應變計接收輸出且將經(jīng)調節(jié)信號提供到所述處理器核心，其中所述處理器核心可操作地經(jīng)連接以將控制信號發(fā)送到裝置。

所揭示的實施例的優(yōu)點包含：

●在穩(wěn)態(tài)模式中的較低功率消耗；

●HMI的新維度：

o力；

o沖擊；

●穩(wěn)固性：

o極小運動，歸因于重復電接觸而無電極磨損；

o對環(huán)境濕氣、水、金屬污染物不敏感；

●容易與CMOS電子件集成。

附圖說明

本發(fā)明的實施例作為實例而非作為限制在隨附圖式的各圖中說明，在隨附圖式中，相同參考指示相似元件。應注意，對本發(fā)明中的“一”或“一個”實施例的不同參考未必是參考同一實施例，且此類參考可意指至少一個。另外，當結合一實施例來描述一特定特征、結構或特性時，應理解，無論是否予以明確地描述，結合其它實施例來實現(xiàn)此特征、結構或特性均在所屬領域的技術人員的知識范圍內。

為了說明本發(fā)明的一或多個示范性實施例，將隨附圖式并入到說明書中且形成說明書的部分。將從以下詳細【具體實施方式】理解本發(fā)明的各種優(yōu)點及特征，【具體實施方式】結合所附權利要求書且參考隨附圖式進行，在諸圖中：

圖1A及1B描繪根據(jù)本發(fā)明的實施例的實例力感測元件的俯視圖及側視圖；

圖2描繪根據(jù)本發(fā)明的實施例的可允許開關區(qū)中的芯片撓曲的經(jīng)蝕刻引線框架的側視圖；

圖3描繪根據(jù)本發(fā)明的實施例的允許開關區(qū)中的芯片撓曲的封裝系統(tǒng)；

圖4A及4B描繪根據(jù)本發(fā)明的實施例的實例力感測元件的俯視圖及側視圖；

圖5描繪根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于感測DC力的實例電路；

圖6描繪根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于AC力測量的鐵電電容器(FeCAP)陣列的實例；

圖7描繪根據(jù)本發(fā)明的實施例的集成力感測元件的實例；

圖8A描繪根據(jù)本發(fā)明的實施例的充當運動傳感器的力感測元件的實例；

圖8B說明與圖8A的力感測元件相關聯(lián)的時序圖；

圖9A描繪根據(jù)本發(fā)明的實施例的圖8A的力感測元件的實例，其中電阻器由電容器DAC替代以減小靜態(tài)功耗；

圖9B說明與圖9A的力感測元件相關聯(lián)的時序圖；

圖10描繪根據(jù)本發(fā)明的實施例的實例人機接口的方塊圖。

具體實施方式

現(xiàn)在將參考附圖詳細描述本發(fā)明的特定實施例。在本發(fā)明的實施例的以下詳細描述中，闡述了許多特定細節(jié)以便更徹底地理解本發(fā)明。然而，所屬領域的技術人員將顯而易知，可以在沒有這些特定細節(jié)的情況下實踐本發(fā)明。在其它情況下，眾所周知的特征不再詳細描述，從而避免了不必要地使描述變復雜。

現(xiàn)在參看圖式，且更確切地說參看圖1A及1B，根據(jù)本發(fā)明的實施例展示集成力感測元件100的俯視圖及側視圖。開關100包含壓電傳感器102及應變計104。在這個圖中所見的實施例中，壓電傳感器102包含串聯(lián)連接的鐵電電容器102A、102B、102C、102D及102E的陣列，而應變計104包含經(jīng)布置以形成惠斯通電橋的四個薄膜電阻器104A、104B、104C、104D的集合。應變計104部分地上覆于壓電傳感器102以使得兩個傳感器都接收基本上相同的應變。如側視圖中所見，壓電傳感器102形成在介電膜112上。介電膜112可如所展示形成在硅層110上，或可形成在后續(xù)層中。在至少一個實施例中，壓電傳感器102的形成與例如鐵電隨機存取存儲器(FRAM)的相似元件的形成相協(xié)調。壓電元件102具有由壓電膜層116分離的下部電極層114及上部電極層118。在至少一個實施例中，壓電膜116是鋯鈦酸鉛(PZT)。在替代實施例中，壓電膜可為氮化鋁(AlN)、氧化鋅(ZnO)或已知或未知的任何其它壓電膜。上部電極層118及下部電極層114可為諸如Ir、Ti、Pt、Pd、Au、Al、Ru、Rh的金屬、金屬的氧化物，或其多層組合。在至少一個實施例中，電極由氮化鈦鋁(TiAlN)層及銥層組成。介電層120使壓電傳感器102與應變傳感器104分離。應變計104由諸如鎳鉻、硅鉻及氮化鉭硅的薄膜電阻器材料形成。在至少一個實施例中，應變計104由硅鉻(SiCr)形成。

為了增大集成力感測元件100的響應性，可在安裝期間在圖1的元件下方產生空腔。此空腔的一個實施例在說明引線框架200的側視圖的圖2中展示?？涨?02是通過蝕刻而產生在引線框架200中，且空腔202位于將在安裝IC芯片之后下伏于力感測元件100的區(qū)中。為了進一步增大開關100的響應性，將最終硅IC厚度薄化到100微米或更小。在至少一個實施例中，將硅IC厚度薄化到小于75微米。在至少一個實施例中，將最終硅IC厚度薄化到小于50微米。

圖3說明允許開關100區(qū)中的芯片撓曲的封裝系統(tǒng)。這個圖說明安裝到印刷電路板(PCB)310的四方扁平無引線(QFN)封裝體312的四分之一模型。QFN封裝體312包含IC芯片314，其已安裝到QFN引線框架316且囊封在模制化合物318中。當QFN引線框架316焊接在PCB 310上時，中心處的QFN引線框架316的底部與PCB 310之間存在小間隙，從而產生具有支座的所要“空腔”。隨后，當將壓力施加到區(qū)域320時，IC芯片314能夠充分彎曲以將自發(fā)電荷提供在形成于IC芯片314內的壓電傳感器上。盡管僅已展示產生鄰近于開關100的空腔的兩種方法，但應理解，所屬領域的技術人員可容易地構想替代實施例以實現(xiàn)相同目的。

圖4A及4B說明組合式力感測元件400的替代版本的俯視圖及側視圖。在這個實施例中，開關400并不需要依賴于空腔在封裝或安裝期間的產生。實情為，微機電系統(tǒng)(MEMS)空腔蝕刻到硅晶圓410中，接著填充有順應材料422。一旦空腔產生及已填充，結構性介電層412在壓電傳感器402形成之前沉積。壓電傳感器402包含第一電極414、壓電材料416及第二電極418。另外介電層420使第二電極418與形成應變計404的薄膜電阻器層分離。不同于圖1的應變計，應變計404A、404B、404C、404D中的每一者遵循蛇形路徑。順應材料424上覆于開關400以供保護。順應材料層422及424(其可為相同材料或不同材料)允許隔膜相對于硅晶圓移動而防止超程及損壞。關于圖4的壓電傳感器及MEMS空腔的另外資訊可在與Wei-Yan Shih共同申請的美國專利申請案第2015/0226618號找到，所述申請案特此以引用的方式并入。

所揭示的實施例中的壓電層及薄膜電阻器將與硅的頂部表面接收相同的應變。以下諸圖說明用以使用壓電傳感器及應變計來捕獲及測量應變量的電路。圖5說明用于使用諸如應變計104的應變計進行DC力傳感的電路500。電路500包含經(jīng)連接以形成惠斯通電橋504的四個薄膜電阻器，其中輸入電壓Vin及接地連接到所述布電橋的相對側?；菟雇姌?04的輸出端Vout+及Vout-連接到高輸入阻抗儀表放大器510的輸入終端。儀表放大器510含有輸入緩沖放大器514、516，輸入緩沖放大器514、516中的每一者使其反相輸入端連接到連接在儀表放大器510的兩個輸出端之間的分壓器。分壓器包含固定電阻器R1及R2，每一電阻器連接在輸入緩沖放大器514、516中的一者的反相輸入端與對應輸出端之間，且可變電阻器R3連接在電阻器R1與R2之間。可周期性地檢查電路500以檢測所揭示開關的長期應力改變。惠斯通電橋504的輸出信號是對應于施加到IC芯片(惠斯通電橋建置在其中)表面的應變的信號。所屬領域的技術人員將認識到，除了惠斯通電橋以外，還可使用電阻器的其它配置。

與圖5的DC測量相反，圖6說明用于使用諸如傳感器102的壓電傳感器進行AC力感測的電路600。在這個實施例中，壓電傳感器包括FeCAP陣列602，其中FeCAP陣列602的終端連接到專用電荷放大器610的輸入端。電荷放大器610的每一輸入終端及相應輸出終端與電容器CF及電阻器RF并聯(lián)連接。電荷放大器610通過為對應的反饋電容器CF充電而平衡注入到每一輸入端中的電荷。電阻器RF使電荷以低速率滲移離開對應的電容器CF以防止放大器漂移到飽和狀態(tài)中。電阻器RF還向輸入端提供DC偏置路徑。RF及CF的值設置放大器的截止頻率。FeCAP陣列602包含數(shù)個鐵電電容器，其以串聯(lián)及平行組合的形式布置以用于與CMOS電子件最佳地介接。當AC力入射時，串聯(lián)連接會增大輸出電壓，而平行連接會增大傳感器電容，從而使傳感器對放大器的接口處的寄生電容器具有穩(wěn)固性。盡管所揭示實施例展示十二個FeCAP，但應理解，這種情形僅為實例，且并非限制因素。提供到陣列602的外部入口612，以使可在極化期間施加偏振電壓。極化通過使鐵電材料在短時間段內服從高電場而迫使鐵電材料中的微偶極進入所要對準。

當FeCAP及TFR兩者都可用于DC及AC力感測時，如本文中所揭示，圖7中所展示的架構可用于讀取所述力的DC及AC分量兩者。電路700包含具有高阻抗輸入端的儀表放大器510。TFR電橋504及FeCAP陣列602各自連接到多路復用器701的輸入端，多路復用器701又連接到儀表放大器510的輸入終端?？山又詴r間多路復用的方式來讀取力的兩個分量。

圖8A說明亞微瓦電源喚醒系統(tǒng)800，其使用如所揭示的FeCAP陣列來檢測運動及提供喚醒信號以作為根據(jù)本發(fā)明的實施例的系統(tǒng)800的輸出。當系統(tǒng)800經(jīng)歷運動時，電壓將在FeCAP陣列802上出現(xiàn)，電路800對照閾值VTH來測量所得電壓。當FeCAP陣列802上的電壓超過閾值時，信號被觸發(fā)。包括電阻器R1、R2、R3的電阻式分壓器將電壓VTH及VTH'提供到相應的連接點。直接地將閾值電壓VTH提供到比較器810的非反相輸入端。偽電阻器812連接在VTH'與開關S1之間，而開關S1連接到比較器810的反相輸入端。FeCAP陣列802附接到偽電阻器812與開關S1之間的連接點。盡管FeCAP陣列802經(jīng)展示為僅兩個電容器，但應理解，這僅僅是為了簡化及說明目的且并非限制。

偽電阻器812是實施為一或多個晶體管的電阻式元件，且充當FeCAP陣列802的偏置電路。開關S0在閉合時會連接比較器810的反相及非反相輸入端且提供比較器的自動歸零，而開關S1允許經(jīng)由比較器810而對FeCAP陣列802進行取樣。在這個圖中，比較器功率消耗可通過負荷循環(huán)信號CMP Enable(未特定地展示)而縮減。然而，電阻式分壓器將消耗靜態(tài)功率。圖8B說明CMP Enable信號的時序圖，自動歸零信號(S0)及取樣信號(S1)展示在電路下方。如所展示，在啟用比較器810的周期期間，開關S0首先閉合以提供比較器的自動歸零；一旦開關S0斷開，開關S1就閉合以允許對FeCAP陣列802進行取樣。

圖9A說明圖8A的實施例，其中電阻器R1、R2、R3及偽電阻器812由開關電容器的數(shù)/模轉換器(DAC)906替代，數(shù)/模轉換器(DAC)906可為二進制加權DAC。電容器908并聯(lián)連接以提供等效的串聯(lián)電阻，其中在此實例中的最右側電容器提供最高有效位。電容器908中的每一者的第一終端可經(jīng)切換以連接到VDD或接地，而第二終端連接到比較器910的非反相輸入端且可使用開關S0來切換以連接到接地。FeCAP陣列902連接在比較器910的反相輸入端與接地之間。開關S1在閉合時會使開關電容器DAC 906連接到FeCAP陣列902。電路900可操作以量化在FeCAP陣列902上出現(xiàn)的電荷量，且可提供具有多重設置的開關。

如下參看圖9B來論述電路900的操作：

●首先，開關S0、S1、S2都斷開；

●開關S0閉合，且將DAC 906的開關912設置為000…0以提供DAC 906的復位920；

●開關S0斷開，且將開關912設置為000…1以產生電壓共模(VCM)925，亦即，DAC 906的輸出端處的VDD/2；

●開關S1接著閉合以提供VDD/2以作為FeCAP陣列902的輸出端處的偏置值；

●開關S2閉合以啟用比較器910及提供自動歸零930，隨后斷開開關S1；

●可接著提供DAC 906的所要閾值；及

●將FeCAP陣列902與DAC 906的當前值進行比較935。

在至少一個實施例中，逐次近似寄存器(SAR)算法用以提供DAC 906的閾值以供比較。在至少一個實施例中，可一個步驟將FeCAP陣列902與FeCAP陣列902的普通值以上的閾值相比較，且一個步驟將FeCAP陣列902與所述普通值以下的閾值相比較。舉例來說，如果FeCAP陣列902已接收到負電壓，那么可將閾值設置成較低直到找到適當值為止。仿真已展示所提議的架構可能消耗小于1μW。

圖10描繪根據(jù)本發(fā)明的實施例的人機接口系統(tǒng)1000的方塊圖。如這個圖中所見，HMI系統(tǒng)1000包含一或多個力感測元件1002、一或多個處理器核心1004、調節(jié)電路1006、FRAM 1008、溫度傳感器及關聯(lián)電路系統(tǒng)1010、通信接口1012及模/數(shù)轉換器(ADC)1014，所述組件中的每一者直接地或經(jīng)由其它元件而連接到共同總線電路1016。力感測元件1002組合集成壓電傳感器及應變計，如本文中已揭示。在至少一個實施例中，力感測元件102實施為推按按鈕。在至少一個實施例中，力感測元件102是更大表面的部分且提供對不同水平的壓力敏感的區(qū)域。在至少一個實施例中，力感測元件102是運動檢測器，其偵測傳感器嵌入在其中的物體的運動。在至少一個實施例中，力感測元件102提供多級輸出信號且通過力感測元件1002的輸出端提供到的電路而實現(xiàn)多個決策等級。

調節(jié)電路1006從力感測元件1002接收信號且將經(jīng)調節(jié)信號提供到模/數(shù)轉換器(ADC)1014，模/數(shù)轉換器(ADC)1014又將經(jīng)轉換信號提供到處理器核心1004。在至少一個實施例中，ADC 1014包括于處理器核心1004中。由調節(jié)電路1006提供的調節(jié)可包含放大信號，正如所屬領域的技術人員所知。在一個實施例中，處理器核心1004是微控制器。FRAM 1008可用作還含有FeCAP或其它鐵電組件的系統(tǒng)的記憶體。在至少一個實施例中，使用相同處理步驟將FeCAP(其形成力感測元件1002的部分)的形成物及FRAM 1008形成在單芯片上以同時形成兩個組件。

即使在不施加力的情況下，歸因于壓電陶瓷的熱電性質，溫度改變可造成電壓跨越任何壓電換能器的電極而出現(xiàn)。溫度還影響壓電陶瓷的其它性質(諸如彈性)、介電及壓電耦接。為了允許調整由溫度造成的電壓，將溫度傳感器及關聯(lián)電路系統(tǒng)1010提供在系統(tǒng)中。與溫度傳感器相關聯(lián)的電路系統(tǒng)可包含其自身的調節(jié)電路(未特定地展示)及ADC(也未展示)。如果ADC 1014包括于處理器核心1004中，那么多路復用器(未特定地展示)可用以按時間多路復用的方式從包括力感測元件1002及溫度傳感器1010的各種傳感器接收數(shù)據(jù)。最終，通信接口1012提供處理器核心1004可響應于在力感測元件1002處接收到的輸入而將信號提供到另一電路或機器所用的構件。在至少一個實施例中，以無線方式發(fā)送信號。在至少一個實施例中，將HMI系統(tǒng)1000集成到更大系統(tǒng)中以使得力感測元件1002可將開關輸入提供到更大系統(tǒng)。應理解，可提供HMI系統(tǒng)1000的組件以作為分離組件。在至少一個實施例中，將力感測元件1002及HMI系統(tǒng)1000的其它元件中的一或多者提供在單一IC芯片上。

盡管已展示及詳細描述各種實施例，但權利要求書并不限于任何特定實施例或實例。以上【具體實施方式】應不被視為隱含任何特定組件、元件、步驟、動作，或功能是基本的以使得其一定包括于權利要求書的范圍中。除非明確地如此陳述，否則以單數(shù)形式參考元件并非意欲意指“一個且僅僅一個”而是“一或多個”。上文所描述的實施例的元件的所有結構性及功能性等效物(其對于所屬領域的技術人員為已知的)明確地以引用的方式并入本文中，且意欲由當前權利要求書涵蓋。因此，所屬領域的技術人員將認識到，可在所附權利要求書的精神和范圍內進行各種修改及更改的情況下實踐本文中所描述的示范性實施例。