(57)【要約】本発明は、単一の基板から製造されたダイ内に全ての部品を備える、ベクトル力を感知しそれらを単一の基板上で処理するための電子信号に変換するための三次元力入力制御装置である。ダイは、弾性要素、この弾性要素の周りに形成されたフレーム、弾性要素に配置され少なくとも３の機械的応力を感知するＩＣ部品を有し、外部ベクトル力を弾性要素へ伝達する剛性アイランド要素において、ＩＣ部品を通じて電気的出力信号を提供する。この剛性アイランドは、フレーム要素の厚さよりも大きい高さをもち、剛性アイランド要素と外力とを結び付ける外力伝達要素及び機械的応力感知ＩＣ部品からの出力信号を処理する電気回路を提供する。外力伝達材料は、プラスチック、ゴム状物、それらの組み合わせ、および、３次元の力を伝達できる他の変形可能な材料である。基板上に入力インタフェース装置を製造する種々の方法も開示される。
2009534720.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベクトル力を感知しそれらを単一の基板上で処理するための電子信号に変換するための三次元力入力制御装置であって、
ダイ内の剛性アイランドに適用される力の振幅及び方向を感知するセンサーダイを備え、
力伝達剛性アイランドに結合された弾性要素、前記弾性要素の周囲に結合されたダイフレーム、前記弾性要素上の応力感知部品、信号処理ＩＣ、前記基板に電気的に結合されたダイをさらに備え、
前記ダイのすべての要素は、単一の半導体基板内に形成されている、
ことを特徴とする三次元力入力制御装置。
【請求項２】
外力を感知し、この外力のセンサーダイの剛性アイランドへの伝達を提供するセンサーダイを被覆する外力伝達要素であって、適用される前記力の振幅及び方向に依存する出力信号の組み合わせを発生させる外力伝達要素をさらに備え、
前記外力伝達要素は、バッチ方式で複数のセンサーダイに容易に適用できる材料から形成され、この材料は、プラスチック材料、弾性材料、ゴム状材料、これらの組み合わせ、及び、これらの要求を満たす他の材料から本質的に構成される材料のグループから選択される、
ことを特徴とする請求項１に記載のベクトル力を感知するための三次元力入力制御装置。
【請求項３】
ベクトル力を感知しそれらを単一の基板上で処理するための電子信号に変換するための三次元力入力制御装置であって、
単一の半導体基板内に形成されたセンサーダイと、
前記半導体基板内の弾性要素と、
前記弾性要素の周りに形成され、前記基板内の全てで前記弾性要素の外周の少なくとも一部に結合されたフレームと、
ＩＣ部品の位置における機械的な応力と比例する電気出力信号を付与する弾性要素に配置され、少なくとも３つの機械的応力を感知するＩＣ部品と、
前記最初の基板に形成され、前記弾性要素と結合され、外部ベクトル力を前記弾性要素及び電気出力信号を付与する前記ＩＣ部品まで伝達する少なくとも一の剛性アイランド要素と、を備え、
前記剛性アイランドの高さは、前記フレームと弾性要素との厚さの差よりも高い、
ことを特徴とする三次元力入力制御装置。
【請求項４】
前記半導体基板は、シリコン、ゲルマニウム、シリコンカーバイド、ダイヤモンドライクカーボン、ガリウム砒素、窒化ガリウム、インジウムリン化物、および周期表のIII、IV、およびVグループからの要素から本質的に成るグループから選ばれた材料で形成される、
ことを特徴とする請求項３に記載の力入力装置。
【請求項５】
前記半導体基板の弾性要素は、隣接するフレーム要素よりも薄い均一な厚さをもつ、環状又はｎ面多角形形状を有し、
前記剛性アイランド要素は、前記弾性要素の中心エリアに配置される、
ことを特徴とする請求項３に記載の力入力装置。
【請求項６】
不均一な厚さを有する弾性要素をさらに備える、
ことを特徴とする請求項３に記載の力入力装置。
【請求項７】
厚さ寸法方向に少なくとも一の貫通穴をもつ弾性要素をさらに備える、
請求項３に記載の力入力装置。
【請求項８】
前記弾性要素に配置され、Ｖ溝、台形溝、ダイヤフラムの表面とでおおよそ９０°の角度を形成するサイドウォールをもつ溝、及びこれらの組み合わせから本質的に構成される形状のグループから選択された形状を有する、少なくとも一の応力集中要素をさらに備える、
ことを特徴とする請求項３に記載の力入力装置。
【請求項９】
円錐、円筒、半球、球、小平面をもつ円錐、小平面をもつ円筒、小平面をもつ半球、小面をもつ球、およびこれらの組み合わせから成る形状のグループから選ばれた形状の剛性アイランド要素をさらに備える、
請求項３に記載の力入力装置。
【請求項１０】
空洞、溝、穴、メサ、長く伸びる隆起、ブリッジ、片持ち梁、マイナスの傾斜面領域及びこれらの組み合わせから成る非均一性のグループから選ばれた少なくとも一の非均一性をもつ剛性アイランド要素をさらに備える、
請求項３に記載の力入力装置。
【請求項１１】
剛性アイランド要素に外力を伝えるバネ要素をさらに備え、このバネ要素は、薄型梁、ワイヤ、弾性プラスチックボタン、弾性プラスチックステム、ゴムひもから本質的に成るスプリングの要素のグループから選ばれたスプリングの要素、弾性プラスチックのステム、弾性プラスチック揺動式ボタン、背骨状の構造、機械的フィードバックを有する弾性ドーム、液体で満たされたプラスチックのシェルは、ゲルで満たされたプラスチックのシェル、エラストマーのボタン、またはこれらの組み合わせから本質的に構成されるバネ要素のグループから選択される、
請求項３に記載の力入力装置。
【請求項１２】
ピエゾ抵抗素子、PN-接合トンネルダイオード、ショットキーダイオード、せん断応力部品、ピエゾ抵抗ホイートストンブリッジ、ＭＯＳトランジスタ、相補的一対のＣＭＯＳトランジスタ、バイポーラトランジスタ、p-n-p及びn-p-n型バイポーラトランジスタの対、バイポーラトランジスタとトランジスタに接続された少なくとも１つのピエゾ抵抗素子、ＭＯＳトランジスタとトランジスタに接続された少なくとも１つのピエゾ抵抗素子、バイポーラトランジスタ回路、および、ＣＭＯＳトランジスタ回路、または、これらの組み合わせから本質的に成る応力感知ＩＣ部品のグループから選ばれた少なくとも１つの応力感知ＩＣ部品をさらに備える、
請求項３に記載の力入力装置。
【請求項１３】
アナログ信号増幅、アナログ・デジタル変換とデジタル・アナログ変換、マルチプレクシング、信号処理、ゲートロジック、メモリ、デジタルインタフェース、電源管理、暗号化、圧縮と解凍、混合信号処理、無線信号の送信と受信、力以外の物理的ドメインのセンシング、及びこれらの組み合わせから本質的に構成される機能のグループから選択された機能を提供する電子回路をさらに備える、
【請求項１４】
剛性アイランドの頂上部分に接続され、外力伝達要素とのより良好な接続のため及び剛性アイランドの側からの弾性要素の保護のために前記剛性アイランドより大きい表面面積を提供し、プラスチック、金属、半導体、セラミック、ガラス、およびこれらの組み合わせの材料のグループから選ばれた材料から形成される、追加的な剛性力伝達要素をさらに備える、
請求項３に記載の力入力装置。
【請求項１５】
剛性アイランドの頂上部分とメカニカルなフィードバックのための弾力性のあるシェルとに接続され、押されたボタンのクリックの感知を可能にし、必要な電子作用の起動のための信号を生成する、追加的な剛性力伝達要素をさらに備える、
請求項３に記載の力入力装置。
【請求項１６】
弾性要素を保護し、追加の機械的オーバーロード保護のために、剛性アイランドの頂上部分と接続され、前記外力伝達要素とのより良好な接着のための追加的な空洞、溝、バンプ及び細長い隆起を有する、追加的な剛性力伝達要素をさらに備える、
請求項３に記載の力入力装置。
【請求項１７】
ベクトル力を感知し、それらを、単一の基板において処理するための電子信号に変換する三次元力入力制御装置の組立方法であって、
第１のサイドと第２のサイドをもつ半導体基板を提供するステップと、
前記基板の第１のサイドに応力感知ＩＣ部品および信号処理ＩＣを製造するステップと、
前記基板の第２のサイドに閉じた溝であって、弾性要素、フレームエリアおよび剛性アイランドを画定する境界を形成する溝を形成するステップと、
前記第２のサイドから外側に突出し、前記フレームエリアから前記弾性要素の厚さを差し引いた残りの厚さ寸法よりも大きい剛性アイランドの寸法を残しつつ、前記基板の前記フレームエリアにおいて第２のサイドから追加的な基板材料を除去するステップと、を備え、
剛性アイランド要素は、外力伝達要素と結合するため、または、外部の機械的な力を受け入れるために、前記基板から外側に延びている、
組立方法。
【請求項１８】
前記フレーム要素の第２のサイドから前記基板の一部を除去するステップは、選択的なエッチング、機械的切断、レーザー切断、およびこれらの組み合わせから本質的に成るグループから選ばれたプロセスによって実行される、
請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
ダイ領域内の前記基板の第２のサイドに前記閉じた溝を製造するステップは、
前記基板の第２のサイドに保護マスキング層を蒸着させるステップと、
フォトリソグラフィ技術で剛性アイランド、弾性要素及びフレームエリアのパターンを画定するステップと、
弾性要素領域からマスキング層を除去するステップと、
前記弾性要素エリアの第２のサイドから、選択された厚さへ基板をエッチングするステップと、
を備える請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
ダイ領域内の前記基板の第２のサイドに前記閉じた溝を製造するステップと、前記フレーム要素の第２のサイドから前記基板の一部を除去するステップとは、
前記基板の第２の側に少なくとも一の保護マスキング層を蒸着させるステップと、
フォトリソグラフィ技術で前記剛性アイランド、弾性要素及びフレームエリアのパターンを画定するステップと、
前記弾性要素エリアから前記マスキング層を除去するステップと、
前記基板の第２のサイドから弾性及びフレーム要素を前記弾性要素の所定の厚さにエッチングするステップと、
をさらに備える請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
各ダイ領域内の前記基板の第２のサイドに前記閉じた溝を製造するステップと、前記フレーム要素の第２のサイドから前記基板の一部を除去するステップとは、
前記基板に第１の保護マスキング層を蒸着させるステップと、
フォトリソグラフィ技術で前記剛性アイランドのパターンを画定し、保護するステップと、
前記弾性フレームエリアから前記第１のマスキング層を除去するステップと、
前記基板に第２の保護マスキング層を蒸着させるステップと、
フォトリソグラフィ技術で前記弾性要素のパターンを画定するステップと、
前記弾性要素から前記第２のマスキング層を除去するステップと、
弾性要素を前記基板の第２のサイドから特定の深さにエッチングするステップと、
前記フレーム要素から前記第２のマスキング層を除去するステップと、
弾性及びフレーム要素を前記基板の第２のサイドから前記弾性要素の選択された深さにエッチングするステップと、
をさらに備える請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
各ダイ領域内の前記基板の第２のサイドに前記閉じた溝を製造するステップと、前記フレーム要素の第２のサイドから前記基板の一部分を除去するステップとは、
前記基板に保護マスキング層を蒸着させるステップと、
フォトリソグラフィ技術で前記剛性アイランド、弾性およびフレーム要素のパターンを画定するステップと、
弾性要素からマスキング層を除去するステップと、
前記弾性要素を選択された厚さにエッチングするステップと、
溝及び弾性要素を含む前記基板に保護マスキング層を蒸着させるステップと、
前記フレーム要素からマスキング層を除去するステップと、
基板のフレーム要素を選択された厚さにエッチングするステップと、
をさらに備える請求項１７に記載の方法。
【請求項２３】
ダイ領域内の前記基板の第２のサイドに前記閉じた溝を製造するステップと、前記フレーム要素の第２のサイドから前記基板の一部を除去するステップとは、
第１の保護マスキング層を蒸着させるステップと、
前記第１の保護マスキング層に対してエッチング速度選択性を有する、第２の保護マスキング層を前記基板に蒸着させるステップと、
フォトリソグラフィ技術で前記第２の保護マスキング層上の前記剛性アイランドのパターンを画定するステップと、
前記弾性要素およびフレーム要素から前記第２のマスキング層を除去するステップと、
フォトリソグラフィ技術で前記第１のマスキング層上の弾性及びフレーム要素のためのパターンを画定するステップと、
前記弾性要素から第１のマスキング層を除去するステップと、
前記弾性要素領域の第２のサイドから選択された厚さまで基板をエッチングするステップと、
前記剛性アイランド要素の第２のマスキング層を残して前記フレーム要素から第１のマスキング層を除去するステップと、
前記弾性及びフレーム要素を前記基板の第２のサイドから前記弾性要素の予め選択された深さまでエッチングするステップと、
をさらに備える請求項１７に記載の方法。
【請求項２４】
ダイ領域内の前記基板の第２のサイドに前記閉じた溝を製造するステップと、前記フレーム要素の第２のサイドから前記基板の一部を除去するステップとは、
前記基板に保護マスキング層を蒸着させるステップと、
フォトリソグラフィ技術でマスキング層の前記剛性アイランド要素のパターンを画定するステップと、
フォトリソグラフィ技術で前記弾性及びフレーム要素のパターンを画定するステップと、
前記弾性要素の第２のサイドから前記フレームの厚さと前記弾性要素の厚さとの差の深さ寸法まで、前記剛性アイランド要素のマスキング層と前記フレーム要素のフォトレジスト層を通じて基板をエッチングするステップと、
前記フォトレジストマスキング層を前記フレーム要素から除去するステップと、
前記弾性及びフレーム要素の第２のサイドから前記弾性要素の選択された厚さまで基板をエッチングするステップと、
をさらに備える請求項１７に記載の方法
【請求項２５】
ウェハー基板からダイを分離するためのプロセスをさらに有し、
このステップは、
基板の第２のサイドに保護マスキング層を蒸着するステップと、
フォトリソグラフィでマスキング層の剛性アイランド要素のパターンを画定するステップと、
フォトリソグラフィで前記弾性及びフレーム要素と分離ダイ溝のパターンとを画定するステップと、
前記弾性要素及び分離ダイ溝における基板の第２のサイドから選択された厚さまで、前記剛性アイランド要素のエッチングマスキング層および前記フレーム要素のフォトレジスト層からの保護を使用して、基板をエッチングするステップと、
前記フォトレジストマスキング層をフレーム要素から除去するステップと、
弾性およびフレーム要素と分離ダイ溝における第２のサイドから弾性要素の所定の厚さまで基板をエッチングするステップと、
を備える請求項１７に記載の方法。
【請求項２６】
追加の機械加工された基盤を基準の基板にアライメントするステップと、
前記基板をお互いに接合するステップと、
接合された基板を個々のダイにダイシングするステップと、
をさらに備える請求項１７に記載の方法。
【請求項２７】
弾力性のあるシェル要素を、前記力移動要素に配置するステップを、
さらに備える請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
外力伝達要素を形成するために、プラスチック材料を、接合された基板の表面に蒸着させるステップと、
前記プラスチック材料を接合された基板の表面でバッチ製造プロセスにより選択された形状に形作るステップと、
をさらに備える請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
選択されたピッチで追加の基板を個々のダイに位置決めするステップと、
プラスチック材料を、外力伝達要素を形成するための追加の基板の表面に蒸着させるステップと、
追加の基板の表面に、選ばれた形にプラスチック材料を形づくるステップと、
機器を形成するために、追加の基板から個々のダイを分離するステップと、
をさらに備える請求項２６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概略的には、半導体装置、微細電気機械的システム（MEMS）、センサーに関し、より特定的には、１つの基板の信号の処理電子回路と統合された三次元（３Ｄ）の３軸力センサーに関する。特に、消費者および他のアプリケーションのための、３軸指力センサー、フィンガーマウスおよびマイクロジョイスティックに関する。
【背景技術】
【０００２】
柔軟なダイヤフラム上で応力を感知する部品を備えるマイクロマシニングされたシリコンチップに基づく３Ｄ力センサーが知られている。図１において示された先行技術は、フレーム１２及びより薄いダイヤフラム１４によりフレーム１２と接続されかつダイの剛性の中心部分１６であるボスからなるセンサーチップ１０を使用している。外部から適用された力は、剛性アイランド１６に伝達されて、アイランドの変位により、弾性ダイヤフラム要素１４における変形及び応力を生じさせ、弾性ダイヤフラム要素１４は、応力を感知するＩＣ部品１８、２０、２２の位置まで達している。剛性アイランド１６は、ダイ１０の厚さ寸法内に配置され、環状のダイヤフラムの幅は小さくサブミリメートルの範囲にあるので、高応答を提供するために外力を剛性アイランド１６に対して横方向のＸとＹ方向に適用することは非常に困難であり、従って、多くの消費者用装置及びインタフェースへのそれらの使用は制限される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この欠点を解決するために、剛性力伝達要素３１が、ダイ１０とアイランド１６の構造に付加されている。この剛性力伝達要素３１は、中間層３３を通じてセンサーダイ１０の剛性アイランド１６に堅く結合されている。ダイフレーム厚さの上の剛性アイランド高さの拡張部分は、すべての直交方向に適用されるベクトル力に対するセンサー感度を強化する。力のこれらの要素は、センサーダイの剛性アイランドへ伝達され、そして、弾性要素および感知ＩＣ部品に伝達される。
【０００４】
しかしながら、これらの種類の解決策の不利な点は、剛性力伝達要素のための追加のウエハ、追加のマイクロマシニング、及び２つのウェハーのアライメント及びボンディング、より複雑なウエハからダイを分離する処理及び一般的により高価な製造プロセスが必要となる。
【０００５】
必要なものは、組立及び製造のコストを低減するだけでなく、高密度のＩＣ回路のシリコン基板への容易な集積化を提供する装置である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、ベクトル力を感知し、それらを単一の半導体基板から製造されたセンサーダイ内に全ての構成要素を備える電子信号処理システムで処理するための電子信号に変換するための三次元力入力制御装置を開示する。典型的な装置は、半導体基板内に形成されたセンサーダイ、前記半導体基板内の弾性要素と、前記弾性要素のまわりに形成され前記基板内の全てで前記弾性要素の外周の少なくとも一部に結合されたフレームと、ＩＣ部品の配置場所で機械的な応力に比例する電気出力信号を提供するための最低３つの機械的応力感知ＩＣ部品と、前記基板に形成され前記弾性要素と結合された少なくとも一の剛性アイランド要素であって、外部ベクトル力を弾性要素へ伝達しそして電気出力信号を付与するＩＣ部品へ伝達し、フレームの厚さから弾性要素の厚さを差し引いた厚さよりも大きい高さを有する剛性アイランド要素と、力伝達要素を外力と結合する少なくとも一のバネ要素と、機械的応力感知ＩＣ部品からの出力信号を処理するための少なくとも一の電子回路とを備える。
すべての要素は、種々の面と利益を実現するために、デザインと材料について変更することができる。
【０００７】
いくつかの組立方法が開示され、代表的な方法は、第１のサイドと第２のサイドをもつ半導体基板を提供するステップと、前記基板の第１のサイドに応力感知ＩＣ部品および信号処理ＩＣを製造するステップと、前記基板の第２のサイドに閉じた溝であって、弾性要素、フレームエリアおよび剛性アイランドを画定する境界を形成する溝を形成するステップと、前記第２のサイドから外側に突出し、前記フレームエリアから前記弾性要素の厚さを差し引いた残りの厚さ寸法よりも大きい剛性アイランドの寸法を残しつつ、前記基板の前記フレームエリアにおいて第２のサイドから追加的な基板材料を除去するステップと、を備える。剛性アイランド要素は、外力伝達要素と結合するため、または、外部の機械的な力を受け入れるために、前記基板から外側にいくつかまたは全ての方向に延びている。前記基板の第２のサイドからの一部の除去は、選択的エッチングで実行される。
【０００８】
ダイエリア内の基板の第２のサイドに閉じた溝を製造するためのバリエーションは、基板の第２の再度に保護マスキング層を蒸着させ、フォトリソグラフィ技術で剛性アイランド、弾性要素、フレームおよび分離ダイ溝のパターンを画定し、弾性要素および分離ダイ溝からマスキング層を除去し、弾性要素及び分離ダイ領域における基板の第２のサイドから基板を選択された厚さまでエッチングし、その結果、閉じた分離溝は、基板の使用が少なくて済み、製造に無駄が少ない、画定されたパターンに従った、ダイの分離のための基板における形状と厚さ輪郭を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の具体的な実施形態を添付図面を参照して詳細に説明する。
本発明の実施形態の以下の詳細な説明において、多くの具体的な詳細は、本発明のより完全な理解を提供するために記述される。しかし、これらの具体的な詳細なしで本発明が実施されうることは、当該分野の当業者にとって自明のことである。他の実施形態では、説明を不要に複雑にすることを避けるために、周知の機能は、詳細には説明されない。
【００１０】
本発明の目的は、携帯電話、携帯ゲーム機、デジタルカメラなどのような大量の消費者市場のための３次元の力入力制御装置を提供することである。
【００１１】
本発明の別の目的は、電子機器の様々な機能において融合するように使用される３次元力入力制御装置の製造方法を提供することである。
【００１２】
本発明の別の目的は、低価格の３次元力入力制御装置を提供することである。
【００１３】
本発明の別の目的は、指先サイズの３次元力入力制御装置を提供することである。
【００１４】
本発明の別の目的は、信頼性の高い３次元力入力制御装置を提供することである。
【００１５】
本発明の別の目的は、安定性の高い３次元力入力制御装置を提供することである。
【００１６】
本発明の別の目的は、Ｘ，Ｙ，Ｚの感度の間で十分に低いノイズ比率を提供する３次元力入力制御装置を提供することである。
【００１７】
本発明の別の目的は、低い横軸感度（交差軸感度）を有する３次元力入力制御装置を提供することである。
【００１８】
本発明の別の目的は、他のセンサー及びＣＭＯＳとのプロセス統合を可能にする３次元の力入力制御装置を提供することである。
【００１９】
本発明の別の目的は、スケーラブルな３次元の力入力制御装置を提供することである。
【００２０】
本発明の別の目的は、適用された力と変形との要求される組み合わせをもつ３次元の力入力制御装置を提供することである。
【００２１】
本発明の別の目的は、大量の消費市場のためにより経済的な製造可能性の学を可能にする３次元の力入力制御装置を提供することである。
【００２２】
図２〜図１３は、３次元力入力制御装置、ダイ微小構造、および製造方法の様々な実施形態を示す。本発明に係る微小組織、装置、および製造方法の詳細な説明は、以下に示される。
【００２３】
図２（ａ）−（ｂ）の実施形態を参照すると、力センサーダイおよびその主要な微細構造要素の上面側の等角投影図及び断面図が示されている。ダイの等角投影した底面側の対応部分および断面図は、図２（ｂ）に示されている。ダイ１０は、弾性要素１４を取り囲んでいるフレーム１２を持っている。この実施形態において、弾性要素１４は環状で、ダイヤフラムとして作用する。中央の剛性アイランド１６は、ダイヤフラム１４の中心部にその範囲内で結合される。環状のダイヤフラム１４の上面側には、機械的応力を感知するＩＣ部品が効果的に配置された多数の領域１８、２０、２２が存在する。ＩＣ部品１８、２０、２２は、フレーム１２と隣接したダイヤフラムの外周部に配置され、ダイアフラム上に金属導電体無しでコンタクトパッド２４、２６、２８、３０、３２に電気的に接続される。この構成は、より良好なセンサー安定性を提供する。応力感知ＩＣ部品１８、２０、２２は、また、図２（ａ）に示すように、例えば、領域１９、２１、２３内のように、ダイヤフラムの他の領域に配置することも可能である。
【００２４】
応力感知部品は相対的に小さいエリアをダイの表面に占める。エリアの大多数は信号処理ＩＣの集積化のために使われる。これらのＩＣは、フレームエリア１１、または、剛性アイランドエリア１３、または、弾性要素エリア１４にも配置できる。そして、応力感知部品のプロセスが標準のＣＭＯＳプロセスと互換であると、ＣＭＯＳプロセスによって製造される集積回路は同じダイに集積できる。特に、これらの集積化されたＩＣは、アナログ信号増幅、アナログ−デジタル、及びデジタル−アナログ変換、マルチプレクシング、信号処理、ゲートロジック、メモリー、デジタルインタフェース、電源管理、暗号化、圧縮と解凍、混合信号処理、無線信号の送受信、力とその組み合わせ以外の種々の物理的なドメインをセンシングするなどの機能を提供できる。
【００２５】
外部から適用された力は、剛性アイランド１６に伝達され、アイランドの変位が弾性ダイヤフラム要素１４における変形と応力を生じさせ、応力感知ＩＣ部品１８，２０，２２の位置に達する。これら少なくとも３つの感知ＩＣ部品は、適用されたベクトル力の特定の値と方向に対する特有の信号の組み合わせを形成する。集積化ＩＣによるキャリブレーションおよびセンサー信号処理は、力ベクトル成分の値の決定を可能にし、それゆえ、外部から適用された力の値と方向の決定を可能にする。
【００２６】
図２に図解された他の実施形態においては、ダイ１０内に配置された剛性アイランド１６は、フレーム１２から外部に突出している、または、ダイヤフラム１４の厚さを引いたフレーム１２の厚さより大きい高さ寸法を有する。それは横に向かうＸ、Ｙ方向の外力のより効果的な適用を可能にし、高い感度を提供し、センサーダイの幾何学的な微細構造を簡素化する。装置の製造のコストは、その結果、追加のウェハーと対応する処理ステップが不要になるので、大幅に低減される。説明された実施形態の微細構造は、適用されるベクトル力に対するセンサー感度をすべての３つの直交する方向おいて強化する。力のこれらの成分は、センサーダイの剛性アイランドと、そして弾性要素および感知ＩＣ部品に直接伝達される。
【００２７】
３次元力センサーの実用的な適用の課題は、力入力制御装置として、半導体型の材料における剛性アイランド１６の変位がごくわずかなことである。適用される力の制御に対する心理的な反応は、適用された力、すなわち、例えば、指の圧力に基づく。良好な指のコントロールのためには、変位の範囲がある程度必要であり、この範囲は、適用された力の範囲と装置の感度とを整合させる入力信号の適用精度も増大させる。
【００２８】
この問題を解決する本発明の一の観点は、第３の実施形態に係る図３において説明される。２つの端部をもつスプリング要素４０がセンサーに付加される。スプリング要素４０の第１の端部は、フレーム１２と接触パッド３４を有するセンサーダイ１０の剛性アイランド１６に結合される。スプリング要素４０の第２の端部は外部力ベクトルが適用されるボタン４２に接続される。スプリング要素４０は変位を形成し、移動又は適用される力の範囲及び入力される機械的信号の精度を向上させる。他の利点として、スプリング要素４０は、可変剛性、信頼性、およびコストからより良好な性能のためのセンサーダイの微細構造を設計する機会の範囲も増大させる。
【００２９】
図４に図解されているように、いくつかのフィンガーマウスアプリケーションのために、ボタンおよび力入力制御装置の小さいけれども反応がよい変位の必要性が存在する。これらは、本発明の他の実施形態に係るフラットなボタンを形成することにより満足される。センサーダイ１０は接触パッド３４で基板３６へ接合される。センサーダイ１０は、要求された形に形成されたボタンを形成する弾性プラスチック材料４４により被覆される。
【００３０】
外力は、例えば、指４６により弾性ボタンに適用される。垂直力及びせん断力は、弾性材料のボタンを通じて剛性アイランド１６，弾性要素１４へ伝達され、最終的に応力感知ＩＣ部品へ伝達され、その結果、適用されるが外力に比例する出力電気信号が発生する。
【００３１】
センサーダイの寸法、および、プラスチックのボタンの弾性材料の粘度と弾力性は、センサーの応答特性を大部分決定する。弾性プラスチックの材料４４は、側面が描かれた背面からセンサーダイ１０を直接的に被覆し、フレーム１２と剛性アイランド１６の間の空洞４８を埋めている。力により適用される垂直力及びせん断力は、ボタンの弾性材料を通して剛性アイランド１６へ直接的に伝達され、そして応力感知ＩＣ部品に伝達される。
多くのアプリケーションにおいて、力ベクトルのＸ及びＹ成分は、電子機器のスクリーン上のカーソルの操作に使われる。そのとき、カーソルのポジションが選択されると、作用ボタンは作動する。ほとんどのケースにおいて、この作用ボタンは、ＩＢＭ社製シンクパッドのフィンガーポイントマウスの中のＸＸ−Ｙカーソル操作システムとは区別される。作用ボタンは、好適には、携帯装置において、指の触覚センサーによって感知できるメカニカルなフィードバックまたはメカニカルなクリック機能を特に必要とする。提案された指力制御装置は、１つの３ＤセンサーのＸ，Ｙ及びＺコントロール機能を結合すると、Ｚコントロールは、別のコントロール作用ボタンが不要な作用ボタンとして使うことができる。本発明の第５の実施形態によれば、メカニカルなクリックフィードバック機能は図５に図解されるように装置に組み込まれる。
【００３２】
センサーダイ１０は接触パッド３４で基板３６へ接合される。センサーダイ１０は、ボタンの所望の形状を形成している弾性プラスチックの材料４４により被覆される。指４６による、例えば、外力は弾性ボタンに適用される。垂直力及びせん断力は、ボタンの弾性材料を通して、剛性アイランド１６、弾性要素１４に伝達され、最後に、応力感知ＩＣ部品に伝達され、外力のＸとＹ成分とに比例した出力電気信号が結果として生じる。
【００３３】
弾性プラスチックのボタンの頂部分では、触感メカニカルフィードバックは、押下されたボタンのクリックを感知することを可能にする。それは、空洞５２を備える弾力性のあるシェル構造５０を下部に有するからである。頂部から押されたとき、それはわずかに座屈し、連続性は維持するがクリック感覚を指４６に送る。この弾力性のあるシェルは、金属とプラスチック製品を含む種々の材料から作られる。座屈作用は、触覚のフィードバックを生成するだけではなく、メカニカルな感知部品において短いパルスを発生させ、これはある種の電気的作用を起動するための信号として使われる。
【００３４】
図６に図解されているように、所望の範囲の変位と感応性を提供するスプリング要素５４は、第６の実施形態に係る弾性プラスチックの材料から作られる。この実施形態において、センサーダイ１０および剛性力伝達アイランド１６は、中間基板５３に搭載される。それは接触パッド５４を有する。弾性プラスチックパッケージ材料５５は、上記要素を被覆し、柔軟な突出部を形成する。突出部５６の延長化された端部は、触覚接触のためのボタンとしての役割を果たす。指４６を介して、ボタン５６に適用された外力は、センサーダイと剛性力伝達アイランド１６との間の装置ベース領域５８の中のプラスチック内で機械的な応力及び変形を生成する突出部５５を曲げる。この引き起こされた応力はセンサーダイに伝達され、最終的には応力感知ＩＣ部品に伝達される。マイクロジョイスティックのこのデザインは、そのデザインシンプルさ、および、既存のよく発達している大量の製造技術により、生産コストを非常に低くすることを可能にする。
【００３５】
スティックの突出端部にフラットな頭部６０を備える持つプラスチックの弾性指ジョイスティックの他の実施形態は、図７に示される。プラスチックスティック６２は、様々な形、色、および弾力性において、アプリケーションと要求に応じて製造される。この実施形態において、センサーダイ１０は電子装置のＰＣＢ３６に直接設置される。
【００３６】
コンピュータマウスアプリケーションのためには、時々、大きいジョイスティックアプリケーションに比べてボタンの変形が小さい必要があるが、入力制御装置の高さは制御できる。これらのアプリケーションのために、図８に図解するように、所望の範囲の変形と感応性を提供するスプリング要素は、別の実施形態に係る低い形状で揺動する２つの脊椎背骨状デザインとして形成される。ここでは、剛性力伝達アイランド１６を備えるセンサーダイ１０は、基板３６に設置される。弾性プラスチック６４は、すべての上記要素を被覆し、柔軟なネック６６を形成する。 ボタンの頂上面は、外力が適用される面として役立つ硬い層のプラスチック６８で被覆される。ボタンの頂上面に、例えば、指４６により適用される力は、センサーダイ１０と剛性力伝達アイランド１６の間でネックエリア６６の中のプラスチック内においてメカニカルな応力と変形を生成する作成しているボタン６４を揺動させる。この応力がセンサーダイに伝達されて、最終的に応力感知ＩＣ部品に伝達される。
【００３７】
可撓のフラットな頭部の指力制御装置は、図９において示される。それは、力センサーダイの剛性力伝達アイランド１６に直接結合された揺動弾性プラスチックボタン６４を備え、そして、本発明の実施形態に係る、押されたボタンのクリックの感知を可能にする、ボタン６８の表面上の触感メカニカルフィードバック７０を備えている。
【００３８】
プラスチックのボタン６８の頂部分において、押されたボタンのクリックを感知を可能にする触感メカニカルフィードバック７０は、組み込まれている。それは、その下に空洞７２をもつ弾力性のあるシェル構造７０を有する。頂部が押される時には、それは、それが座屈後のしきい値に到達し、力を適用している指４６にクリック感覚を生み出す。この弾力性のあるシェルは、金属とプラスチック製品を含む種々の材料から作られる。クリック作用は触覚フィードバックを生成するだけではなく、他のプログラム化可能な作用を起動するための信号として使われ、メカニカルな感知部品に短いパルスを発生させる。
【００３９】
携帯機器の多くのアプリケーションとデザインは、サイズ、形、色、および材料において、様々なコントロールボタンを必要とし、一方で、機能は維持される。本発明の実施形態において、図１０に図解するように、取り外し可能なボタンを使用できる。
【００４０】
指力制御装置は、剛性力伝達アイランド１６を備えるセンサーダイ１０に直接的に接続されたエラストマーのパッケージ８０を有する。それは、異なるボタン８８と接続する手段８４、８６も備える。これらのボタンは、制御装置パッケージ８０と接続するための対応およびマッチング手段９０、９２も有する。ボタン８８の外部のデザインは具体的なアプリケーションの要求に依存する。ボタン８８は、別個の部品であってもよく、または、携帯機器のキーボードのマット９４に一体化することも可能である。
【００４１】
いくつかのアプリケーションにおいては、剛性アイランドのピンの小さな表面サイズは、ピンと装着されたプラスチック材料のボタンとの間に長期間の強力な接着を提供しないかもしれない。剛性ピンの増大した表面は、本発明の別の実施形態に係る図１１に示すように、追加の力伝達要素３５を製造することにより、達成できる。この力伝達要素は、穴を有し、この穴は、剛性ピンが挿入可能で、接着剤、はんだ付け、または他の取付機構により、機械的にピンに接続される。例えば、プラスチック、金属、半導体、セラミックなどの様々な材料からこの力伝達要素は作ることができる。それは、例えば、全体のウエハ、または、多くのウエハに対する同時のバッチ製造工程により、ピンへ接続し、接着することも可能である。
【００４２】
追加の力伝達要素３５は、図１１に示すように、弾力性をもつシェル３９を取り付けるためのプラットホームとして役割を果たすことができる。この弾力性をもつシェル３９は、自動化されたピック・アンド・プレイス設備またはバッチ製造工程で個別に力伝達要素の表面に取り付けることができる。
【００４３】
複数のデザインが存在する。１つは、追加の力伝達要素を備え、力センサーダイのウエハに接着され、そして、弾力性があるシェルの基板と一緒になる基板である。別のデザインは、追加の力伝達要素が最初に弾力性があるシェルの基板に接着され、そして、力センサーダイと共にウエハに接着された基板である。 センサーダイ、追加の力伝達要素及び弾力性があるシェルは、ウエハからの分離（singulation）の後、プラスチック材料４４でカバーされ、図１１に示すように、外力、例えば、指４６との接触のための外部力伝達要素を形成する。
【００４４】
本発明の別の実施形態に係る追加の力伝達要素３５は、図１２に示されるように、形状がより複雑である。この力伝達要素もプラスチック、金属、半導体、セラミックなどを含むさまざまな材料から作ることができる。それは、バッチ製造工程においてウエハーレベルでピンに接続し、接着もできる。
【００４５】
別の実施形態では、追加の力伝達要素３５は、接着材料４３で接着される剛性ピン１６を受け入れるための空洞４１を有する。溝４７に剛性ピン１６に最も近い状態で挿入されて、いくつかの目的を果たす部分４５が存在する。まず最初に、それは、ピンとの接続の表面を増加させて、装置の接着性と信頼性を強化する。第２に、それは、外部力伝達要素の成形の間、プラスチック６４が溝４７に入るのを防ぐ。第３に、それは、機械的過負荷をX、Y、およびZ方向に制限する、追加ストッパとして機能する。
【００４６】
追加の力伝達要素３５は、外部力伝達要素のプラスチック材料６４とのより強力な接着のための、空洞またはバンプ４９、５１をこの要素の表面に有する。それは、より高い信頼性を提供する。
【００４７】
単一基板からの最も低いコストのための三次元力センサーダイの製造は、最も大きい課題を提示する。いくつかの選択肢がバッチ製造センサーダイにおいて存在する。
【００４８】
図１３a−図１３dは、本発明の別の実施形態に係る製造方法を図解している。図１３aは、面１  １０１と面２  １０２を有する初期のシリコン基板１００を示している。 ウエハは、最初に、図１３bに示すように、IC回路１０４、感知部品１０６、およびコンタクトパッド１０８を製造する標準CMOS製造工程を通過する。標準CMOS製造工程の後に、マスキング層１０３はウエハの第２のサイドに蒸着される。ダブルサイドリソグラフィが、ウエハの第２のサイドから施され、図１３cに示されているように、弾性要素領域１１０を開口し、フレームと剛性アイランドにマスキング層を１１１に残す。 次に、シリコン・ウエハーの深い局所的なエッチングが、ウエハの背面側から適用され、弾性要素１１３の設計寸法の深さの溝１１２を形成する。局所的なエッチングは、例えば、RIE、ドライプラズマエッチング、放電、ウエット、等方性及び異方性エッチング等の公知技術の様々なタイプのウエット又はドライエッチングにより実行される。その後に、図１３dに示されるように、ウエハの背面のフレーム要素１１４からシリコンが局所的に除去される。その結果、フレーム１１４から弾性の要素１１３の厚さを差し引くと、剛性アイランド１１６の高さ寸法は残りの厚さより大きくなる。フレームエリアからのシリコンを除去する最終的ステップは、機械的研削加工、放電エッチング、研磨加工、及び様々な種類のドライ及びウエットエッチングを含む種々の方法で実行される。
【００４９】
図１４a−１４dは、本発明の別の実施形態に係る製造方法を図解している。図１４aは、前面（第１のサイド)１０１と背面（第２のサイド）を有する初期のシリコン基板１００を示している。ウエハは、図１４aに示すように、最初に、IC回路１０４、感知部品１０６およびコンタクトパッド１０８を製造する標準CMOS製造工程を通過する。標準CMOS製造工程の後に、マスキング層１１１はウエハの背面に蒸着される。図１４bに示すように、ウエハの背面から弾性要素１１０を開口し、フレームの上のマスキング層１１１と剛性アイランド上のマスキング層１１５を残すダブルサイドリソグラフィが施される。次に、シリコン・ウエハの深い局所的なエッチングがウエハの背面から施され、フレームの最終的な厚さと弾性要素１１３の設計厚さとの間の差と等しい深さまで溝１１２を形成する。この局所的なエッチングは、当技術分野で公知の、ドライまたはウエットエッチング、RIE、ドライプラズマエッチング、放電、ウエット、等方性および異方性エッチング等の種々のタイプにより実行される。次に、図１４cに示すように、マスキング層１１１がフレーム要素１１８から除去される。ウエハの背面からのエッチングプロセスは、図１４dに示すように、同時に弾性要素とフレーム要素を継続してエッチングする。その結果、剛性アイランド１１６の高さ寸法は、弾性要素１１３の厚さを差し引いたフレーム１１４の残っている厚さより大きくなり、そして、弾性要素の厚さは設計厚さに達する。弾性要素とフレーム要素からのシリコン除去のステップは、ドライ及びウエット、例えばRIEによる様々な種類のエッチングを含むいろいろな方法で実行することができる。
【００５０】
図１５a−１５dは本発明のさらに別の実施形態に係る製造方法を図解している。図１５aは、CMOS製造工程が完了し、剛性アイランド１１６の周りの溝１１２が弾性要素１１３を形成しながらエッチングされた後の、前面１０１と背面１０２を有するシリコン基板１００示している。その後に、図１５bに示すように、マスキング層１２０は、ウエハの背面に蒸着され、溝のサイドウォール弾性要素１１３の表面をマスキングする。次のステップは、図１５cに示すように、フレーム領域１１８からマスキング層を除去し、弾性要素１１３の背面を含む剛性アイランドと溝の上にマスク１１５と１２０を残す。次に、図１５dに示すように、ウエハの背面のフレーム領域からシリコンを局所的に除去する。その結果、剛性アイランド１１６の高さ寸法は、弾性要素１１３の厚さを差し引いた残っているフレーム１１４の厚さより大きくなる。フレーム領域からシリコンを除去する最後のステップは、ドライ及びウエットの種々の、エッチングを含むさまざまな方法で実行される。
【００５１】
上述した法における課題の１つは、ある種のプロフィールがウエハの背面に既に形成されているときに、フレーム要素からマスクを除去することである。このことは、本発明の別の実施形態による、お互いにエッチング選択性を有するマスキング材料の２つの層及びウエハ背面の初期の平らな面に施される２つのリソグラフィプロセスによりウエハ背面をマスキングすることにより達成される。
【００５２】
図１６aは、CMOS製造プロセス後の前面１０１と背面１０２をもつシリコン基板１００を示している。次に、図１６aに示すように、２つのマスキング層１２２と１２４がウエハの背面に蒸着される。マスキング層１２４はマスキング層１２２に対して高いエッチング選択性を加える。次のステップは、図１６bに示すように、マスキング層１２４を剛性アイランドだけに残してフレーム要素と弾性要素から除去する。第２のリソグラフィ技術に従い、図１６cに示すように、マスキング層１２２で弾性要素１１０を開口する。その結果、ウエハの背面には、３つの異なったエッチングされた要素を有する：領域１１０、１つのマスキング層１２２にマスクされたフレーム要素及びマスキング層１２２と１２４によりマスクされた剛性アイランド要素である。次に、シリコンは、弾性要素においてマスク１２２と１２４により局所的に所定の深さまでエッチングされる。続いて、図１６dに示すように、マスキング層１２２がフレーム要素１２８から除去され、剛性アイランド上のマスク１２４が残る。次のステップは、図１６eに示すように、フレームと弾性要素の同時のエッチングである。その結果、剛性アイランド１３４の高さ寸法は、弾性要素１３０の厚さを引いたフレーム１３２の残っている厚さより大きくなり、そして、基板から外側に突出する。
【００５３】
ウエハの背面からの二重マスキングプロセスの本発明の別の実施形態による別のプロセスは、図１７a−１７eに提示される。図１７aは、CMOS製造プロセス後の、前面-１０１と背面１０２を有するシリコン基板１００を示している。次に、図１７aに示すように、ウエハ１０２の背面にマスキング層１３６が蒸着される。次のステップは、図１７bに示すように、剛性アイランドだけに層を残して、フレームと、そして、弾性要素からマスキング層１３６を除去する。図１７cに示すように、第２のリソグラフィが続いて実行され、弾性要素１１０を開口する。その結果、ウエハの背面には、３つの異なった領域が存在する： 領域１１０、フォトレジスト層１３８によりマスクされたフレーム要素、およびマスキング層１３６によりマスクされた剛性アイランドの要素である。次のステップでは、シリコンはマスク１３６と１３８を通して局所的に所定深さに弾性要素領域をエッチングする。次に、図１７dに示すように、マスキングフォトレジスト層１３８は、剛性アイランドにマスク１３６を残してフレーム１２８からエッチングされる。最終ステップは、図１７eに示すように、フレームと弾性要素の同時のエッチングである。 その結果、剛性アイランド１３４の高さ寸法は、弾性要素１３０の厚さを引いたフレーム１３２の残っている厚さより大きくなる。
【００５４】
また、本発明の別の実施形態にによれば、剛性アイランドを囲む溝の深いエッチングは、ウエハの厚さの実質的な部分をエッチングし、そして、また、このプロセスもウエハから従来のダイシングなしでダイを分離（singulating）する目的に有用であり、装置全体のコストを削減できる。
【００５５】
図１８aは、CMOS製造工程後に、ウエハの背面でマスキング層１３６で剛性アイランドがマスクされたシリコン基板１００を示している。図１８bに示すように、第２のリソグラフィが続いて実行され、弾性要素１１０を開口し、溝１４０をダイシングする。その結果、ウエハの背面は、４つの異なった領域を有する：マスクされていない弾性要素領域１１０、マスクされていないダイシング溝１４０、フォトレジスト層１３８でマスクされたフレーム、及び、マスキング層１３６によりマスクされた剛性アイランドである。次のステップでは、シリコンはマスク１３６と１３８を通して弾性要素１２６とダイシング溝１４２において局所的に所定深さまでエッチングされる。次に、図１８cに示すように、マスキングフォトレジスト層１３８は、剛性アイランドにマスク１３６を残して、フレーム領域１４４からエッチングされる。図１８dに示すように、フレーム、弾性の要素、およびダイシング溝の同時のエッチングが起こる。その結果、剛性アイランド１３４の高さ寸法は、フレーム１３２の残っている厚さを越えて、基板から突出するようになる。これは、ダイの分離（singulation）のためのダイシング溝１４６の形式によりウエハで同時に起こる。
【００５６】
図１９は、別の実施形態による製造プロセスを図解している。図１９に示すように、これらのステップは、追加の力伝達要素１５０をの製造を可能にする。この力伝達要素は、剛性ピン１３４の表面と比べて、はるかに大きい表面をもつる。それは、ダイの頂上でピンとプラスチック材料の間に長期の強力な接着力を付与する。
【００５７】
図１９は、基板ウエハの表面から突出する剛性ピンを備える完成したセンサーウエハを示している。そして、機械的な基板ウエハ１４９は、センサーウエハ１２９に位置決めされ、ピン１３４が基板１４９の結合ホール１５３を貫通する。そして、２枚のウエハが材料１５４、１５６と共に接着される。この材料は、２枚のウエハの間の強くて硬い接着を生み出す接着剤、はんだ、または他の材料である。個々の要素１５０は、図１９bに示すように、ウエハーレベルでスロットとブリッジ１５２の組み合わせにより互いに分離される。これらのスロットとブリッジは、ピン用の穴が嵌合ために形成されるとき、基板に形成される。この点で、接着されたウエハは、ダイシングでき、そして、外力伝達要素を形成するための、ダイの頂上のプラスチック材料の適用が続けてできる。
【００５８】
この実施形態の継続として、図１９cは製造工程における追加的ステップを示している。これらのステップは、図１９cに示すように、弾力性があるシェル１５８を取り付けることを含む。自動化されたピック・アンド・プレイス設備またはバッチ処理で力伝達要素１５０の表面に個別にこれらの弾力性があるシェル１５８を取り付けることができる。次に、弾力性があるシェルを有する接着されたウエハは、外力伝達要素を形成するためにバッチ処理により、ダイシング及び／又はダイの頂上にプラスチック材料の塗布処理がされる。
【００５９】
図２０は、本発明の別の実施形態による製造プロセスのバックエンドを図解している。図２０aは、剛性ピンがウエハの表面から突出している完成したセンサーウエハを示している。機械的な基板またはウエハ１６１が付与される。この機械的な基板は、例えば、プラスチック、金属、半導体、セラミックなどの様々な材料から形成できる。この機械的な基板の少なくとも１つの表面が剛性ピン１３４を受け入れるための空洞１６６が形成されるような形状を有する。他の設計された微細構造要素に沿った、細長く伸びる隆起１６８、空洞１７２、空洞又は溝１７０などのような、他の微細構造要素は、ピン１３４のための空洞１６６と同時に製造できる。機械的な基板は、センサーウエハ１２９に位置決めされ、ピン１３４が機械的な基板１６１における空洞１６６に挿入される。空洞１６６の深さ、ピン１３４の高さ、およびボンディング素材１６４の厚さは、共に、センサーウエハ１２９のフレームと追加の力伝達要素１６２との間のギャップ１６５を決定する。同時に、長く伸びる隆起（ridge）は、ピン１６４の周りで閉じた溝１３１に入る。次のステップでは、２枚のウエハがボンディング材料１６４と共に接着される。この材料は、異種の接着剤又ははんだのどちらか、または２枚のウエハの間の強くてリジットな接着を生み出す他の材料であってもよい。個々の要素１６２は、図２０bに示すように、互いに基板レベルでスロットとブリッジ１７４との組み合わせにより分離されうる。これらのスロットとブリッジは、他のミクロ構造要素１６６、１６８、１７０、１７２が形成されるとき、同時に機械的な基板で形成される。この段階で、接着されたウエハはダイシングされ、そして、次に、図２０c示すように、プラスチック材料１７６が外力伝達要素を形成するためのバッチ生産方法でダイの頂上に適用される。外力伝達要素の材料１７６の成形プロセスでは、この材料は、空洞１７０、１７２に入り、追加の力伝達要素１６２との強くて信頼性の高い機械的な接続を生み出す。同時に、小さいギャップ１６５と長く伸びる隆起（ridge）１６８は、プラスチック材料１７６がピン１３４の周りで閉じた溝１３１に入るのを防ぐ。
【００６０】
注意すべきことは、本発明にかかる装置の製造は、共通の基板上で、他のアナログ、ディジタル回路、アナログ信号増幅、アナログ・デジタル変換、およびD/A変換、マルチプレクシング、信号処理、ゲート論理、メモリ、デジタルインタフェース、電源管理、暗号化、圧縮と解凍、混合信号処理、無線信号の送信と受信、力以外の物理的ドメインをセンシングするセンシング部品、及びこれらの組み合わせを提供するがこれらに限定されない回路を集積化することにより固有の利益を提供する。
【００６１】
ダイの微細構造、フィンガーマウス、フィンガーボタン、および、マイクロジョイスティックの構造、および、それらの製造方法は、本発明を限定しておらず、本発明でカバーされた様々な技術的解決策のいくつかは単に図解されただけであることが理解されるべきである。好適実施形態を参照して本発明を詳細に説明したが、本発明の精神と範囲から逸脱せずに変形及び修正をすることができることが理解される。したがって、限られた数の実施形態に関して本発明について説明したが、本発明の利益を有する当業者は、ここで開示された本発明の範囲から逸脱しないで他の実施形態を考案できることを理解するであろう。本発明の他の側面は以下の説明と添付された特許請求の範囲から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】図１は、ダイの厚さ寸法内に配置された剛性力伝達アイランドおよび剛性アイランドの頂上部分に接続された追加の力伝達要素を備える先行技術の３Ｄ力センサーチップを示している。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に係る力センサーダイ及びその主要な微細構造要素の上面図及び底面図である。
【図３】図３は、携帯装置における種々の機能の３次元入力指コントロールの原理を示しており、そこでは、本発明の一実施形態に従う３Ｄ力センサーダイは、適用される力または変位の感度、レンジおよび精度の要求される組み合わせを達成する制御を可能とするために、スプリング状要素を通じて力を適用するための外部ボタンに接続されている。
【図４】図４は、本発明の実施形態に係る、力センサーダイと直接接続されたエラストマーボタンに基づくフラットで低い外形の指力制御装置の例を示す図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態に係る、剛性力伝達要素と直接接続されたエラストマーボタンを備え、押し下げられたボタンのクリックを感知するための触覚感覚機械的フィードバックを備えている、フラットな指力制御装置を例示する図である。
【図６】図６は、本発明の一実施形態に係る、中間基板ダイに設置されたセンサーダイに力ベクトルを伝達する剛性力伝達要素と直接結合されたエラストマー突出体からなるスプリングバック変形可能な要素に基づくジョイスティックタイプ指力制御装置の例を示す図である。
【図７】図７は、本発明の一実施形態に係る、センサーダイがＰＣＢに直接設置され、頭部が平坦化されたジョイスティックタイプ指力制御装置の別の例を示す図である。
【図８】図８は、本発明の一実施形態に係る、力センサーダイの剛性力伝達要素に直接結合され、プラスチックの層の中に埋め込まれ、一体化されたボタンダイとして機能する揺動式弾性プラスチックボタンからなる頭部がフラットで柔軟な指力制御装置を示す図である。
【図９】図９は、本発明の一実施形態に係る、力センサーダイの剛性力伝達要素に直接結合された揺動式弾性プラスチックボタンからなり、ボタンの表面にボタン押下を感知する触覚感覚機械的フィードバックのための触覚機械的フィードバックを備える、頭部がフラットで柔軟な指力制御装置を示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の一実施形態に係る、剛性力伝達アイランドと直接接続されたエラストマー製パッケージに基づき、そして、様々なデザインのダイに依存して様々なボタンとの接続を備える、指力制御装置の例を示す図である。
【図１１】図１１は、本発明の一実施形態に係る、追加の力伝達要素および押下されたボタンのクリックを感知するための弾力性のあるシェルを備えるフラットな指力制御装置の例を示す図である。
【図１２】図１２は、本発明の一実施形態に係る、プラスチック製ボタンへの接合力が増加した追加の力伝達要素に直接結合された揺動式弾性プラスチックボタンからなり、ボタンの表面にボタン押下を感知する触覚感覚機械的フィードバックのための触覚機械的フィードバックを備える、頭部がフラットで柔軟な指力制御装置を示す図である。
【図１３】図１３は、本発明の一実施形態に係る、最初にダイヤフラムを局所的にエッチングし、その後にダイフレームを薄化することを基礎とする製造プロセスの例を示す図である。
【図１４】図１４は、本発明の一実施形態に係る、特定の深さにダイヤフラムを局所的にエッチングし、その後、ダイフレームを薄化すると共に、同時にダイアフラムのエッチングを継続することを基礎とする製造プロセスの例を示す図である。
【図１５】図１５は、本発明の一実施形態に係る、最初にダイヤフラムを局所的にエッチングし、次いで、マスク層をダイアフラムエリアに蒸着させ、その後に、ダイをエッチングすることによりフレームを薄化することを基礎とする製造プロセスの例を示す図である。
【図１６】図１６は、本発明の一実施形態に係る、マスキング材料の２つの層の蒸着、及び、ダイアフラムエリアを段差形状加工し、フレームを薄化する２つのリソグラフィ処理を基礎とする製造プロセスの例を示す図である。
【図１７】図１７は、本発明の一実施形態に係る、マスキング材料の一の層の蒸着、及び、ダイアフラムエリアを段差形状加工し、フレームを薄化する２つのリソグラフィ処理を基礎とする製造プロセスの例を示す図である。
【図１８】図１８は、本発明の一実施形態に係る、マスキング材料の一の層の蒸着、及び、同時に、弾性要素をエッチングし、ダイシングのための溝を分離し、フレームを薄化する２つのリソグラフィプロセスを基礎とする製造プロセスの例を示す図である
【図１９】図１９は、本発明の他の実施形態に従って、ダイの頂部においてより強力な接着力をピンとプラスチック材料との間に付与するために、力伝達要素のための代替のより大きな表面の製造における追加的なステップを図解している。
【図２０】図２０は、本発明の他の実施形態に従って、ダイの頂部においてより強力な接着力をピンとプラスチック材料との間に付与し、追加的な力の過負荷保護を提供するために、力伝達要素のための代替のより大きな表面の製造における追加的なステップを図解している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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