(57)【要約】【課題】集積化センサ装置を提供すること。【解決手段】集積化センサ装置は、表面部分を含む第１の基板および積層構成で第１の基板の表面部分に結合される第２の基板を備え、そこでは空洞が、第１の基板と第２の基板との間に規定される。集積化センサ装置はまた、第１の基板内に少なくとも部分的に設置される１つまたは複数の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサを備え、そこではＭＥＭＳセンサは空洞と連通する。集積化センサ装置はさらに、１つまたは複数のセンサを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面部分（２１２）を含む第１の基板（２１０）と、
積層構成で前記第１の基板の前記表面部分に結合される第２の基板（２４０）であって、空洞（２３０）が、前記第１の基板と前記第２の基板との間に規定される、第２の基板と、
前記第１の基板内に少なくとも部分的に設置され、前記空洞と連通する、１つまたは複数の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサ（２２０）と、
１つまたは複数の追加のセンサ（２５０）とを備える、集積化センサ装置（２００）。
【請求項２】
前記１つまたは複数のＭＥＭＳセンサは、加速度計、ジャイロスコープ、流量センサ、ガス検出器、またはそれらの組合せを備え、
前記１つまたは複数の追加のセンサは、磁気センサ、圧力センサ、またはそれらの組合せを備える、請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項３】
前記１つまたは複数のＭＥＭＳセンサは、加速度データを提供するように構成され、
前記１つまたは複数の追加のセンサは、方向データを提供するように構成される少なくとも１つの磁気センサである、請求項１に記載のセンサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
パーソナルナビゲーション装置（ＰＮＤ）およびスマートフォンなどのモバイル装置は典型的には、ある種のナビゲーションおよび地図方位応用を有する。これらのモバイル装置はしばしば、装置が水平に保持されないときでさえ機能すべきである磁気コンパスを利用し、それは、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）加速度計またはジャイロスコープが磁気センサと集積化されることを必要とする。典型的なモバイル装置は、磁気コンパスセンサならびに別個のＭＥＭＳ加速度計またはジャイロスコープセンサを含む。しかしながら、モバイル装置内に２つの別個のセンサ装置としてこれらのセンサを含むことは、大きなプリント回路板（ＰＣＢ）フットプリントを占める。モバイルナビゲーション装置は、コストおよび寸法に非常に敏感であるので、コンパスハードウエアのコストまたはプリント回路板（ＰＣＢ）フットプリントを低減するどんな解決策も、望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００２】
【特許文献１】米国特許第５，８２０，９２４号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明の一実施形態は、集積化センサ装置を提供する。集積化センサ装置は、表面部分を含む第１の基板および積層構成で第１の基板の表面部分に結合される第２の基板を備え、そこでは空洞が、第１の基板と第２の基板との間に規定される。集積化センサ装置はまた、第１の基板内に少なくとも部分的に設置される１つまたは複数の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサを備え、そこではＭＥＭＳセンサは空洞と連通する。集積化センサ装置はさらに、１つまたは複数の追加のセンサを備える。
【０００４】
本発明の特徴は、図面を参照して次の説明から当業者には明らかになるであろう。図面は、本発明の典型的な実施形態だけを描写し、従って範囲を限定すると考えるべきではないことを理解して、本発明が、添付の図面の使用を通じてさらに具体的におよび詳細に述べられよう。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】集積化ＭＥＭＳおよび磁気センサを備えるパーソナルナビゲーション装置（ＰＮＤ）の一実施形態の図である。
【図２Ａ】積層ＭＥＭＳセンサ装置の代替実施形態の横断面側面図である。
【図２Ｂ】積層ＭＥＭＳセンサ装置の代替実施形態の横断面側面図である。
【図２Ｃ】積層ＭＥＭＳセンサ装置の代替実施形態の横断面側面図である。
【図２Ｄ】図２Ａの積層ＭＥＭＳセンサ装置の上面図である。
【図３】集積化ＭＥＭＳセンサ装置を形成する方法の一実施形態の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
次の詳細な説明では、実施形態は、当業者が本発明を実施できるように十分に詳細に述べられる。他の実施形態が、本発明の範囲から逸脱することなく利用されてもよいことは理解されるべきである。従って、次の詳細な説明は、限定すると受け取られるべきではない。
【０００７】
これから先で述べられる実施形態は、ＭＥＭＳセンサおよび磁気センサなどの少なくとも１つの追加のセンサを含む集積化微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサ装置に関する。典型的には、ＭＥＭＳセンサは、加速度計が機能するのに必要とされる空洞を作り出すために基板をかぶせられ、プラスチック成形パッケージ内に包み込まれる。ＭＥＭＳ基板およびキャップ基板の一部分はしばしば、未使用で残される。本発明の一実施形態では、ＭＥＭＳセンサおよび磁気センサは、単独の積層構成に集積化される。一実施形態では、ＭＥＭＳセンサのキャップの電気的に未使用の（ブランク）半導体領域は、集積化センサ装置を形成するために積層構成で１つまたは複数の追加のセンサを設けるために利用される。
【０００８】
本集積化ＭＥＭＳセンサ装置は、装置で使用される半導体基板材料の量を低減し、パッケージ化された装置のＰＣＢフットプリントを同時に低減する小型センサ装置である。加速度計（また本明細書では傾斜センサとも呼ばれる）またはジャイロスコープおよび磁気センサを共通の半導体装置内に集積化することは、センサが個々の半導体チップ内に形成されるときと比較してセンサによって占められる寸法を低減する。例えば、磁気センサダイおよび傾斜センサダイは、パッケージ寸法およびそれによってパッケージフットプリントを低減するために一緒に積層されてもよい。すでに利用可能な基板領域は、本実施形態でより完全に使用されるので、製作コストもまた、より低いことになる。
【０００９】
図１は、集積化ＭＥＭＳおよび磁気センサ１３０を備えるパーソナルナビゲーション装置（ＰＮＤ）１００の一実施形態である。ＰＮＤ１００は、モバイル（携帯用）ナビゲーション装置、スマートフォン、またはナビゲーションおよび方位情報を必要とする応用でユーザを援助するように構成される任意の同様のモバイル装置であってもよい。例えば、ユーザは、専門的な第一応答者または公衆の一員であってもよい。ＰＮＤ１００は、ナビゲーションおよび方位ルーチンモジュール１２０を動かすように構成されるプロセッサ１１０を含む。ディスプレイ１４０は、ユーザにナビゲーション情報を提示し、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、デジタルディスプレイ、または同様のものを備えてもよい。表示されてもよいナビゲーション情報は、位置情報、方位情報、地図、コンパス方向、所定の経路、またはナビゲーションで有用な任意の他の情報を含む。
【００１０】
方位情報は、ＰＮＤ１００の現在の方位に関する情報であり、集積化ＭＥＭＳおよび磁気センサ１３０（また本明細書では集積化ＭＥＭＳセンサとも呼ばれる）を使用して決定されてもよい。集積化ＭＥＭＳおよび磁気センサ１３０は、加速度、回転、および方向データに関する（すなわち、コンパス方向に関する）情報をプロセッサ１１０に提供する。ＰＮＤ１００は、１つの単独の集積化ＭＥＭＳセンサ１３０内で加速度およびジャイロスコープデータのために３つの検知軸を使用してもよい。代替実施形態では、ＰＮＤ１００は、各々が異なる軸の加速度またはジャイロスコープデータのための、複数の集積化ＭＥＭＳセンサ１３０を備える。ＰＮＤ１００の構成要素は、適切なインターフェースおよび相互接続を使用して必要に応じてお互いに通信可能に結合される。
【００１１】
図２Ａ〜２Ｃは、積層センサ装置の代替実施形態２００、２００’、および２００’’を例示する。集積化ＭＥＭＳセンサ装置２００、２００’、および２００’’は、表面部分２１２を含む第１の基板２１０を備える。第１の基板２１０は、少なくとも１つのＭＥＭＳセンサ２２０を含む。第２の基板２４０は、第１の基板２１０の表面部分２１２に結合される。ある実施形態では、ＭＥＭＳセンサ２２０の部分は、第２の基板２４０内に設置される。センサ装置２００、２００’、および２００’’は、磁気センサなどの少なくとも１つの追加のセンサ２５０を備える。
【００１２】
第１および第２の基板２１０、２４０は、シリコン、ガラス、石英、または同様のものなどのさまざまな材料から成ってもよい。一実施形態では、第２の基板２４０は、ＭＥＭＳセンサ２２０を覆うために使用されるキャップである。キャップは、ガラスフリット接合、接着、または溶接などの周知の接合プロセスを使用して基板２１０の表面部分２１２に密封して取り付けられてもよい。
【００１３】
ＭＥＭＳセンサ２２０は、１つまたは複数の加速度計、ジャイロスコープ、またはそれらの組合せ、ならびに流量センサ、ガス検出器、または基板２１０もしくはキャップ２４０の少なくとも１つ内に電気的に未使用の部分を有するＭＥＭＳ技術に適している任意の他のセンサを含んでもよい。例えば、３つの加速度計軸が、単独のセンサ装置２００内で用いられてもよい。同様に、２つのジャイロスコープ軸が、単独のセンサ装置２００内で用いられてもよい。一実施形態では、ＭＥＭＳセンサ２２０は傾斜センサダイを含む。
【００１４】
集積化センサ装置２００、２００’、および２００’’はさらに、空洞２３０を備え、それは、第１の基板２１０と第２の基板２４０との間に形成される。第２の基板２４０は、ＭＥＭＳセンサ２２０を外部環境から保護し、空洞２３０を密封するキャップの役割を果たす。ＭＥＭＳセンサ２２０は、空洞２３０と連通する。図２Ａ〜２Ｃで示されるように、空洞２３０は、基板２１０の表面部分２１２を通って形成される。しかしながら、代替実施形態では、空洞２３０は、第２の基板２４０の底部分２４２内に形成される。空洞２３０は、真空または不活性ガスを保持するために密封される。空洞２３０は、ＭＥＭＳセンサ２２０に運動の自由を提供するために使用され、振動および回転などの運動を可能にする。
【００１５】
第２の基板２４０（すなわち、キャップ）は、底部分２４２および上部分２４４を備える。ＭＥＭＳ装置内では、キャップ（および第１の基板２１０の一部）は典型的には、上部分２４４上に電気的に未使用の（すなわち、ブランク）部分を含む。基板のブランク部分は、ＭＥＭＳセンサ２２０によって電気的に使用されない任意の部分である。図２Ａは、１つまたは複数のセンサ２５０が第２の基板２４０内に設置される実施形態を例示する。センサ装置２００のこの実施形態は、上部分２４４の電気的に未使用の部分の一部またはすべてが、１つまたは複数のセンサ２５０を設けると規定する。センサ２５０は、磁気センサ、圧力センサ、温度センサ、または任意の種類の適切な電子回路を含んでもよい。代替実施形態では、キャップはさらに、アクティブなＭＥＭＳセンサ要素を備える、または全集積化ＭＥＭＳセンサ装置２００の一部を形成する。図２Ｄは、図２Ａの積層ＭＥＭＳセンサ装置２００の上面図であり、第２の基板２４０の上部分２４４内に１つまたは複数の追加のセンサ２５０を示す。
【００１６】
図２Ｂの実施形態で示されるように、１つまたは複数の追加のセンサ２５０は、ＭＥＭＳセンサ装置２００’の第１の基板２１０の電気的に未使用の部分内に設置される。図２Ｃの実施形態で描写されるように、１つまたは複数の追加のセンサ２５０は、ＭＥＭＳセンサ装置２００’’の第１の基板２１０および第２の基板２４０の電気的に未使用の部分内に設置される。
【００１７】
図２Ａ〜２Ｄの実施形態では、ＭＥＭＳセンサ２２０およびセンサ２５０は電気的に分離される。代替実施形態では、ＭＥＭＳセンサ２２０およびセンサ２５０は電気的に分離されない。各センサからの導線は、それらの各基板から外へ延びてもよい。センサ装置２００、２００’、および２００’’の実施形態はまた、センサ２２０および２５０からの出力が他の装置に接続される（例えば、ワイヤーまたは導線を介して）ことを可能にする金属または基板フレーム（図示されず）も備える。センサ装置２００、２００’、および２００’’はまた、装置の次の段階への（ＰＮＤ１００内などの）組立てのためのパッケージ（プラスチック成形パッケージなどの）も備える。パッケージ化は、センサ装置２００、２００’、および２００’’をより取扱いが容易にし、より強固にする。
【００１８】
図３は、センサをＭＥＭＳ装置と集積化する方法３００の一実施形態の流れ図である。ＭＥＭＳセンサの少なくとも一部分は、第１の基板（３１０）内に形成される。もしＭＥＭＳセンサが、第１の基板内に完全に形成されないならば、残りは、第２の基板内に形成される。ＭＥＭＳアクティブウェーハを製作する１つの例となる方法は、Ｍｉｃｒａｇｅｍ標準である。Ｍｉｃｒａｇｅｍ標準は、最初にガラスウェーハ内に空洞をエッチングするステップを含む。次いで電極、配線、および接合パッドが、パターン形成される。シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ハンドルウェーハが、ガラスウェーハに陽極接合される。シリコンハンドルウェーハおよび埋め込み酸化物層が、エッチングされる。次に、低応力金属が堆積される。リソグラフィパターン形成およびディープ反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）が、シリコン微細構造を解放するために行われる。ＭＥＭＳセンサ要素が、形成される。しかしながら、Ｍｉｃｒａｇｅｍ標準は、単に１つの例となる方法であり、当業者に周知のＭＥＭＳセンサを形成する他の適切な方法も考えられる。
【００１９】
いったんＭＥＭＳセンサが形成されると（３１０）、１つまたは複数のセンサまたは電気回路が、形成される。これらの追加のセンサは、第１の基板、第２の基板（例えば、ＭＥＭＳキャップウェーハ）、またはそれらの組合せのブランク部分の上または中に製作されてもよい（３２０）。キャップウェーハ上にセンサを製作する方法は、作られている特定のセンサに依存することになる。コンパスデータを提供するための磁気センサを製作する例となるプロセスについては、参照により本明細書に組み込まれる、題名「Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  Ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ  ａ  Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  Ｓｅｎｓｏｒ」の、１９９７年６月６日出願の米国特許第５，８２０，９２４号を参照されたい。
【００２０】
いったんすべてのセンサが製作されると、第２の基板（キャップウェーハ）が、既存の機械的プロセスを使用して第１の基板に接合される（３３０）。これは、集積化ＭＥＭＳおよびセンサ積層を作り出し、それは次いで、小型センサ装置をもたらすためにパッケージ化される（３４０）。
【００２１】
一実施形態では、単独の装置パッケージは、集積化磁気および傾斜センサを備える。傾斜センサダイの電気的に未使用のシリコン表面は、磁気センサダイとして使用される。磁気センサダイおよび傾斜センサダイは、パッケージ寸法およびそれによって装置のフットプリントを低減するために一緒に積層される。シリコン領域は、再使用されるので、コストおよびフットプリントが両方とも、低減されることになる。この組み合わされた傾斜センサおよび磁気センサは、ＰＮＤ内で位置および方位データを提供するために使用されてもよい。
【００２２】
本発明は、その本質的特徴から逸脱することなく他の特定の形態で具体化されてもよい。特定の実施形態で述べられる態様および制限は、他の実施形態と結合できる。述べられる実施形態は、すべての点で例示としてだけで、制限的ではないと考えられるべきである。従って、本発明の範囲は、先の説明によってよりもむしろ添付の特許請求の範囲によって示される。特許請求の範囲の等価の意味および範囲内に入るすべての変更は、それらの範囲内に包含されるべきである。
【符号の説明】
【００２３】
１００  パーソナルナビゲーション装置（ＰＮＤ）
１１０  プロセッサ
１２０  ナビゲーションおよび方位ルーチンモジュール
１３０  集積化ＭＥＭＳおよび磁気センサ
１４０  ディスプレイ
２００  センサ装置
２００’  センサ装置
２００’’  センサ装置
２１０  第１の基板
２１２  表面部分
２２０  ＭＥＭＳセンサ
２３０  空洞
２４０  第２の基板
２４２  底部分
２４４  上部分
２５０  追加のセンサ
３００  センサをＭＥＭＳ装置と集積化する方法
３１０  ＭＥＭＳセンサの少なくとも一部分を第１の基板内に形成
３２０  追加のセンサを形成
３３０  第１の基板を第２の基板に接合
３４０  集積化ＭＥＭＳおよびセンサ積層をパッケージ化
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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【外国語明細書】
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