(57)【要約】【課題】慣性計測システムを製造する改良された方法と、改良された慣性計測装置を提供する。【解決手段】慣性計測装置（ＩＭＵ）９００を製造する方法は、電気的に相互に接続されたＭＥＭＳ慣性センサチップ２１４集積回路２１２を含む封止パッケージ９０２として、複数の個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージ９０２をパッケージレベルで製作することを含む。個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージ９０２を製作することは、各パッケージ９０２内に機械的接続機構１０４を形成することと、各個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージ９０２を他の個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージ９０２と互いに直交する向きで機械的に相互に接続することによって、ＩＭＵ９００を組み立てることとを含む。【選択図】図１Ａ
2019144240.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
慣性計測装置（ＩＭＵ）を製造する方法であって、
電気的に相互に接続されたＭＥＭＳ慣性センサチップ及び集積回路を含む封止パッケージとして、複数の個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージをパッケージレベルで製作することを含み、
前記個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージを製作することは、各パッケージに機械的接続機構を形成することと、
各個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージを別の個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージと互いに直交の向きで機械的に相互に接続することによって前記慣性計測装置を組み立てることと、
を含む、前記方法。
【請求項２】
前記複数の個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージのそれぞれを、前記慣性計測装置を組み立てる前にテストすることを
さらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージを製作することは、層ごとの製作を含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージを製作することは、１つまたは複数のベース層と、前記１つまたは複数のベース層と異なる形を有する１つまたは複数の追加の層とを含む複数のパッケージ層をスタックすることを含み、任意選択で、前記機械的接続機構が、前記１つまたは複数の追加の層の前記異なる形の結果として形成される、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記機械的接続機構は、各パッケージの１つまたは複数のエッジに形成される、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
各パッケージの前記機械的接続機構は、少なくとも１つのインターロック部分及び少なくとも１つの対応するインターロックチャネルを含み、前記方法は、
１つのパッケージのインターロック部分を別のパッケージの対応するインターロックチャネルに機械的に相互に接続することによって、前記慣性計測装置を組み立てることをさらに含む、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージを製作することは、複数のパッケージ層であって、各パッケージ層が１つのシートに形成された多数のパッケージ層を含む前記複数のパッケージ層をスタックして、１つの固化シートで多数のパッケージを製作すること含む、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記個々のパッケージを前記１つの固化シートから個片化することと、前記ＭＥＭＳ慣性センサチップ及び前記集積回路を各個々のパッケージに封止することと、
をさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージを製作することは、
電気接続機構を各パッケージの１つまたは複数の外面に追加することを含む、請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
１つのパッケージの前記電気接続機構を別のパッケージの前記電気接続機構に直接、接続すること、
をさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
１つのパッケージの垂直の側面を別のパッケージの水平の側面に接続すること
をさらに含む、請求項９または１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記複数の個々に製作されたＭＥＭＳ慣性センサパッケージの各個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージを１つまたは複数の他の個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージに、前記パッケージ間で電力及び／またはデータを伝達するバスを形成するように、電気的に接続すること
をさらに含む、請求項１〜１１のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
複数の個々に製作されたＭＥＭＳ慣性センサパッケージを含み、
各パッケージは、電気的に相互に接続されたＭＥＭＳ慣性センサチップ及び集積回路を含む封止パッケージとしてパッケージレベルで個々に製作され、
各個々に製作されたＭＥＭＳ慣性センサパッケージは、各個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージを別の個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージに互いに直交の向きになるように機械的に相互に接続するように配置された機械的接続機構を含む、
慣性計測装置（ＩＭＵ）。
【請求項１４】
各個々に製作されたＭＥＭＳ慣性センサパッケージは、前記パッケージの１つまたは複数の外面に電気接続機構をさらに含み、１つのパッケージの前記電気接続機構は、別のパッケージの前記電気接続機構に直接接続され、例えば、前記電気的接続部は、１つのパッケージの垂直の側面から別のパッケージの水平の側面に直接、接続される、請求項１３に記載の慣性計測装置。
【請求項１５】
前記複数の個々に製作されたＭＥＭＳ慣性センサパッケージの各個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージは、１つまたは複数の他の個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージに、前記パッケージ間で電力及び／またはデータを伝達するバスを形成するように、電気的に接続される、請求項１３または１４に記載の慣性計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、慣性計測装置と、慣性計測装置を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
典型的に１枚のシリコンウエハから製作される微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）慣性センサを用いると、固定の基準点が無くても直線運動または角運動が測定できる。ＭＥＭＳジャイロスコープ、厳密に言うと、ＭＥＭＳ角速度センサは、コリオリの力に対する振動構造の反応を観察することによって、角速度を測定できる。ＭＥＭＳ加速度計は、ばねに吊り下げられた試験質量の反応を観察することによって、直線加速度を測定できる。ＭＥＭＳ慣性センサは、グループにアセンブルされて多軸システムを形成することが多い。典型的に、慣性計測装置（ＩＭＵ）は、１つまたは複数のジャイロスコープ及び／または加速度計を含む。例えば、ＩＭＵは、ｘ軸、ｙ軸、及び、ｚ軸のそれぞれを中心とする角速度とｘ軸、ｙ軸、及び、ｚ軸のそれぞれの直線加速度を検出できるように、３つのジャイロスコープ及び３つの加速度計を含んでよい。高性能な多軸慣性計測システムのためには、３つまたは６つの個々の単軸慣性センサが、正確に直交するように取り付けられる必要がある。これによって、システムの大きさ及び費用が大きく増加する。各ＭＥＭＳセンサパッケージは、ＩＭＵによって提供されるホスト構造に取り付けられてよい。ホスト構造は、セラミックまたはポリマーの支持体であることが多く、支持体は、ＭＥＭＳセンサパッケージを機械的に取り付け、各パッケージへの電気的接続も提供する。しかしながら、取り付けられたセンサ間に正確且つ安定した互いの直交性を達成することは難しい場合がある。
【０００３】
特許文献１は、個々に密封されたパッケージ化されたＭＥＭＳ慣性センサがセラミック製の立方体の取付ブロックの面にある凹部に取り付けられたＩＭＵを開示している。電気的インタフェース接点が、各ＭＥＭＳセンサパッケージと電気通信を可能にするように、立方体のブロックの表面に備えられる。電力線及び操作信号線は、立方体ブロックの外面を覆ってインタフェース接点に持ってこられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００４／０１６９２４４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本開示は、慣性計測システムを製造する改良された方法と、改良された慣性計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の第１の態様によると、
電気的に相互に接続されたＭＥＭＳ慣性センサチップ及び集積回路を含む封止パッケージとして、複数の個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージをパッケージレベルで製作することを含み、
個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージを製作することは、各パッケージに機械的接続機構を形成することと、
各個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージと他の個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージとを互いに直交の向きになるように機械的に相互に接続することとによって慣性計測装置（ＩＭＵ）をアセンブルすることと、
を含むＩＭＵを製造する方法が提供される。
【０００７】
このような方法は、個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージを互いに直接直交に取り付けることを可能にし、各パッケージの機械的接続機構は、下部の取付ブロックやホスト構造に頼ることなしに、正確な機械的安定性を提供する。このような方法は、ＭＥＭＳ慣性センサパッケージの標準的な高容量のパッケージ構築技術を使用してよく、個々のパッケージは、大きいシートで同時に作られ、製作後、個片化される。これは、低コストの製造を可能にする。全体の部品数を減らすことによって、より小さくより安価なＩＭＵを作ることができる。
【０００８】
各個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージと他のＭＥＭＳ慣性センサパッケージを直接機械的に相互に接続することによってＩＭＵをアセンブルするさらなる利点は、ＩＭＵ構造が材料組成という点でいっそう均一になることである。センサパッケージを下部の支持構造に取り付けるＩＭＵと比較して、セラミックパッケージをプリント基板のプラスチックまたは複合材料（例えば、ＦＲ４グラスファイバ）に取り付ける時に生じるような異種材料の接合部が無い。これは、典型的に膨張差によって起こる性能問題の多くを回避できることを意味する。
【０００９】
完成した個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージをＩＭＵにアセンブルすることによって、パッケージをＩＭＵ構成にアセンブルする前に、各パッケージを個々にテストして機能及び性能を決定できることを出願者は認識している。従って、少なくとも一部の例において、方法は、複数の個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージをそれぞれ、ＩＭＵにアセンブルする前にテストすることをさらに含む。これは、選択された完全に機能する高性能なセンサデバイスのみを選択してＩＭＵにアセンブルする高性能なＩＭＵシステムのために特に重要である。例えば、立方体のＩＭＵの６つの全てのセンサは、類似の高性能レベルを有するように選択できる。
【００１０】
機械的接続機構は、各パッケージの製作中に各パッケージに任意の適切な方法で形成されてよい。少なくとも一部の例において、個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージを製作することは、層ごとの製作を含む。これは、例えば、セラミックパッケージにとって、シートから打ち抜かれた層からパッケージを構築するのを可能にする実績のある製造技術である。個々のパッケージは、標準的なセラミックパッケージ技術を用いて製造されてよく、各パッケージは、幾つかの別個に製造されたセラミック層のスタックを含む。スタックは、次に、積層及び焼結されて１つのセラミック構造を形成してよい。しかしながら、層の１つまたは複数が異なる形を有するように設計することによって、製造プロセス全体に大きな変更を行うことなく各パッケージに機械的接続機構を作ることが可能であることを出願者は認識している。このように個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージ製造することは、１つまたは複数のベース層と、１つまたは複数のベース層と異なる形を有する１つまたは複数の追加の層とを含む複数のパッケージ層をスタックすることを含んでよい。好ましくは、機械的接続機構は、１つまたは複数の追加の層の形が異なる結果として形成される。
【００１１】
製作段階中に、機械的接続機構が、個々のパッケージの任意の適切な位置に形成されてよい。しかしながら、アセンブルという観点からは、機械的接続機構が各パッケージの１つまたは複数のエッジに形成されると便利であり得る。さらに、パッケージが層ごとに製作される例においては、例えば、追加の層（複数可）用に異なる形を打ち抜いた結果として、各パッケージの１つまたは複数のエッジに機械的接続機構を形成すると有益であり得ることを出願者は認識している。
【００１２】
機械的接続機構は、任意の適切なインターロック形状を有してよい。あるインターロック形状は、１つの機械的接続機構が、同じインターロック形状を有する他の機械的接続機構とインターロックするのを可能にしてよい。しかしながら、少なくとも一部の例において、機械的接続機構は、雄形状及び雌形状を有してよい。例えば、各パッケージの機械的接続機構は、少なくとも１つのインターロック部分及び少なくとも１つの対応するインターロックチャネルを含んでよい。対応するインターロックチャネルが意味するものは、インターロック部分をインターロックするように受ける形状及び／または寸法のチャネルである。例えば、インターロック部分は、パッケージ間のあらゆる相対的な動きを防いでインターロックするようにインターロックチャネルを塞いでよい。インターロックチャネルは、パッケージの壁部分と壁部分の間に画定できる。
【００１３】
ＩＭＵをアセンブルするステップは、１つのパッケージのインターロック部分と他のパッケージの対応するインターロックチャネルとを機械的に相互に接続することを含んでよい。
【００１４】
このような例において、機械的接続機構は、各パッケージのエッジに交互にインターロック部分及びインターロックチャネルを含んでよい。これは、パッケージの向きによって、他のパッケージに対して任意の所与のエッジに「雄」のインターロック部分が存在するか、または、「雌」のインターロックチャネルが存在するかが決定されることを意味する。
【００１５】
所与のパッケージの幾何学的形状は、機械的接続機構の数及び配置を決定する。少なくとも一部の例において、各パッケージは、第１の軸に配置されたインターロック部分と、第１の軸に対して角度をなした第２の軸に配置されたインターロックチャネルとを含んでよい。例えば、正方形または長方形のパッケージは、第１のｘ軸に配置されたインターロック部分と、ｘ軸と９０度の角度をなした第２のｙ軸に配置されたインターロックチャネルとを有してよい。別の例においては、六角形のパッケージは、第１の軸に配置されたインターロック部分と、第１の軸に対して６０度をなす第２の軸に配置されたインターロックチャネルとを有してよい。
【００１６】
層ごとの製作の他の利点は、好都合なことに、複数のパッケージが、１枚の固化シートの形で製作され得ることを出願者は認識している。これは、スピード及び材料消耗の点で、より効率のよい製造プロセスを可能にし得る。上記開示の例のいずれかに加えて、または、代わりに、個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージを製作することは、各パッケージ層がシートに形成されたマルチパッケージ層を含む、複数のパッケージ層をスタックして、一枚の固化シートでマルチパッケージを製作することを含んでよい。次に、個々のパッケージは、１枚の固化シートから個片化されてよい。これは、ＩＭＵをアセンブルするステップの前に行われる。典型的に、個々のパッケージの個片化または分離も、ＭＥＭＳ慣性センサチップ及び集積回路を各パッケージ内に封止する前に行われる。このような例において、ＭＥＭＳ慣性センサチップ及び集積回路は、個々の単一パッケージにアセンブルされ、次に、パッケージは、個々に封止される。ＭＥＭＳ慣性センサチップと集積回路の間の電気的接続は、個片化されたパッケージに既に存在してよい。例えば、パッケージ層をスタックする時に金属トラックを追加して、パッケージ内に内部電気接続または「ビア」を生成してよい。
【００１７】
製作によって、複数の完全に分かれた個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージが生じることは理解されよう。ＩＭＵをアセンブルする時に、パッケージ間にヒンジ接続部が無い。機械的接続機構は、互いに対するパッケージの向きを互いに直交になるように固定できる。
【００１８】
複数の個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージをパッケージレベルで封止パッケージとして製作するプロセスは、任意の１つまたは複数の適切な封止技術（複数可）を含んでよい。封止パッケージは、密封されてよい。例えば、個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージを封止することは、蓋（例えば、ガラス、金属、または、セラミックの蓋）を適用すること、及び／または、封入材料（エポキシポッティング等）を適用することを含んでよい。このような封止技術は、周知であり、従来の方法で適用できる。
【００１９】
上記開示の例のいずれかに加えて、または、代わりに、個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージを製作することは、各パッケージの１つまたは複数の外面に電気接続機構を追加することを含んでよい。電気接続機構は、各パッケージの外面（複数可）に支持された導電性の（例えば、金属の）パッドを含んでよい。電気接続機構は、従来の製造技術を用いて各パッケージに追加されてよい。しかしながら、従来のＭＥＭＳ慣性センサパッケージは、本開示のように他のパッケージに直接取り付けられるのではなく、通常、基板（プリント基板等）に取り付けられるように設計される。これは、従来のパッケージは、典型的に、基板に半田付けされることになるパッケージの後面等、一面にのみ、電気接続機構が追加されることを意味する。導電パッドは、後面のエッジでむき出しになってよく、これは、後面が基板に半田付けされる時、半田メニスカスの形成を可能にし、また、半田接合部の目視検査を可能にする。しかしながら、電気接続は、パッケージの後面を通してのみとなる。
【００２０】
１つまたは複数の例において、ＩＭＵをアセンブルすることは、各個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージを他の個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージに電気的に接続することを含む。ある例においては、パッケージは、各パッケージの電気接続機構間に走る別個の電気接続部、例えば、１つのパッケージと他のパッケージを導電パッドで間接的に結合するフライングリードを用いて、ＩＭＵにアセンブルされてよい。しかしながら、個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージを機械的に相互に接続してＩＭＵをアセンブルする時、電気的且つ機械的にパッケージを直接相互に接続することが望ましいことを出願者は認識している。従って、少なくとも一部の例において、方法は、例えば、半田を用いて導電パッド同士を接合して、１つのパッケージの電気接続機構を他のパッケージの電気接続機構に直接接合することをさらに含む。さらに、パッケージが互いに直交の向きでアセンブルされる時、１つのパッケージの後面にある電気接続機構を互いに直交する他のパッケージの後面にある電気接続機構に接合することは容易でない場合がある。様々な例において、１つのパッケージの電気接続機構を他のパッケージの電気接続機構に直接接合することは、１つのパッケージの垂直の側面を他のパッケージの水平の側面に接合することを含んでよい。少なくとも一部の例においては、電気接続機構（例えば、導電パッド）が、パッケージのエッジまで外面に沿って延び、エッジを通って続いて、さらにパッケージの側面に沿って延びることが好ましい。
【００２１】
１つまたは複数の例において、複数の個々に製作されたＭＥＭＳ慣性センサパッケージのうち、各個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージは、パッケージ間の電力及び／またはデータ伝達のためのバスを形成するように、１つまたは複数の他のＭＥＭＳ慣性センサパッケージに電気的に接続されてよい。例えば、複数の個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージをＩＭＵにアセンブルすることによって、ＩＭＵにまたはＩＭＵからの電力及び／またはデータ伝達のための１つの共有バスを生じてよい。これは、ＩＭＵが、各パッケージへの別個の接続ではなく、外部のＩＭＵ制御システムへの１つの通信リンクしか必要としないことを意味する。これは、個々のプリント基板にパッケージのいずれも取り付けること無しに達成される。
【００２２】
少なくとも一部の例において、追加で、または、代わりに、方法は、個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージを機械的に相互に接続することによって、ＩＭＵをアセンブルして三次元のＩＭＵ構造を形成することを含む。上記のように、三次元構造は、下部の３Ｄ支持構造無しに達成される。ある例においては、ＩＭＵは、少なくとも３つの個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージを機械的に相互に接続することによってアセンブルされる。これは、（例えば、ｘ軸、ｙ軸、及び、ｚ軸に沿った直線加速度を測定する）３つの加速度計パッケージ、または、（例えば、ｘ軸、ｙ軸、及び、ｚ軸を中心とした角速度を測定する）３つのジャイロスコープパッケージを含むＩＭＵを生成できる。
【００２３】
少なくとも一部の例において、追加で、または、代わりに、方法は、個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージを機械的に相互に接続することによってＩＭＵをアセンブルして、閉じた三次元のＩＭＵ構造、例えば、立方体または多面体構造を形成することを含む。立方体のＩＭＵ構造は、３つの加速度計パッケージ及び３つのジャイロスコープパッケージを含んでよい。または、立方体のＩＭＵ構造は、デュアル冗長性を与えるために６つの加速度計またはジャイロスコープのパッケージを含んでよい。
【００２４】
本開示は、本明細書に開示するように製造された慣性計測装置（ＩＭＵ）にまで及ぶ。
【００２５】
本開示の他の態様によると、
複数の個々に製作されたＭＥＭＳ慣性センサパッケージを含み、
各パッケージは、電気的に相互に接続されたＭＥＭＳ慣性センサチップ及び集積回路を含む封止パッケージとして、パッケージレベルで個々に製作され、
各個々に製作された各ＭＥＭＳ慣性センサパッケージは、各個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージを他の個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージに互いに直交の向きになるように機械的に相互に接続するように配置された機械的接続機構を含む、
慣性計測装置（ＩＭＵ）が提供される。
【００２６】
このようなＩＭＵは、上記に開示される方法のステップのいずれかを用いて製造されてよい。上記のように、各個々に製作されたＭＥＭＳ慣性センサパッケージは、パッケージの１つまたは複数の外面に電気接続機構をさらに含み、１つのパッケージの電気接続機構は、他のパッケージの電気接続機構に直接、接合される。例えば、電気接続部は、１つのパッケージの垂直の側面から他のパッケージの水平の側面に（例えば、側面と側面の間の半田接合部によって）直接、接合されてよい。個々に製作されたＭＥＭＳ慣性センサパッケージ間にこのような直接的な機械的及び電気的な接続部を有するＩＭＵは、他にないと考えられる。
【００２７】
少なくとも一部の例において、追加で、または、代わりに、複数の個々に製作されたＭＥＭＳ慣性センサパッケージのうち、各個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージは、パッケージ間の電力及び／またはデータ伝達のためのバスを形成するように、１つまたは複数の他のＭＥＭＳ慣性センサパッケージに電気的に接続される。
【００２８】
ＩＭＵにおいて、各封止パッケージは、電気的に相互に接続されたＭＥＭＳ慣性センサチップ及び集積回路を含む。パッケージは、ＭＥＭＳ慣性センサチップ及び集積回路を収容する１つまたは複数の内部の空洞を含んでよい。ＭＥＭＳ慣性センサチップ及び集積回路が別個の空洞に収容される例においては、パッケージは、空洞間を走る電気的接続部、例えば、ビアを含んでよい。
【００２９】
ＩＭＵは、互いに直交の向きで機械的に相互に接続された少なくとも２つのパッケージ、好ましくは、３つのパッケージを含んでよい。様々な例において、ＩＭＵは、閉じた三次元構造、例えば、立方体または多面体の構造を有する。上記のように、立方体のＩＭＵ構造は、３つの加速度計パッケージ及び３つのジャイロスコープパッケージを含んでよい。または、立方体のＩＭＵ構造は、デュアル冗長性を与えるために６つの加速度計またはジャイロスコープのパッケージを含んでよい。
【００３０】
本明細書に開示される例のいずれかにおいて、個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージは、セラミックパッケージを含んでよい。個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージを製作することは、複数のセラミックパッケージ層をスタックすることを含んでよい。
【００３１】
１つまたは複数の非限定的な例を、添付図面を参照して一例として記載する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１Ａ】個々の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）慣性センサパッケージの正面斜視図である。
【図１Ｂ】個々の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）慣性センサパッケージの後面斜視図である。
【図２Ａ】個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージの一例の断面図である。
【図２Ｂ】個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージの一例の断面図である。
【図２Ｃ】個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージの一例の断面図である。
【図３】図２Ａに示す個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージの別の断面図である。
【図４Ａ】図２Ａ及び図３に示す個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージを構成する層を示す。
【図４Ｂ】図２Ａ及び図３に示す個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージを構成する層を示す。
【図４Ｃ】図２Ａ及び図３に示す個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージを構成する層を示す。
【図４Ｄ】図２Ａ及び図３に示す個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージを構成する層を示す。
【図４Ｅ】図２Ａ及び図３に示す個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージを構成する層を示す。
【図４Ｆ】図２Ａ及び図３に示す個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージを構成する層を示す。
【図５Ａ】図４Ａに見られる１６層のシートを示す。
【図５Ｂ】図４Ｆに見られる１６層のシートを示す。
【図６】３つの個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージを含む部分的にアセンブルされた慣性計測装置の例の分解組立図である。
【図７】３つの個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージを含む部分的にアセンブルされた慣性計測装置を示す。
【図８】図７に示す部分的にアセンブルされた慣性計測装置の断面図である。
【図９】６つの個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージを含む完全にアセンブルされた慣性計測装置を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図１Ａ及び図１Ｂは、セラミックケーシング１０１からなる個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージ１００を示し、セラミックケーシング１０１は、パッケージ１００の前側にある正方形のベース部分１０２と、パッケージ１００の後側にある一連の機械的接続機構１０４とを含む。機械的接続機構１０４は、軸Ｆ３に沿って延びるインターロック部分１０４ａと、軸Ｆ２に平行に延びる壁部分１０４ｂと、壁部分１０４ｂの間に画定され、軸Ｆ２に沿ったインターロックチャネル１０４ｃとを含む。
【００３４】
センサパッケージ１００は、複数のＬ字型の電気接続機構１０６、例えば、導電性の（例えば、金属の）パッドをさらに含み、Ｌ字型の電気接続機構１０６は、ベース部分１０２のエッジに配置される。Ｌ字型の電気接続機構１０６は、パッケージ１００の外部前面に沿ってエッジまで延び、エッジを通って延び、パッケージ１００の側面に沿ってさらに延びることが分かる。これらの電気接続機構１０６は、従って、パッケージ１００の側面まで延び、一方、従来の半田パッドは、典型的に、前面または後面のエッジまでしか延びない。
【００３５】
セラミックケーシング１０１は、前部空洞１０８を画定し、前部空洞１０８は、ベース部分１０２の前側からセラミックケーシング１０１に延び、集積回路、例えば、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）（図示せず）を収納する。さらに、後部空洞１１０は、ケーシング１０１の後側に延び、ＭＥＭＳ慣性センサチップ（図示せず）を収納する。各空洞１０８、１１０は、密封されて、ＭＥＭＳセンサチップ及びＡＳＩＣを保護する。異なる封止方法の例が、図２Ａ、２Ｂ、及び、２Ｃに示されている。これらの図は、図１ＢのＦ２の線に沿った様々なＭＥＭＳ慣性センサパッケージ２００、２３０、２６０の断面図を示す。
【００３６】
図６〜図９を参照して以下に詳細に記載するように、機械的接続機構１０４は、アライメント誤差を減らして、幾つかの個々のパッケージ１００をアセンブルして完成した多軸慣性計測装置（ＩＭＵ）にするのを可能にする。
【００３７】
図２Ａは、インターロックチャネル２０４ｃを画定するベース部分２０２と、前部空洞２０８及び後部空洞２１０とからなるセラミックケーシング２０１を含む個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージ２００の断面図を示す。Ｌ字型の電気接続機構２０６は、ベース部分２０２の側面にわたって延び、ベース部分２０２の正面のある距離まで延びる。ＡＳＩＣ２１２は、前部空洞２０８内に封止され、ＭＥＭＳセンサチップ２１４は、後部空洞２１０内に封止される。ＡＳＩＣ２１２及びＭＥＭＳセンサチップ２１４は、内部金属トラック２１６（「ビア」）を介してＬ字型の電気接続機構２０６に電気的に接続される。
【００３８】
パッケージ２００を封止するために、前部空洞２０８は、埋め込み用樹脂（エポキシ等）２１８で埋められ、埋め込み用樹脂はＡＳＩＣ２１２を完全に取り囲む。後部空洞２１０は、ガラスまたは金属の蓋２２０及び蓋シール２２２を用いて密封される。
【００３９】
図２Ｂは、代替の封止構成を有する別のＭＥＭＳ慣性センサパッケージ２３０を示す。パッケージ２３０も、インターロックチャネル２３４ｃを画定するベース部分２３２と、前部空洞２３８及び後部空洞２４０とからなるセラミックケーシング２３１を含む。Ｌ字型の電気接続機構２３６は、ベース部分２３２の側面にわたって延び、ベース部分２３２の前面にある距離にわたって延びる。ＡＳＩＣ２４２は、前部空洞２３８内に封止され、ＭＥＭＳセンサチップ２４４は、後部空洞２４０内に封止される。ＡＳＩＣ２４２及びＭＥＭＳセンサチップ２４４は、内部金属トラック２４６を介してＬ字型の電気接続機構２３６に電気的に接続される。この例においては、前部空洞２３８及び後部空洞２４０の両方が、ガラスまたは金属の蓋２４８、２５２と蓋シール２５０、２５４で封止される。
【００４０】
図２Ｃは、インターロックチャネル２６４ｃを画定するベース部分２６２と、前部空洞２６８及び後部空洞２７０からなるセラミックケーシング２６１を含むさらに別のＭＥＭＳ慣性センサパッケージ２６０を示す。Ｌ字型の電気接続機構２６６は、ベース部分２６２の側面にわたって延び、ベース部分２６２の前面にある距離にわたって延びる。ＡＳＩＣ２７２は、前部空洞２６８内に封止され、ＭＥＭＳセンサチップ２７４は、後部空洞２７０内に封止される。ＡＳＩＣ２７２及びＭＥＭＳセンサチップ２７４は、内部金属トラック２７６を介してＬ字型の電気接続機構２６６に電気的に接続される。この例において、前部空洞２６８は、ガラスまたは金属の蓋２７８と蓋シール２８０とで封止され、後部空洞２７０は、埋め込み用樹脂（エポキシ等）２８２で埋められる。
【００４１】
図２Ａに示すＭＥＭＳ慣性センサパッケージ２００の構築を図３及び図４Ａ〜４Ｆを参照してより詳細に記載する。図３は、パッケージ２００の（図１Ｂに示す線Ｆ３に沿った）別の断面図を示し、セラミックケーシング２０１のインターロック部分２０４ａが見える。セラミックケーシング２０１は、図４Ａ〜４Ｆに描かれる６つのセラミックパッケージ層４０１〜４０６のスタックから構成される。第１から第６の層４０１〜４０６は、ベース層４０１、４０２と追加の層４０３〜４０６とを含む。追加の層４０３〜４０６は、図３に見られるセラミックケーシング２０１のインターロック部分２０４ａ等の機械的接続機構２０４を画定するように、ベース層４０１、４０２とは大きく形が異なることが分かる。各層４０１〜４０６の形は、所望の形（例えば、正確な大きさ及び位置の空洞及び接続機構）のセラミックケーシング２０１を生成するように設計される。
【００４２】
金属トラック２１６は、パッケージ層４０１〜４０６のスタッキング中に追加されて、ケーシング２０１の異なるエリア間に内部の電気的接続部を作る。これは、後に、ＭＥＭＳセンサチップ２１４をＡＳＩＣ２１２に電気的に接続し、その両方をＬ字型の電気接続機構２０６に電気的に接続するのに使用される。
【００４３】
パッケージ層４０１〜４０６は、図５Ａ及び５Ｂに示すように、マルチパッケージ層としてシートで製造される。図５Ａは、パッケージ２００の最も前の層（すなわち、ベース部分２０２の前側）に対応する１６の第１のパッケージ層４０１のシート５０１を示す。図５Ｂは、パッケージ２００の最も後側の層に対応する１６の第６のパッケージ層４０６のシート５０６を示す。
【００４４】
個々のシート５０１、５０６は、セラミックの無地のシートから不要な材料を打ち抜いて必要なパッケージ層の形を作る標準的なプロセスを用いて製造される。それぞれ、パッケージ層の種類の１つである６枚のこのようなシート(４０１〜４０６)を次にスタックして、内部接続が必要な所に電気的トラック２１６を追加して、１６のセラミックケーシング２０１の全体のシートを形成する（図示せず）。次に、各セラミックシートを打ち抜いて必要のない材料を除くので、パッケージ設計は、最終的な固化シートでパッケージ全体が形成されるまで各シートが無傷なままであることを確実にすることが必要である。個々のシートを積層及び焼結して、１つの固化シートを形成してよく、その後、１６の個々のケーシング２０１が、（例えば、ソーイングまたは劈開によって）個片化または分離されて、製造の次の段階の準備ができる。
【００４５】
個々のセラミックケーシング２０１が形成されると、ＡＳＩＣ２１２及びＭＥＭＳセンサチップ２１４が前部空洞２０８及び後部空洞２１０にそれぞれ挿入され、内部の電気的トラック２１６に接続される。前部空洞２０８及び後部空洞２１０は、次に、（例えば、上記のように）埋め込み用樹脂２１８、ガラスまたは金属の蓋２２０、及び蓋シール２２２で封止される。図２Ａ〜２Ｃに見られる封止構成のいずれか、または、任意の他の適切な封止構成がパッケージ２００に用いられてよい。次に、Ｌ字型の電気接続機構２０６が追加されて、個々のＭＥＭＳ慣性センサパッケージ２００が完成する。
【００４６】
セラミックケーシング２０１は、標準的なセラミックパッケージングプロセスを用いて製造されるので、標準的なセラミックパッケージを作るのに比べて、製造の複雑さ、費用、時間は大きく増加することはない。
【００４７】
上記のように、セラミックケーシング２０１の機械的接続機構２０４ａ（及び、図３には示していない２０４ｂ、２０４ｃ）は、幾つかの同じパッケージ２００をアセンブルして、ＭＥＭＳセンサチップ２１４が互いに正確に直交に向いた多軸のＩＭＵを作ることを可能にする。図６は、３つの個々のパッケージ６０２からなる、このような部分的にアセンブルされたＩＭＵ６００の分解組立図を示す。パッケージ６０２は、それぞれ、機械的接続機構６０４ａ、６０４ｂ、６０４ｃを特徴とするセラミックケーシング６０１と、複数のＬ字型の電気接続機構６０６とを含む。ＩＭＵ６００は、少なくとも１つのインターロック部分６０４ａが隣のパッケージ６０２のケーシング６０１の対応するインターロックチャネル６０４ｃとインターロックして、それによって相対的位置を互いに直交の向きに固定するように、３つのパッケージ６０２を一緒にしてアセンブルされる。
【００４８】
図７は、図６のＩＭＵ６００が部分的にアセンブルされた状態を示す。上記のように、機械的接続機構６０４ａ、６０４ｂ、６０４ｃの相互接続によって、３つのパッケージ６０２の相対的向きを固定し、その結果、パッケージ６００に配置されたＭＥＭＳセンサチップの向きが正確に直交することを保証する（すなわち、１つのＭＥＭＳセンサチップが、ｘ軸、ｙ軸、及び、ｚ軸のそれぞれに正確に沿う）。図８は、部分的にアセンブルされたＩＭＵ６００の図７の線Ｆ８に沿った断面を示し、１つのパッケージ６０２のインターロック部分６０４ａが隣のパッケージ６０２のインターロックチャネル６０４ｃにどのようにインターロックして、パッケージ６０２、ひいては、その中に封止されたＭＥＭＳセンサチップが、互いに正確に直交するように固定されることを確実にするのかをさらに詳細に示す。これは、例えば、標準的な個々のＭＥＭＳセンサパッケージをアセンブル済みの（例えば、立方体の）取付構造に取り付ける以前のアプローチと比較して、アライメント誤差を低減し、アセンブリをより容易にする。さらに、下部の取付構造を排除することによって、材料のミスマッチが取り除かれて、ＩＭＵの熱膨張差の問題が大きく低減される。ＩＭＵ６００のアセンブル中、各セラミックパッケージ６０２が、同じ材料から同じプロセスで製造された他のセラミックパッケージ６０２に直接、接続されることは理解されよう。
【００４９】
ＭＥＭＳセンサパッケージ６０２は、個々に製造されるので、各センサパッケージ６０２が正確に、必要な精度で動作しているかを確実にするために、ＩＭＵ６００のアセンブル前に、個々にテストされてもよい。１つのパッケージ６０２に欠陥がある場合、アセンブリ中に、（動作が完全な）交換パッケージ６０２を単に代わりに使用してよい。
【００５０】
図８で分かるように、ＩＭＵ６００がアセンブルされている時、隣のパッケージ６００のＬ字型の電気接続機構６０６は、並んで当接するように配置される。半田が追加されて、並んだＬ字型の電気接続機構６０６の各組を接合して、複数の半田ジョイント６０７を形成し、各パッケージ６０２と隣のパッケージ６０２を電気的に相互に接続する。パッケージ６０２の全てが、電気的に相互に接続されて、（例えば、電力及び／またはデータを送るための）バスを形成してよい。半田ジョイント６０７は、構造的目的も果たしてよく、自立支持型クラスタ内の所定の位置に各パッケージ６０２を保持するのを助ける。
【００５１】
図９は、（立方体の内部に隠れた機械的接続機構によって）機械的に相互に接続され、半田ジョイント９０７によって電気的に相互に接続された６つのＭＥＭＳセンサパッケージ９０２を含む完全にアセンブルされた立方体のＩＭＵ９００を示す。図６を参照して前述した部分的にアセンブルされたＩＭＵ６００と同様、各パッケージ９０２の後側にある（見えない）機械的接続機構はインターロックされ、それによって、パッケージ９０２が互いに直交に向くことを確実にする。６つのパッケージ９０２を備えることによって、ＩＭＵ９００が、例えば、コンパクトな直交配置の３つのＭＥＭＳ直線加速度計及び３つのＭＥＭＳ角速度センサ（「ジャイロ」）を最小のアライメント誤差で含むことを可能にする。３つの直線加速度計及び３つの角速度センサをこのように備えることによって、より小さい空間要件で、ＩＭＵ９００が６自由度全ての正確なモーション情報を提供することを可能にする。
【００５２】
完成したＩＭＵ９００は、次に、各センサパッケージ９０２を別々に制御することを可能にする適切なＩＭＵ制御システム（図示せず）に接続されてよい。パッケージ９０２がパッケージ間の電力及び／またはデータ伝達のためのバスを形成するように相互に接続される例においては、ＩＭＵは、ＩＭＵ制御システムへの１つの共有された電力及び／またはデータ接続のみを必要とし得る。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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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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