(57)【要約】  医療器具、ロボット、セキュリティシステム、無線センサネットワークのような用途に加えて、携帯電話、ポータブルゲーム装置、他のハンドヘルド電子装置のような量産用途に適した入力制御装置が開示される。この入力制御装置は、幅広い用途用に、１軸の感度、２軸の感度、３軸の感度であり得る。この入力制御装置は、半導体基板の中に形成された力センサダイと、加えられた外力に応答して電気出力信号を与える力センサと、実装及び／又はワイヤボンディング用の電気接続要素とを備える。回路に組み込まれた信号調整及び信号処理は、いくつかの装置に組み込むことができる。力センサダイの少なくとも一部を囲むパッケージは、外力を力センサダイに伝達するように、力センサダイと協働する力伝達要素を備える。
2012513660.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械的信号を電子システムに入力するための半導体入力制御装置において、
半導体基板の中に形成された力センサダイであって、第１側面及び第２側面と、電気接続要素と、力付加領域と、加えられた外力に応答して電気出力信号を前記力付加領域に与える少なくとも１つの力センサとを有する力センサダイと、
前記力センサダイの少なくとも一部を囲むパッケージと、
前記力付加領域と協働し、外力を前記力センサダイに伝達する力伝達要素と
を備え、
前記力センサダイの前記電気接続要素及び前記力付加領域は、前記力センサダイの前記第１側面上に配置され、前記力伝達要素は、前記外力が加えられると、前記力センサダイの前記第１側面上の前記力付加領域と接触する半導体入力制御装置。
【請求項２】
前記外力は、前記パッケージの前記力伝達要素に直接加えられる、請求項１に記載の半導体入力制御装置。
【請求項３】
前記半導体入力制御装置のよりすぐれた多軸の感度を得るために、前記力センサダイは、前記パッケージの前記力伝達要素に結合された力伝達要素を有する、請求項１に記載の半導体入力制御装置。
【請求項４】
前記力センサダイの前記力伝達要素は、金属、合金、プラスチック、ゴム、シリコン、セラミック、ガラス、及び上記の組み合わせからなる群から選択される材料から作成される、請求項３に記載の半導体入力制御装置。
【請求項５】
前記パッケージの前記力伝達要素は、１層の均質な材料、少なくとも２層の均質な材料、硬さの勾配を有する不均質な材料、及び上記の組み合わせからなる群から選択される材料から作成される、請求項１に記載の半導体入力制御装置。
【請求項６】
前記パッケージはＰＣＢ上に実装され、該ＰＣＢへの機械的結合は、はんだ付け、アンダーフィル接着剤、前記パッケージの側壁及びＰＣＢの表面のまわりに塗布される接着剤、金属ブラケットまたは上記の組み合わせからなる群から選択される、請求項１に記載の半導体入力制御装置。
【請求項７】
前記力センサダイは、前記パッケージ内でワイヤボンディングされる、請求項１に記載の半導体入力制御装置。
【請求項８】
機械的信号を電子システムに入力するための半導体入力制御装置において、
半導体基板の中に形成された力センサダイであって、第１側面及び第２側面と、電気接続要素と、力付加領域と、加えられた外力に応答して電気出力信号を前記力付加領域に与える少なくとも１つの力センサとを有する力センサダイと、
前記力センサダイの少なくとも一部を囲むパッケージであって、外力を前記力センサダイに伝達する力伝達要素を有するパッケージと
を備え
前記電気接続要素は、前記力センサダイの前記第１側面上に配置され、前記力付加領域は、前記力センサダイの前記第２側面上に配置され、前記力伝達要素は、前記外力が加えられると、前記力センサダイの前記第２側面上の前記力付加領域と接触する半導体入力制御装置。
【請求項９】
前記力センサダイは、前記パッケージ内でフリップチップ実装されている、請求項２に記載の半導体入力制御装置。
【請求項１０】
機械的信号を電子システムに入力するための半導体入力制御装置において、
半導体基板の中に形成された力センサダイであって、第１側面及び第２側面と、電気接続要素と、力付加領域と、加えられた外力に応答して電気出力信号を前記力付加領域に与える少なくとも１つの力センサとを有する力センサダイと、
半導体基板の中に形成された回路に組み込まれたトランジスタであって、前記電気出力信号を受信するために前記少なくとも１つの力センサと電気的に結合されたトランジスタと、
前記力センサダイの少なくとも一部を囲むパッケージと、
前記力センサダイと協働し、外力を前記力センサダイに伝達する力伝達要素と
を備え、
前記回路に組み込まれたトランジスタは、前記少なくとも１つの力センサから、前記電気出力信号の信号調整及び信号処理を提供する半導体入力制御装置。
【請求項１１】
前記力センサダイの電気接続要素は、前記半導体入力制御装置を前記電子システムの中に直接に実装するために露出されている、請求項１０に記載の半導体入力制御装置。
【請求項１２】
前記半導体入力制御装置は、少なくともＮ個の力センサを備え、
Ｎは４より小さく、前記少なくともＮ個の力センサは、前記外力のベクトルのＮ個の成分についての情報を含む独立した電気出力信号を提供する、請求項１０に記載の半導体入力制御装置。
【請求項１３】
前記半導体入力制御装置はプリント基板（ＰＣＢ）上に実装され、ＰＣＢ平面の位置に関する前記力センサダイの前記第１側面の相互位置は、平行な相互位置、垂直な相互位置、非平行な相互位置からなる群から選択される、請求項１０に記載の半導体入力制御装置。
【請求項１４】
ボタンをさらに備え、
該ボタンは、前記外力との接点を与えると共に前記外力を前記力伝達要素に伝え、前記力伝達要素が前記外力を前記力センサダイに伝達する、請求項１０に記載の半導体入力制御装置。
【請求項１５】
前記ボタンは、該ボタンを前記力伝達要素に協働させるコネクタを有し、該コネクタは前記ボタンを取り替え可能になっている、請求項１４に記載の半導体入力制御装置。
【請求項１６】
前記ボタンは、キーボード、キーマット、制御面領域または上記の組み合わせの１つ以上を含む群から選択される制御パネルに組み込まれている、請求項１４に記載の半導体入力制御装置。
【請求項１７】
前記半導体入力制御装置は、オブジェクト上に、前部、後部、頂部、底部、左側、右側、フロントパネル、縁部、制御パネル、制御領域、側壁、ハンドル、ステアリングホイール、外面、前記オブジェクトの内部または上記の組み合わせからなる群から選択される位置で実装されている、請求項１０に記載の半導体入力制御装置。
【請求項１８】
加えられた前記外力に応答して前記電気出力信号を前記力付加領域に与える前記少なくとも１つの力センサの１つ以上は、圧電抵抗器、ＰＮ接合、トンネルダイオード、ショットキーダイオード、せん断応力要素、圧電抵抗器ホイートストンブリッジ、ＭＯＳトランジスタ、ＣＭＯＳトランジスタ相補対、双極性トランジスタ、Ｐ−Ｎ−Ｐ及びＮ−Ｐ−Ｎ双極性トランジスタ対、双極性トランジスタ及びこれに接続された少なくとも１つの圧電抵抗器、ＭＯＳトランジスタ及びこれに接続された少なくとも１つの圧電抵抗器、双極性トランジスタ回路、ＣＭＯＳトランジスタ回路、圧電センサ、コンデンサ、差動コンデンサ、コンデンサブリッジ、磁気センサ、電磁界センサ、光学センサ、放射線放出要素及び放射線感受要素の対、振動センサ、音波センサ、熱センサ、熱伝達センサ、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１０に記載の半導体入力制御装置。
【請求項１９】
前記電気接続要素は、ワイヤボンディング用の金属接点パッド、フリップチップボンディング用の金属パッド、はんだボール、はんだバンプ、シリコン貫通電極、ビームリード、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１０に記載の半導体入力制御装置。
【請求項２０】
前記回路に組み込まれたトランジスタによって提供される前記電気出力信号の信号調整及び信号処理は、力検知機能と、信号調整機能と、信号処理機能との区分化を備え、該区分化は、力検知機能と信号調整機能と信号処理機能とを１つの力センサダイ内に組み込むことと、力検知機能及び少なくとも一部の信号処理機能を力センサダイ内に組み込むと共に少なくとも一部の信号処理機能を少なくとも１つの他のダイ内に組み込むことと、力検知機能を力センサダイ内に組み込むと共に信号調整機能を少なくとも他の１つのダイ内に組み込むことと、力検知機能を力センサダイ内に組み込むと共に信号調整機能及び信号処理機能を少なくとも他の１つのダイ内に組み込むこととを含む群から選択される、請求項１０に記載の半導体入力制御装置。
【請求項２１】
前記回路に組み込まれたトランジスタは、前記半導体入力制御装置の前記パッケージ内に配置される、請求項１０に記載の半導体入力制御装置。
【請求項２２】
前記回路に組み込まれたトランジスタは、ＣＭＯＳ、双極性トランジスタ、ｂｉＣＭＯＳからなる群から選択される、請求項１０に記載の半導体入力制御装置。
【請求項２３】
前記電気接続要素は前記力センサダイの前記第１側面上に配置され、前記力付加領域は前記力センサダイの前記第２側面上に配置され、前記力伝達要素は、前記力センサダイの前記第２側面上の前記力付加領域に結合される、請求項１０に記載の半導体入力制御装置。
【請求項２４】
前記電気接続要素及び前記力センサダイの前記力付加領域は、前記力センサダイの前記第１側面上に配置され、前記力伝達要素は、前記力センサダイの前記第１側面上の前記力付加領域に結合される、請求項１０に記載の半導体入力制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体入力制御装置、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）、センサに関し、より具体的には、複数の用途、特に消費者用のフィンガーマウス、マイクロジョイスティック、その他の用途のための１軸力センサ又は２軸力センサ又は３軸力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
本願は、２００８年１２月２２日付けで出願された米国特許出願第１２／３４２，００１号の継続出願であり、この出願の全体を参照により本明細書に援用する。
【０００３】
応力に敏感な構成要素を可撓性ダイアフラム上に備えたマイクロマシンシリコンチップをベースとする１軸力センサ、２軸力センサ、３軸力センサが公知である。従来技術では、外力を加えるための金属のロッド又は金属のピンで金属の弾性要素に結合された応力に敏感な構成要素を備えるシリコンチップが用いられる。こうした力センサ用のパッケージは一般的に、複雑で大きく高価である。
【０００４】
しかしながら、１軸力入力制御装置、２軸力入力制御装置、３軸力入力制御装置が必要とされており、これらは低コストで、小型で、信頼性があり、安定しており、Ｘ、Ｙの感度又はＸ、Ｙ、Ｚの感度の間での選択された比率を与え、低い他軸感度を与え、ＣＭＯＳとのプロセスインテグレーションを与え、スケーリングを与え、外力を付加するのに都合のよい解決策を与え、加えられる力とたわみとの選択可能な組合せを与え、量産用途に適した製造性を与える。この例は、ユーザーインターフェースの一部としてのユーザーの触覚による力の入力（user tactile force input）を用いる、携帯電話、携帯型ゲーム、デジタルカメラなどの消費市場及び用途である。
【発明の概要】
【０００５】
携帯電話や携帯型ゲーム装置、他のハンドヘルド電子装置のような量産用途に適した、低コストの力入力制御装置を開示する。
【０００６】
この装置は、半導体基板の中に形成された力センサダイを備え、力付加領域と、加えられた外力に応答して電気出力信号を力付加領域に与える少なくとも１つの力センサと、力センサからの電気出力信号の調整及び処理を与える回路に組み込まれた少なくとも１つの信号調整及び信号処理と、力センサダイの少なくとも一部を囲むと共に外力を力センサダイに伝達するために力センサダイに結合された力伝達要素を備えるパッケージと、外力との接点を与えるためにパッケージの力伝達要素に機械的に結合されたボタンとを備える。
【０００７】
いくつかの実施形態は、半導体基板の中に形成された力センサダイであって、第１側面及び第２側面と、電気接続要素と、力付加領域と、加えられた外力に応答して電気出力信号を力付加領域に与える少なくとも１つの力センサとを有する力センサダイと、力センサダイの少なくとも一部を囲むパッケージであって、外力を力センサダイに伝達する力伝達要素を有するパッケージとを備え、電気接続要素は、力センサダイの第１側面上に配置され、力付加領域は、力センサダイの第２側面上に配置され、力伝達要素は、力センサダイの第２側面上の力付加領域に結合される、機械的信号を電子システムに入力するための半導体入力制御装置を提供する。
【０００８】
他の実施形態は、半導体基板の中に形成された力センサダイであって、第１側面及び第２側面と、電気接続要素と、力付加領域と、加えられた外力に応答して電気出力信号を力付加領域に与える少なくとも１つの力センサとを有する力センサダイと、力センサダイの少なくとも一部を囲むパッケージと、力付加領域と協働し、外力を力センサダイに伝達する力伝達要素とを備え、力センサダイの電気接続要素及び力付加領域は、力センサダイの第１側面上に配置され、力伝達要素は、外力が加えられると、力センサダイの第１側面上の力付加領域と接触する、機械的信号を電子システムに入力するための半導体入力制御装置を提供する。
【０００９】
さらなる実施形態は、半導体基板の中に形成された力センサダイであって、第１側面及び第２側面と、電気接続要素と、力付加領域と、加えられた外力に応答して電気出力信号を力付加領域に与える少なくとも１つの力センサとを有する力センサダイと、半導体基板の中に形成された回路に組み込まれたトランジスタであって、電気出力信号を受信するために少なくとも１つの力センサと電気的に結合されたトランジスタと、力センサダイの少なくとも一部を囲むパッケージと、力センサダイと協働し、外力を力センサダイに伝達する力伝達要素とを備え、回路に組み込まれたトランジスタは、少なくとも１つの力センサから、電気出力信号の信号調整及び信号処理を提供する、機械的信号を電子システムに入力するための半導体入力制御装置を提供する。
【００１０】
本発明の上記側面及び他の側面、特徴、利点は、特に、以下の本願明細書から、以下の図面を参照することにより明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】力センサダイの第１側面上に配置された電気接続要素と、力センサダイの第２側面上に配置された力付加領域と、力センサダイの第２側面上に配置された力付加領域に結合された力伝達要素とを備える半導体入力制御装置を示す図である。
【図２】半導体入力制御装置を電子システムの中に直接に実装するために露出された力センサダイの電気接続要素を備える半導体入力制御装置を示す図である。
【図３】力センサダイの第１側面上に配置された電気接続要素及び力センサダイの力付加領域と、力センサダイの第１側面上に配置された力付加領域に結合された力伝達要素とを備える半導体入力制御装置を示す図である。
【図４】力センサダイ内にシリコン貫通電極を備える半導体入力制御装置を示す図である。
【図５】外力との接点を与えると共に外力を力伝達要素に伝えるボタンを備えた半導体入力制御装置を示す図である。
【図６】力センサからの電気出力信号の信号調整及び信号処理を提供する回路に組み込まれたトランジスタの頂部にフリップチップ実装された力センサダイを備える半導体入力制御装置を示す図である。
【図７】力センサからの電気出力信号の信号調整及び信号処理を提供する回路に組み込まれたトランジスタの頂部にワイヤボンディング実装された力センサダイを備える半導体入力制御装置を示す図である。
【図８】プリント基板（ＰＣＢ）上に実装され、ＰＣＢ平面の位置に関する力センサダイの第１側面の様々な相互位置を有する半導体入力制御装置を示す図である。
【図９】本体上の様々な位置に半導体入力制御装置を有する携帯電話を示す図である。
【図１０】本体上の様々な位置に半導体入力制御装置を有するゲーム装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
同一の符号は、各図面を通して同一の構成要件を示す。当業者であれば、各図面の構成要件が簡略にすると共に明確になるように図示されており、必ずしも一定の縮尺ではないことを理解するであろう。例えば、各図面の構成要件のいくつかのサイズは、本願発明の様々な実施形態の理解を向上するのに役立てるために、他の構成要件と比較して誇張されている。また、市販可能な実施形態において役立つ又は必要な、共通であるがよく分かっている構成要件は、本願発明の様々な実施形態の表示を邪魔しないように、しばしば描かれていない。
【００１３】
本願の実施形態の一部は、携帯電話、ポータブルゲーム機、リモコン、ＰＤＡ、デジタルカメラ等のような大量消費市場向けの１軸力入力制御装置、２軸力入力制御装置、３軸力入力制御装置を提供する。また、本願の実施形態は、消費者向け電子装置における様々な機能の１軸力入力制御または２軸力入力制御または３軸力入力制御のためのパッケージの解決策を提供する。さらに、本願の実施形態は、低コストの１軸力入力制御装置、２軸力入力制御装置、３軸力入力制御装置を提供する。さらに、本願の実施形態は、小型の１軸力入力制御装置、２軸力入力制御装置、３軸力入力制御装置を提供する。さらに、本願の実施形態は、信頼性の高い１軸力入力制御装置、２軸力入力制御装置、３軸力入力制御装置を提供する。
【００１４】
本願の実施形態はさらに、安定性の高い１軸力入力制御装置、２軸力入力制御装置、３軸力入力制御装置を提供する。また、本願の実施形態は、拡大縮小可能（scalable）な１軸力入力制御装置、２軸力入力制御装置、３軸力入力制御装置を提供する。さらに、本願の実施形態は、外力を付加するのに都合のよい解決が可能な１軸力入力制御装置、２軸力入力制御装置、３軸力入力制御装置を提供する。
【００１５】
図１〜１０は、力入力制御装置の様々な実施形態と、それらのパッケージングの様々なオプションと、それらの組み立てと、それらの取り付けとを示している。本願の実施形態に係る力入力制御装置の詳細な説明を、以下の６つの実施形態に記載する。本願発明は、これらの６つの実施形態に限定するものではなく、これらの６つの実施形態は、本願発明の創作性の面の表現として提供されるものである。さらに、以下で説明する実施形態の特徴及び態様は、本願発明から逸脱することなく置き換えが可能である。以下に開示される発明は、特定の形態及び用途によって説明しているが、特許請求の範囲で明らかとなる発明の範囲から逸脱することなく、当業者によって様々な修正及び変更が可能である。
【００１６】
第１の実施形態
第１の実施形態に係る力入力制御装置１の実施例を図１に示す。力入力制御装置１は、パッケージ２２と、半導体の力センサダイ１０と、力伝達要素２４とを備えている。半導体基板の中に形成された力センサダイ１０は、第１側面１２及び第２側面１４を有し、電気接続要素１８と、力付加領域１６と、加えられた外力に応答して電気出力信号を力付加領域１６に与える少なくとも１つの力センサ２０とを有している。第１側面１２は、第２側面１４に対向している。
【００１７】
力入力制御装置１の他のバージョンにおいて、力入力制御装置１のよりすぐれた多軸の感度を得るために、力センサダイ１０は、パッケージ２２の力伝達要素２４及び力付加領域１６の両方に結合された別の力伝達要素を有している。
【００１８】
力センサダイ１０に結合された力伝達要素２４は、外力を力センサダイ１０に伝達可能な実質的に任意の適当な材料から作成できる。例えば、力伝達要素２４は、金属、合金、プラスチック、ゴム、シリコン、セラミック、ガラス、これらの組み合わせ、及び／又は他の適当な材料から構成できる。さらに、力伝達要素２４は、１層の均質な材料、少なくとも２層の均質な材料、硬さの勾配を有する不均質な材料、及びこれらの組み合わせのような異なる構造を有するように構成してもよい。
【００１９】
電気接続要素１８は、バンプ下地金属（under-bump metallization）や、はんだボール又ははんだバンプ、あるいは、力入力制御装置１を例えばプリント基板２６に実装させると共に電気的に結合させることが可能な他の構造を備えた金属パッドとすることができる。電気接続要素１８は、いくつかの実装において、パッケージ２２内に力センサダイ１０をフリップチップ実装可能である。力センサダイ１０とパッケージ２２との間の接続の機械強度をもたらすために、力センサダイ１０とパッケージ２２との間の接点に、さらなる材料及び構造を使用することができる。例えば、アンダーフィル接着剤、さらなる接着剤、フリットガラスまたは他の構造材料を使用することができ、ダミーのはんだ接合部が利用可能であり、配合機械構造（mating mechanical structures）を接続表面上に形成することができ、例えば、パッケージ２２内等に形成された空洞内にダイを配置することができる。
【００２０】
上記導入のように、力入力制御装置１は、プリント基板（ＰＢＣ）２６上又は電子システム内の他の基材上に実装される。
【００２１】
第１の実施形態に係る力入力制御装置１のいくつかの有利な特徴は、電気接続要素１８及び少なくとも１つの力センサ２０が、力センサダイ１０の第１側面１２上に配置され、力付加領域１６が、力センサダイ１０の第２側面１４上に配置され、力伝達要素２４が、力センサダイ１０の第２側面１４上の力付加領域１６に結合されていることである。
【００２２】
パッケージ２２の力伝達要素２４に外力が加えられると、力センサダイ１０の力付加領域１６に外力が伝達される。力センサダイ１０は、加えられた外力に応答して出力信号を与える。これらの信号は、電子システム内の入力として使用することができる。例えば、１つ以上の電気接続要素１８を介して伝達される力センサダイ１０の出力信号は、携帯電話の画面上のカーソル位置制御、ゲーム装置のキャラクターの動き又は動作の制御、患者のモニタリング、スポーツ機器の制御等に使用することができる。力センサダイ１０の出力信号は、情報を運び、ユーザーインターフェースにおけるカーソル又は他のオブジェクトの１軸制御、２軸制御、３軸制御、あるいは他の複雑な制御を可能にする。外力のベクトルのＮ個の成分（Ｎ＝１、２、又は３）を検知する一般的な場合において、力入力制御装置１は典型的に、少なくともＮ個の力センサを有し、これらは、外力のベクトルのＮ個の成分についての情報を含む独立の電気出力信号を与える。
【００２３】
伝達される外力及び力付加領域１６に加えられる外力に応答して電気出力信号を与える力センサ２０は、圧電抵抗器、ＰＮ接合、トンネルダイオード、ショットキーダイオード、せん断応力要素、圧電抵抗器ホイートストンブリッジ、ＭＯＳトランジスタ、ＣＭＯＳトランジスタ相補対、双極性トランジスタ、Ｐ−Ｎ−Ｐ及びＮ−Ｐ−Ｎ双極性トランジスタ対、双極性トランジスタ及びこれに接続された少なくとも１つの圧電抵抗器、ＭＯＳトランジスタ及びこれに接続された少なくとも１つの圧電抵抗器、双極性トランジスタ回路、ＣＭＯＳトランジスタ回路、圧電センサ、コンデンサ、差動コンデンサ、コンデンサブリッジ、磁気センサ、電磁界センサ、光学センサ、放射線放出要素及び放射線感受要素の対、振動センサ、音波センサ、熱センサ、熱伝達センサ、これらの組み合わせ、及び／又は他の適切な機器からなる群から選択することができるが、これらに限定するものではない。
【００２４】
多くの場合、力センサ２０によって与えられる電気信号は処理される。この処理は、信号調整及び信号処理を含んでもよい。信号調整は、温度に関する測定誤差の補償、増幅、非線形性の補償、力センサダイの出力信号をデジタル化すること又は周波数に変換することを含んでもよいが、これらに限定するものではない。信号処理は、アナログ処理も使用できるものの、好ましくはデジタル形態で行われる。信号処理は、異なる力センサからの信号の多重化、力入力制御装置に加えられた外力のベクトルのいくつかの成分又は全ての成分あるいは絶対値の信号のデジタル処理による算出、例えばオフセットと感度と他の動作とのようなセンサのパラメータの補正を含んでもよい。信号調整及び信号処理は電子工学的に、無線信号伝達の回路を含むことができる。信号調整及び信号処理は典型的に、トランジスタを使用する組み込まれた回路の使用を採用し、今後これを「回路に組み込まれたトランジスタ」という。
【００２５】
力入力制御装置１において、第１の実施形態のいくつかの実装によれば、少なくともいくつかの信号調整及び回路の処理が力センサダイ１０上に組み込まれている。
【００２６】
第２の実施形態
図２は、図１の力入力制御装置１の変形例を示している。この実施形態では、パッケージ２２は、力センサダイ１０の一部を囲み、第１側面１２に近い力センサダイ１０の一部を露出している。さらに、パッケージ２２は、外力を力付加領域１６に伝達する力伝達要素２４を有している。電気接続要素１８は、例えばＰＣＢ２６に直接フリップチップ実装するために露出されている。
【００２７】
第３の実施形態
第３の実施形態に係る力入力制御装置１が図３に示されている。力入力制御装置１は、パッケージ２２と、半導体の力センサダイ１０と、力伝達要素２４とを備えている。半導体基板の中に形成された力センサダイ１０は、第１側面１２及び第２側面１４を有し、電気接続要素１８及び力付加領域１６を有し、力付加領域に加えられた外力に応答して電気出力信号を与える少なくとも１つの力センサ２０を有している。典型的には、電気接続要素１８として金属パッドが使用される。電気接続要素は、力センサダイ１０のワイヤボンディングを可能にする。力入力制御装置１は、プリント基板（ＰＣＢ）２６上または電子システム内の他の基板上に実装される。
【００２８】
図３に示された実施形態に係る力入力制御装置１のいくつかの特徴は、電気接続要素１８と、力センサ２０及び力付加領域１６の少なくとも１つとが力センサダイ１０の第１側面１２上に配置されると共に、力伝達要素２４が、力センサダイ１０の第１側面上の力付加領域１６に結合されていることである。
【００２９】
力入力制御装置１の第３の実施形態において、パッケージ２２内のワイヤボンディングのために電気接続要素１８を使用することができる。いくつかの用途のために、パッケージ内における力センサダイのフリップチップ実装が必要ならば、図４に示された力入力制御装置１のバージョンを使用することができる。図４に図示されている力入力制御装置１では、力センサダイ１０が、少なくとも１つの力センサ２０と、これらの力センサ２０への電気的接続２８と、力センサダイ１０の第１側面１２の近くに配置された力付加領域１６とを有している。電気接続要素１８は、力センサダイ１０の第２側面上に配置され、例えばシリコン貫通電極（ＴＳＶ）３０を介して、電気的接続２８と電気的に接続されている。
【００３０】
第４の実施形態
第４の実施形態に係る力入力制御装置１が図５に示されている。この力入力制御装置１は、パッケージ２２と、半導体の力センサダイ１０と、力伝達要素２４と、ボタン３２とを備えている。半導体基板の中に形成された力センサダイ１０は、第１側面１２及び第２側面１４を有し、電気接続要素１８と力付加領域１６とを有している。少なくとも１つの力センサ２０が、力センサダイの中に形成されている。力センサ２０は、力付加領域１６に加えられた外力に応答して電気出力信号を与える。上述したように、電気接続要素１８として、金属パッド、はんだバンプ、はんだボール、他の適切な導電構造体のいずれかが使用される。典型的に、電気接続要素１８は、力センサダイ１０のフリップチップ実装を可能にする。力入力制御装置１は、プリント基板（ＰＣＢ）２６上または電子システム内の他の基板上に実装される。
【００３１】
パッケージの力伝達要素２４に外力を直接加え得ることが明らかであるにも関わらず、実用的な目的で外力用のボタン３２がしばしば使用される。ボタン３２は、パッケージ２２の力伝達要素２４に接続されている。ボタン３２は、プラスチック、金属、セラミック、ガラス、ポリマー、宝石、適切な他の材料、これらの組み合わせのような実質的に任意の適切な材料から作ることができるが、これらに限定するものではない。ボタン３２は、凸部、凹部、鞍、円筒、円板、ドーム、スティック、半球、円錐、角錐、角柱、ひっかき、小さなくぼみ、切り欠き、特徴を認識可能な触覚、他の特徴、これらの組み合わせのような様々な形状や要素を有することができる。パッケージ２２及びボタン３２は両方とも、接続要素の輪郭を描くことができ、これによりボタンとパッケージ２２との間の確実な接続を提供する。特に、力伝達要素２４とボタン３２とは、孔、空洞、溝、切り欠き、柱、ピン、縁、階段、バー、ねじ山、歯、フック、これらの組み合わせのいずれかの形状を有する表面を横切って結合することができる。この力入力制御装置１のバージョンにおいて、ボタン３２及び力伝達要素２４内に形成された輪郭が描かれた接続要素は、ロック機構を有している。輪郭が描かれた接続要素は、力及びトルクのかけ過ぎから力センサダイ１０を保護することもできる。好ましい材料、形状、寸法、力入力制御装置を操作するのに必要な力の範囲、堅さ、最大変形、接触感覚、色を提供するユーザーに最大限の便利さを提供するために、ボタン３２が人間工学的に設計される。力入力制御装置１は、キーボード、キーマット、コントロールパネル、制御面領域等の一部とすることができる。ボタンは、取り替え可能及び交換可能にすることもできる。
【００３２】
例えば指によってボタン３２に外力が加えられると、力伝達要素２４及び力センサダイ１０の力付加領域１６を介して、外力が力センサ２０に伝達される。力センサダイ１０は、加えられた外力に応答して出力信号を与える。これらの出力信号は、電子システム内の入力として使用される。力センサダイ１０の出力信号は、複数の成分を有し、例えば、ユーザーインターフェースにおけるゲームキャラクタや他のオブジェクトの１軸制御又は２軸制御又は３軸制御を可能にできる。
【００３３】
第５の実施形態
図６及び７は、第５の実施形態に係る力入力制御装置１の実施例を示している。この力入力制御装置１は、パッケージ２２と、半導体の力センサダイ１０と、力伝達要素２４と、第２の半導体ダイ３４とを備えている。半導体基板の中に形成された力センサダイ１０は、第１側面１２及び第２側面１４を有し、電気接続要素１８及び力付加領域１６を有している。力センサダイ１０の中には、少なくとも１つの力センサ２０が形成されている。力センサ２０は、力付加領域１６に加えられた外力に応答して電気出力信号を与える。
【００３４】
第２の半導体ダイ３４は、力センサ２０の出力信号を信号調整及び／又は信号処理するための回路に組み込まれたトランジスタを備えている。回路に組み込まれた信号調整及び信号処理を使用する理由は、第１の実施形態において既に記載している。回路に組み込まれたトランジスタは、ＣＭＯＳ、双極性トランジスタ、ｂｉＣＭＯＳ、及び／又は他の適切な回路構成要素のような実質的に任意の適切な回路構成要素とすることができるが、これらに限定するものではない。
【００３５】
一般的に、力検知機能と、信号調整機能と、信号処理機能との区分化を異なるようにすることができる。力検知機能と、信号調整機能と、信号処理機能とは、１つの力センサダイ１０内に組み込むことができる。この場合、１つのダイのみが必要である。他のオプションは、力検知機能及び少なくともいくつかの信号調整機能を力センサダイ１０内に組み込み、少なくとも信号処理機能を第２の半導体ダイ３４内に組み込むことである。さらに他のオプションは、力検知機能を力センサダイ１０内に組み込み、信号調整機能を少なくとも１つの他の第２の半導体ダイ３４内に組み込むことである。さらに別のオプションは、力検知機能を力センサダイ１０内に組み込み、信号調整機能及び信号処理機能を少なくとも１つの他の半導体ダイ内に組み込むことである。
【００３６】
機能の区分化のさらなるオプションが可能である。例えば、力入力制御装置１は、力センサダイ１０と、図６に示されるような、１つのパッケージ２２内に一緒にパッケージングされる回路に組み込まれたトランジスタを含む信号調整及び信号処理ダイ３４と、パッケージ２２の外部に配置された無線通信を設けた第３のダイとを備える。
【００３７】
力センサダイ１０と第２の半導体ダイ３４との間の機械的接続及び電気的接続、並びに、これらのチップの機械的接続及び電気的接続は、異なるアプローチで確立することができる。図６は、第１側面１２上に形成された電気接続要素１８と、第２側面１４上に配置された力付加領域１６とを有する力センサダイ１０を示している。電気接続要素１８は、バンプ下地金属、はんだボール、はんだバンプ、又は他の適切な導電性接続を備えた金属パッドとすることができる。いくつかの実施形態では、電気接続要素１８は、第２の半導体ダイ３４上に力センサダイ１０のフリップチップ実装を可能にする。力センサダイ１０と第２の半導体ダイ３４との間の接続に機械的強度を与えるために、さらなる材料及び構造を、これら２つのチップ間のインターフェースとして使用することができる。例えば、アンダーフィル接着剤やさらなる接着剤が使用可能であり、さらなるダミーのはんだ接合部が利用可能であり、配合機械構造を接続表面上に形成すること等が可能である。
【００３８】
第２の半導体ダイ３４は、パッケージとの電気的接続のために電気接続要素３６を有している。力入力制御装置１は、プリント基板（ＰＣＢ）２６上または電子システム内の他の基板上に実装される。
【００３９】
図７は、力センサダイ１０の設計及びパッケージングのための別のオプションを示している。図７に示された解決策では、力センサダイ１０は、第１側面１２上に形成された電気接続要素１８及び力付加領域１６を有している。第２側面１４は、第２の半導体ダイ３４の頂部上に実装するために使用される。いくつかの例では、力センサダイの電気接続要素１８及び第２の半導体ダイ３４の電気接続要素３６は、ワイヤボンディングに適するように形成される。
【００４０】
第６の実施形態
図８は、プリント基板２６に対する力入力制御装置の取り得る様々な向きを示している。パッケージングされた入力装置４０は、力センサダイの第１側面１２がプリント基板２６に平行となるように、プリント基板２６上に実装されている。パッケージングされた入力装置４２は、力センサダイの第１側面１２がプリント基板２６に垂直となるように、プリント基板２６上に実装されている。このタイプの実装は、例えば、携帯電話のようなハンドヘルド装置の側壁上に制御ボタンを有する必要がある場合に使用することができる。この場合、入力制御装置は、プリント基板２６の縁の近くに実装すべきである。プリント基板上の縁に直接実装するには、プリント基板２６への入力装置４２の信頼ある機械的接続及び電気的接続を提供するために、特殊なパッケージを採用する。パッケージングされた入力装置４４は、力センサダイの第１側面１２がプリント基板２６に対して鋭角（または向きに依存した鈍角）の角度をなすように、プリント基板２６上に実装されている。
【００４１】
（図５に関して記載したボタン３２のような）ボタンを、実装のタイプとは独立に、入力装置４０，４２，４４に結合することができる。しかしながら、ボタン３２の設計は、ユーザーにとって所望の効果的な及び／又は最大限の便利さを提供するために、入力装置４０，４２，４４のそれぞれのタイプに合わせて調節されることを理解できる。
【００４２】
この実施形態に係る力入力制御装置の利点の１つは、意図された実装に基づく実質的に適切な寸法で力入力制御装置を構成できることであり、いくつかの実施形態では、０．１〜１０ｍｍの範囲の大きさを有するような比較的極小サイズに構成することも含まれる。これは、消費者向け電子装置及び／又はハンドヘルド装置の表面上のような、実際に任意の場所に最小のスペースを配置することを可能にする。しかしながら、より大きなサイズが望ましい場合には、他のより大きなサイズの力入力制御装置を構成することが可能である。
【００４３】
図９は、ハンドヘルド装置５２、この実施例では、複数の力入力制御装置１を有する携帯電話の斜視図を示している。再び、力入力制御装置１を比較的小さなサイズに構成することが可能であるので、携帯電話５２内に又は実質的にその任意の表面上に力入力制御装置１を組み込むことができる。例えば、ハンドヘルド装置のフロントパネル上だけでなく、図９に示されるように、ハンドヘルド装置の側面上に力入力制御装置を配置することもできる。いくつかの例では、縁に実装された力入力制御装置の少なくとも２つの基本的なオプション、すなわち、ハンドヘルド装置の右側面上（制御の第１のセット用及び／又は右利きの人用）と、ハンドヘルド装置の左側面上（制御の第２のセット用及び／又は左利きの人用）とを有することに利点を有することができる。図９に示されるハンドヘルド装置５２は、ハンドヘルド装置５２上の様々な配置にわたって分布された複数の力入力制御装置を設けている。
【００４４】
さらにこの実施例では、この実施形態の力で制御される１軸力入力制御装置、２軸力入力制御装置、３軸力入力制御装置の使用から利益を得ることのできるハンドヘルド装置の例として、図９は携帯電話５２を示している。携帯電話５２のフロントパネル上には、指で制御されるマイクロマウス又はマイクロジョイスティックの機能性を与える１つの力入力制御装置５８が示されている。同様に指で制御されるマイクロマウス又はマイクロジョイスティックの機能性を与える複数のさらなる力入力制御装置５５，５７，６０，６３も示されており、これらは携帯電話５２の側面に設けられている。それに対応して、特にマイクロマウス又はマイクロジョイスティックの力入力制御装置５７及び５５が、左側の側面及び右側の側面から携帯電話５２の頂部に取り付けられている。図９に示される実施例では、力入力制御装置５７は指５６で制御でき、力入力制御装置５５は親指５４で制御できる。いくつかの例では、図９に示されるように、さらなるマイクロマウス又はマイクロジョイスティックの力入力制御装置６０及び６３を、携帯電話５２の側壁の他の部分に取り付けることも可能であり、その場合、マイクロマウス又はマイクロジョイスティックの力入力制御装置６０及び６３を、それに対応して、指５９，６１のようなユーザーの指によって制御することができる。
【００４５】
この実施形態の力で制御される１軸力入力制御装置、２軸力入力制御装置、３軸力入力制御装置の使用から利益を得ることのできるハンドヘルド装置の別の例として、図１０はゲーム装置７０を示している。例えば、ゲーム装置７０のフロントパネル上には、１つ以上の力入力制御装置を取り付けることができる。ゲーム装置７０のフロントパネル上には、２つのマイクロジョイスティックの力入力制御装置７７及び７９が示されている。これらの力入力制御装置７７及び７９は典型的には、図１０に示される実施例では、例えば親指７６及び７８によって制御される。力で制御されるマイクロジョイスティックの力入力制御装置も同様に、ゲーム装置７０の側壁に取り付けることができる。図１０は、ゲーム装置７０の側壁の頂部に取り付けられたマイクロジョイスティックの力入力制御装置８０，８２を示している。それに対応して、マイクロジョイスティックの力入力制御装置８４，８６も、ゲーム装置７０の左側壁及び右側壁に取り付けることができる。マイクロジョイスティックの力入力制御装置は、ゲーム装置７０のフロントパネル、バックパネル、側壁の他の部分に取り付けることができる。
【００４６】
第４の実施形態に記載したように、ユーザーに便利さを提供するために、典型的には、好ましい材料、形状、寸法、力入力制御装置を操作するのに必要な力の範囲、堅さ、最大変形、接触感覚、色を提供するユーザーに最大限の便利さを提供するために、ボタンを人間工学的に設計することができる。
【００４７】
ハンドヘルド装置、例えば携帯電話５２又はゲーム装置７０は、マイクロマウス又はマイクロジョイスティックの力入力制御装置やこれらの装置の複数のグループのような、この実施形態の複数の力入力制御装置を有することができる。
【００４８】
追加的に又は代替的に、消費者向け電子装置（例えば、ハンドヘルド装置）は、指で制御するマイクロジョイスティックの力入力制御装置のような力入力制御装置１用の複数のソケットを有することができ、これらの力入力制御装置は、様々なソケット内及び／又は様々な消費者向け電子装置内に実装及び再実装することができる。
【００４９】
さらに、マイクロマウス又はマイクロジョイスティックの力入力制御装置は、プログラム可能な機能性及び選択可能な感度を有することができる。例えば、２つの３軸マイクロジョイスティックの力入力制御装置（例えば、力入力制御装置７７，７９）は、６つの独立したパラメータを制御することができる。
【００５０】
指又は親指で制御するマイクロマウス装置、マイクロジョイスティック装置、その他の装置のような上述した３軸力入力制御装置１は、独立した３つの機能までは制御可能である。例えば、２つの機能が、携帯電話、ゲーム装置、他の消費者向け電子装置又はハンドヘルド装置のスクリーン上のオブジェクトを任意の方向に動かす制御をすることができる。典型的には、動きの速度は、加えられた力に比例することができる。力入力制御装置１の第３の機能は、例えば動作ボタンとして役立つことができる。指又は親指で制御するマイクロマウス装置やマイクロジョイスティック装置のこれらの利点は、携帯電話や他のハンドヘルド電子装置に広く使用される４方向ボタンと比べて、優れた機能性を与える。さらに、（マイクロマウス制御装置又はマイクロジョイスティック制御装置のような）力入力制御装置１の機能性の割り当て及びプログラミングにおける、配置及び適応性に関する前述の選択肢によって、こうしたタイプの制御装置を利用する電子システムに付加価値が与えられる。
【００５１】
同様に、この実施形態の１軸力センサ、２軸力センサ、３軸力センサは、入力として加えられた力によって制御され得る実質的に任意の装置、システム、器具に組み込むことができる。２つの実施例に導入したように、関係する実施形態の１つ以上の１軸力センサ又は複数軸力センサは、携帯電話５２及び／又はゲーム装置７０内に組み込むことができ、携帯電話５２及び／又はゲーム装置７０上の様々な位置（例えば、正面、背面、頂部、底部、左側部、右側部、フロントパネル、縁、コントロールパネル、コントロールエリア、側壁等）に組み込むこともできる。さらに、１軸力センサ又は複数軸力センサは、消費者向け電子装置（ポータブルマルチメディア及び／又はオーディオプレーヤー（例えば、ラジオ、ＭＰ３プレーヤー、ＣＤプレーヤー、ＤＶＤプレーヤー、他のプレーヤー）、コンピューター、プリンター、コピー機、スキャナー、キーボード、マウス、電話、テレビ、ＤＶＤプレーヤー、ブルーレイディスクプレーヤー、ステレオ、リモコン、プレイステーションやＸ−Ｂｏｘ、任天堂Ｗｉｉ等のゲームコントローラ、ポータブルゲーム装置、他の消費者向け電子装置）、電気機器（電子レンジ、オーブン、調理コンロ、洗濯機、衣類乾燥機、食器洗浄機、冷蔵庫、掃除機、他の装置）、輸送手段（ナビゲーションシステム／ＧＰＳシステム用の制御装置、ラジオ、走行制御装置、自動車やボート、航空機、電車、多数の他のタイプの輸送手段のステアリングホイールに組み込まれた制御装置）、医療器具（人工補綴物、血圧計、補聴器、患者の状態監視及び警報装置、リハビリ装置、歯学装置、他のシステム及び装置）、軍事器具、ロボット、スポーツ器具、教材、おもちゃ、力を介して入力を受け取る他の装置のような多数の他の装置に組み込むことができるが、これらに限定するものではない。
【００５２】
幅広い範囲の用途に起因して、力入力制御装置１は、便利に使用できるように、正面、背面、頂部、底部、左側部、右側部、フロントパネル、縁、コントロールパネル、コントロールエリア、側壁、ハンドル、外表面、オブジェクトの内部、これらの組み合わせを含む力入力制御装置１の実質的に任意の位置に組み込むことができるが、これらに限定するものではない。
【００５３】
ダイの微小構造、パッケージの構造、ボタン、それらの実装方法及び使用される材料は、本発明を限定するものではなく、本発明に包含される様々な技術的な解決策の一部を示しているにすぎないことを理解すべきである。好ましい実施形態を参照して本発明について詳しく説明してきたが、本発明の真の精神及び範囲から逸脱することなく、本発明に変更及び修正を加えることが可能であることを理解されたい。
【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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【国際調査報告】
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