JP2009534720A - 三次元力入力制御装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
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。
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。
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。
Claims (29)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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、
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。
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