JP2018200301A - 微小機械センサモジュールを備える構成要素 - Google Patents

Abstract

【課題】応力に起因するセンサ信号の誤差を補正し、センサ精度を高めるセンサモジュールを提供する。【解決手段】センサ支持体１０であって、主要延在平面１６と、主要延在平面１６に対して平行な第１面１２と、主要延在平面１６に対して平行であり、第１面１２に向かい合って配置された第２面１４とを備え、第２面に少なくとも１つの電気接触面３０が配置されており、センサ支持体１０に応力測定パターン２０が埋設されている。【選択図】図１

Description

本発明は、センサ支持体であって、主要延在平面と、主要延在平面に対して平行な第１面と、主要延在平面に対して平行な第２面とを備え、第２面が第１面に向かい合って配置されており、第２面に少なくとも１つの電気接触面が配置されているセンサ支持体に関する。

容量変化または圧電抵抗変化に関する測定値を捕捉する微小機械センサは、測定値自体を検出するだけでなく、さらなる組込みによる固有応力を常に検出する。一般に、固有応力は、使用される材料の異なる膨張係数に基づいて生じ、これによりセンサ素子もしくはケーシング内に組み込まれたセンサ素子の湾曲が引き起こされる。本発明は、応力に起因するセンサ信号の誤差を補正するための新しい方法に関する。

コストが理由で、センサモジュールはプリント基板に組み込まれる前に調整される。しかしながら、組込み後にセンサモジュールは調整時とは異なる応力状態の影響下にあり、調整直後の状態に対して信号のずれが生じる。これにより、達成可能な精度が制限される。組み込まれた状態で調整を行うことは理論的には可能であるが、しかしながら、コストが理由で実施されない。温度に起因する湾曲の影響もこのプロセスでは調整することができない。

圧力センサでは、（ａ）著しい手間をかけてセンサ素子自体にばね構造を設けるか、または（ｂ）センサ素子と支持体との間に、応力を分離する柔軟な厚い接着層を設けることによって応力分離が行われる。（ｂ）の場合には、柔軟な接着剤が、ワイアボンディングにおいて得られる品質、ひいては寿命を制限してしまうことが欠点である。フリップチップ、ＴＳＶなどの他の接触方法では、柔軟な接着剤による応力の分離が無効になる。他の解決アプローチは、フライス加工によるスリット、または柔軟な材料を支持体に射出成形するなどの応力軽減構造を支持体に設けることである。しかしながら、このような措置は全てセンサモジュールのベース面積を拡大し、したがってコストを増大する。

発明の利点
本発明は、センサ支持体であって、主要延在平面と、主要延在平面に対して平行な第１面と、主要延在平面に対して平行な第２面とを備え、第２面が第１面に向かい合って配置されており、第２面に少なくとも１つの電気接触面が配置されているセンサ支持体に関する。

本発明の核心は、センサ支持体に少なくとも１つの応力測定パターンが埋設されていることである。

本発明によるセンサ支持体の好ましい実施形態では、主要延在平面に対して垂直な第１方向に、応力測定パターンおよび電気接触面が少なくとも部分的に重ねて配置されている。

本発明によるセンサ支持体の好ましい実施形態では、応力測定パターンが圧電式または圧電抵抗式のセンサである。

本発明によるセンサ支持体の好ましい実施形態では、応力測定パターンは電気接触面に導電接続されている。

本発明は、センサ支持体と、センサ支持体の第１面に配置された微小機械センサとを備えるセンサモジュールにも関する。

本発明によるセンサモジュールの好ましい実施形態では、微小機械センサならびに応力測定パターン、またはさらに電気接触面が第１方向に部分的に重ねて配置されている。

本発明は、センサモジュールを備える構成要素にも関し、構成要素は構成要素支持体を備え、センサモジュールは電気接触面によって構成部品支持体に導電接続されている。

本発明による構成要素の好ましい実施形態では、構成要素支持体はプリント配線板である。

本発明による構成要素の好ましい実施形態では、センサモジュールが電気接触面において、はんだ付け結合部によって構成要素支持体に結合されている。

本発明は、センサモジュールを調整する方法であって、センサモジュールによって、
（Ａ）微小機械センサを調整し、調整データＤａ（Ｔ）を記録し、同時に、異なる複数の温度Ｔで応力測定パターンを用いて応力データＤｓ（Ｔ）を測定するステップ、
（Ｂ）調整データＤａ（Ｔ）および応力データＤｓ（Ｔ）をセンサモジュールの評価回路に保存するステップと、
を実施する方法に関する。

本発明によるセンサモジュールを調整する方法の好ましい実施形態では、ステップ（Ｂ）の前にステップ（Ｃ）として、一定の温度Ｔで異なる複数の応力状態における調整データＤａ（Ｔ）および応力データＤｓ（Ｔ）が検出される。

本発明は、センサモジュールを作動する方法であって、センサモジュールによって、
（ａ）応力測定パターンを用いて応力データＤｓ（Ｔ）を測定するステップと、
（ｂ）センサモジュールの評価回路において応力データＤｓ（Ｔ）に属する保存されている調整データＤａ（Ｔ）を用いて微小機械センサの測定信号を補正するステップと、
を含む方法に関する。

本発明は、応力に起因するセンサ信号の誤差を補正し、ひいてはセンサ精度を高めるための新しい方法に関する。さらなる加工の影響および温度の影響を補正するために応力測定パターンがセンサモジュールに組み込まれる。したがって、応力源とは無関係に信号精度および補正値の改善が達成される。本発明によれば、センサ支持体には応力測定パターン（例えばＬＧＡ基板）が組み込まれている。センサは、温度に関して調整され、同時に、加えられた応力が測定される。随意にさらなるステップで、一定の温度で異なる複数の応力状態におけるセンサパラメータが検出される。センサの評価回路が、応力源とは無関係に、測定値への応力の影響を測定モードで補正する。本発明の核心は、応力を軽減する構造体によって応力の影響を補正することではなく、さらなる加工や温度に起因して作用する応力を検出し、信号を用いてこのような応力を補正することである。したがって、本発明は、センサ素子に加えられた応力レベルの測定およびこのような応力の補正に関してセンサ精度を改善するための新しい概念について述べている。好ましくは、本発明は高精度の微小機械センサ、特に高精度の慣性センサおよび高精度の圧力センサにおいて役立つ。好ましくは、本発明は、温度および／またはさらなる組込みに起因する機械応力に対して敏感に反応する全てのセンサにおいて使用することができる。

本発明によるセンサ支持体を示す図である。 本発明によるセンサ支持体および微小機械センサを備えるセンサモジュールを示す図である。 本発明によるセンサモジュールおよびプリント配線板を備える構成要素を示す図である。 本発明によるセンサモジュールを調整する方法を示す図である。 本発明によるセンサモジュールを調整する方法を示す図である。 本発明によるセンサモジュールを作動する方法を示す図である。

図１は本発明によるセンサ支持体を示す。この実施例にはセンサ支持体１０が概略的に示されており、センサ支持体１０は、主要延在平面１６、主要延在平面１６に対して平行な第１面１２、および同様に主要延在平面１６に対して平行な第２面１４を備え、第２面１４は第１面１２に向かい合って配置されている。第２面１４には電気接触面３０が配置されている。本発明によれば、センサ支持体１０には応力測定パターン２０が埋設されている。上側の部分図は、センサ支持体１０の側面図を示す。下側の部分図は、センサ支持体１０の第１面を部分的に透視した平面図を示す。この部分図では、埋設された応力測定パターン２０も見える。センサ支持体１０には電気接触面３０としてはんだ付けパッドを備えるＬＧＡが示されている。主要延在平面１６に対して垂直な第１方向１８に、応力測定パターン２０および電気接触面３０が少なくとも部分的に重ねて配置されている。応力測定パターン２０は、圧電式または圧電抵抗式のセンサ、例えばひずみゲージである。

図２は、センサ支持体および微小機械センサを備える本発明によるセンサモジュールを示す。センサ支持体１０を備えるセンサモジュール１００が概略的に示されており、センサ支持体１０には、微小機械センサ４０およびＡＳＩＣの形式の評価回路６０が実装されている。この場合、微小機械センサ４０および評価回路６０は、センサ支持体１０の第１面１２に相互に隣接して配置されている。この場合、微小機械センサ４０および応力測定パターン２０、またはさらに電気接触面３０は、第１方向１８に部分的に重ねて配置されている。上側の部分図は、射出成形被覆部５０を備えるＬＧＡケーシングを概略的に示す。下側の部分図は、第１面１２を除いたセンサモジュール１００を部分的に透視した平面図を示す。この平面図では、埋設された応力測定パターン２０も見える。

応力測定パターンの配置、形状、および数は、センサモジュールの幾何学配置全体に依存している。図１および図２は、微小機械センサ４０および評価回路６０を相互に隣接してセンサ支持体１０に実装する場合（サイドバイサイド）の応力測定パターンの配置を示す。応力測定パターン２０はセンサ素子の真下に配置されている。評価回路（ＡＳＩＣ）は応力感度を備えていないと仮定される。したがって、センサ支持体のこの範囲には応力測定パターンは設けられていない。

図３は、本発明によるセンサモジュールおよびプリント配線板を備える構成要素を示す。センサモジュール１００および構成要素支持体２００を備える構成要素が概略的に示されている。この実施例では、構成要素支持体２００はプリント配線板である。センサモジュール１００は、電気接触面３０によって構成要素支持体２００に導電接続されている。本実施例では、電気接触面３０であるはんだ付けパッドによってセンサモジュール１００がプリント配線板２００にはんだ付けされている。したがって、プリント配線板の応力はセンサモジュールに結合されている。センサモジュールおよびセンサモジュールをはんだ付けしたプリント配線板またはその他の支持体の異なるＣＴＥ（熱膨張係数）に基づいて、センサモジュールに湾曲が生じる。図３に示した湾曲は、応力測定パターンでそれぞれの信号を生成する。

図４ａおよび図４ｂは、本発明によるセンサモジュールを調整する方法を示す。

図４ａは、センサモジュール１００を調整する方法を示し、センサモジュール１００によって、
（Ａ）微小機械センサ４０を調整し、調整データＤａ（Ｔ）を記録し、同時に、異なる複数の温度Ｔにおいて応力測定パターン２０を用いて応力データＤｓ（Ｔ）を測定するステップと、
（Ｂ）センサモジュール１００の評価回路６０に調整データＤａ（Ｔ）および応力データＤｓ（Ｔ）を保存するステップが実施される。

第１ステップでは、従来技術において既知のように、センサモジュールが温度に関して調整される。この場合、センサモジュールははんだ付けをはがされることなしに、測定ベースに保持される。使用される材料の異なるＣＴＥに基づいてモジュールに湾曲が生じるが、このような湾曲は調整によって補正される。同時に、応力測定パターンにおける信号が捕捉される。

図４ｂは、方法の別のステップを補足的に示す。図４ｂに示すように、ステップＢの前にステップＣで随意に、一定の温度Ｔで異なる複数の応力状態における調整データＤａ（Ｔ）および応力データＤｓ（Ｔ）が検出される。

別のステップＣで一定の温度において意図的に機械的応力がセンサ素子に加えられる。これは、例えば三点支持によって行ってもよい。この場合、センサ信号は応力の関数として記録される。基礎となる測定値のための刺激は一定に保持される。センサモジュールの精度要求および製造許容差に依存して、このステップは一回だけ、または複数回実施される。

図５は、本発明によるセンサモジュールを作動する方法を示す。センサモジュール１００を作動する方法が概略的に示されており、本発明によるセンサモジュール１００によって、
（ａ）応力測定パターン２０によって測定データＤｓ（Ｔ）を測定するステップと、
（ｂ）センサモジュール１００の評価回路６０において、応力データＤｓ（Ｔ）に属する保存されている調整データＤａ（Ｔ）を用いて微小機械センサ４０の測定信号を補正するステップと、
が実施される。

モジュールの調整アルゴリズムは、調整データおよび応力の信号依存性に基づいて応力の影響を補正する。これにより、さらなる組込みの影響および温度Ｔに依存した湾曲を補正する高精度のセンサ素子が得られる。

本発明の他の実施形態
ＬＧＡの他に、本発明はリードフレームベースのケーシング、セラミックベースのケーシング、プレモールドケーシング、またはチップスケール・パッケージにおいても使用することができる。

スタックされたチップ（スタックドダイ）またはスタックドダイとサイドバイサイドとを組み合せた構成などの他の配置では、構成に依存して応力感度のあるセンサ素子に加えられる局所的な応力を決定することができるように、応力測定パターンの数および配置が選択される。

支持体に測定パターンを埋設する以外に、支持体に測定パターンを位置決めすることもできる。

別の実施形態では、測定パターンにセンサ素子を実装することもできる。

ＭＥＭＳまたはＡＳＩＣに測定パターンを組み込むことも同様に可能である。

１０ ＬＧＡ
１２ 第１面
１４ 第２面
１６ 主要延在平面
１８ 第１方向
２０ 応力測定パターン
３０ 電気接触面
４０ 微小機械センサ
５０ 射出成形被覆部
６０ 評価回路（ＡＳＩＣ）
１００ センサモジュール
２００ プリント配線板

Claims (12)

1. センサ支持体（１０）であって、主要延在平面（１６）と、該主要延在平面（１６）に対して平行な第１面（１２）と、主要延在平面（１６）に対して平行な第２面（１４）とを備え、第２面（１４）が前記第１面（１２）に向かい合って配置されており、該第２面（１４）に少なくとも１つの電気接触面（３０）が配置されているセンサ支持体（１０）において、
   センサ支持体（１０）に応力測定パターン（２０）が埋設されていることを特徴とするセンサ支持体（１０）。
2. 請求項１に記載のセンサ支持体（１０）において、
   前記要延在平面（１６）に対して垂直な第１方向（１８）に、前記応力測定パターン（２０）および前記電気接触面（３０）が少なくとも部分的に重ねて配置されているセンサ支持体（１０）。
3. 請求項１に記載のセンサ支持体（１０）において、
   前記応力測定パターン（２０）が圧電式または圧電抵抗式のセンサであるセンサ支持体（１０）。
4. 請求項１に記載のセンサ支持体（１０）において、
   前記応力測定パターン（２０）が前記電気接触面（３０）に導電接続されているセンサ支持体（１０）。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のセンサ支持体（１０）と、該センサ支持体（１０）の前記第１面（１２）に配置された微小機械センサ（４０）とを備えるセンサモジュール（１００）。
6. 請求項５に記載のセンサモジュール（１００）において、
   前記微小機械センサ（４０）ならびに前記応力測定パターン（２０）および／または前記電気接触面（３０）が、第１方向（１８）に部分的に重ねて配置されているセンサモジュール（１００）。
7. 請求項５または６に記載のセンサモジュール（１００）を備える構成要素において、
   構成要素支持体（２００）を備え、前記センサモジュール（１００）が前記電気接触面（３０）によって構成部品支持体（２００）に導電接続されている構成要素。
8. 請求項７に記載の構成要素において、
   構成要素支持体（２００）がプリント配線板である構成要素。
9. 請求項７または８に記載の構成要素において、
   前記センサモジュール（１００）が前記電気接触面（３０）において、はんだ付け結合部によって構成要素支持体（２００）に接続されている構成要素。
10. センサモジュール（１００）を調整する方法であって、請求項５または６に記載のセンサモジュール（１００）によって、
    （Ａ）微小機械センサ（４０）を調整し、調整データ（Ｄａ（Ｔ））を記録し、同時に、異なる複数の温度（Ｔ）で応力測定パターン（２０）を用いて応力データ（Ｄｓ（Ｔ））を測定するステップと、
    （Ｂ）調整データＤａ（Ｔ）および応力データ（Ｄｓ（Ｔ））をセンサモジュール（１００）の評価回路（６０）に保存するステップと、
    を実施する方法。
11. 請求項１０に記載のセンサモジュール（１００）を調整する方法において、
    ステップ（Ｂ）の前にステップ（Ｃ）として、一定の温度（Ｔ）で異なる複数の応力状態における調整データ（Ｄａ（Ｔ））および応力データ（Ｄｓ（Ｔ））を検出する、方法。
12. センサモジュール（１００）を作動する方法において、請求項５または６に記載のセンサモジュール（１００）によって、
    （ａ）応力測定パターン（２０）を用いて応力データ（Ｄｓ（Ｔ））を測定するステップと、
    （ｂ）センサモジュール（１００）の評価回路（６０）において、応力データ（Ｄｓ（Ｔ））に属する保存されている調整データ（Ｄａ（Ｔ））を用いて微小機械センサ（４０）の測定信号を補正するステップと、
    を実施する方法。

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