JP2020011375A - センサパッケージ、およびセンサパッケージの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁取付が改良されたセンサパッケージを提供する。【解決手段】センサであって、材料層２０２に形成されたセンシング構造２０４とセンシング構造２０４を封止するように配置されて密封センサユニット２１０を形成している１つまたは複数の追加の材料層とを含むセンサと、支持構造２１４と、密封センサユニット２１０を支持構造２１４に柔軟に固定する１つまたは複数のばね２１２であって、センサユニット２１０のセンシング構造２０４と同じ材料層２０２に形成されている１つまたは複数のばね２１２と、センサユニット２１０と支持構造２１４と１つまたは複数のばね２１２とを封入する１つまたは複数の外部パッケージ壁２１６（複数可）とを含む、センサパッケージ。【選択図】図２

Description

本開示は、センサパッケージに関し、詳細には、ＭＥＭＳセンサパッケージに関する。

センサ、例えば、圧力センサまたは慣性センサ（加速度計及びジャイロスコープ等）は、慣性ナビゲーション、ロボティクス、アビオニクス、及び、自動車を含む、多くの用途で使用される。慣性ナビゲーション用途において、このようなセンサは、「慣性計測装置」（ＩＭＵ）として知られる自己完結型システムに見られる場合がある。ＩＭＵは、典型的に、複数の加速度計及び／またはジャイロスコープを含み、ジャイロスコープ（複数可）及び／または加速度計（複数可）の出力に基づいて、角速度、加速度、高度、位置、及び、速度等、物体の移動パラメータの推定値を提供する。ＩＭＵの各慣性センサは、自己完結型パッケージである。ＩＭＵは、典型的に、３つの軸全てで検知する加速度計及びジャイロスコープからなる。これは、通常、ナビゲーションアルゴリズムを用いて速度と位置の計算を追加する慣性ナビゲーションシステム（ＩＮＳ）の一部である。ＩＭＵレベルでは、出力は、通常、各サンプルと共に角回転と速度のインクリメントに制限される。

典型的に１つのシリコンウェハから製造された微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ベースのセンサを使用して、固定の基準点無しで、例えば、圧力もしくは温度、または、直線運動もしくは角運動を測定できる。ＭＥＭＳ圧力センサは、流圧によるＭＥＭＳ構造の機械的変形の原理に基づくことが多い。ＭＥＭＳジャイロスコープ、または、厳密に言うと、ＭＥＭＳ角速度センサは、コリオリの力に対して振動するＭＥＭＳ構造の応答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、ＭＥＭＳ構造のばねに懸架されたプルーフマスの応答を観察することによって直線加速度を測定できる。高性能のＭＥＭＳ慣性センサは、そのバイアスとスケールファクタの安定性によって規定される。

ＭＥＭＳセンサは、ＭＥＭＳセンサパッケージ内の絶縁層（isolation layer）に通常、支持される。例えば、シリコンエラストマの絶縁層が、ＭＥＭＳセンサのパッケージと最も下のガラス層との間に備えられてよい。ある例においては、ＭＥＭＳセンサは、ばねまたは他の制動構造を介して周囲のパッケージに接続されたラフトを含む絶縁層に取り付けられてよい。絶縁層は、望ましくない外部振動から絶縁することと、ＭＥＭＳセンサと周囲のパッケージ（典型的に、アルミナまたはセラミック）の間の熱膨張の差による機械的応力を吸収することという２つの主な機能を有する。

ＭＥＭＳ慣性センサをそのパッケージに接着する絶縁層の安定性は、特に、０．１ｍｇより良いバイアス安定性を達成しようとする時、高性能を求めるためには重要である。ＭＥＭＳセンサをパッケージ応力から分離するために、非常に低い弾性係数を有するエラストマ絶縁層（例えば、シリコン）が通常、選択される。しかしながら、このような材料は、長期的なクリープ及び経年劣化の影響を受け、この影響は、使用期間にわたる応力緩和によってセンサの性能（例えば、バイアス及びスケールファクタ）を変える場合がある。従って、慣性センサをパッケージ応力から良好に絶縁し、長期間にわたる性能の安定性を達成することは難しい。どのＭＥＭＳセンサをパッケージに取り付ける時も同様の考慮事項が該当する。

センサパッケージにおける絶縁取付を改良する必要がある。

本開示の第１の態様によると、
センサであって、材料層に形成されたセンシング構造と、センシング構造を封止するように配置されて密封センサユニットを形成する１つまたは複数の追加の材料層とを含むセンサと、
支持構造と、
密封センサユニットを支持構造に柔軟に固定する１つまたは複数のばねであって、センサユニットのセンシング構造と同じ材料層に形成された１つまたは複数のばねと、
センサユニット、支持構造、及び、１つまたは複数のばねを封入する１つまたは複数の外部パッケージ壁（複数可）であって、支持構造が、パッケージ壁（複数可）の少なくとも１つに固定される、１つまたは複数の外部パッケージ壁と、
を含む、センサパッケージを提供する。

本開示の第２の態様によると、センサパッケージの製造方法であって、
センシング構造を材料層に形成することと、
１つまたは複数のばねをセンシング構造と同じ材料層に形成することと、
１つまたは複数の追加の材料層を追加してセンシング構造を封止することによって、１つまたは複数のばねが密封センサユニットを支持構造に柔軟に固定する密封センサユニットを形成することと、
支持構造を１つまたは複数の外部パッケージ壁（複数可）に固定して、１つまたは複数の外部パッケージ壁（複数可）が、慣性センサユニット、支持構造、及び、１つまたは複数のばねを封入することと、
を含む方法を提供する。

完全エラストマダイボンドを使用する先行技術のセンサパッケージを示す。 本開示の例による、センサパッケージを示す。 本開示の例による、第１の材料層の平面図を示す。 本開示の例による、スクイーズ制動フィンガを含む第１の材料層のさらなる平面図を示す。 図５ａ〜図５ｈは、本開示の例による、センサパッケージを製造する工程を示す。 図５ｉ〜図５ｋは、本開示の例による、センサパッケージを製造する工程を示す。 図６ａ〜図６ｈは、本開示の別の例による、センサパッケージを製造する工程を示す。 図６ｉ〜図６ｋは、本開示の別の例による、センサパッケージを製造する工程を示す。

本開示は、センサパッケージと、センサパッケージの製造方法とに関する。センサユニットのセンシング構造と同じ材料層に１つまたは複数のばねを形成することは、異なる材料、例えば、エラストマ材料を絶縁層として使用して、密封センサユニットを外部パッケージに取り付ける従来の方法とはセンサ絶縁に対する全く異なるアプローチであることは理解されよう。ばねは、スケールファクタ及びバイアスの長期のドリフトを低減するように、センサユニットと外部パッケージ壁（複数可）との間の機械的応力を分離できる。さらに、例えば、慣性センサに関して、バイアス及びスケールファクタに対する感温性の影響も低減できる。

センサパッケージとセンサパッケージを製造する方法の非限定的な例を以下に詳細に記載する。

図１は、上部ガラス層１０２、シリコンセンシング層１０４、下部ガラス層１０６、エラストマダイボンド層１１０、アルミナ基板１１２、及び、パッケージ蓋１１４を含む先行技術の慣性センサパッケージ１００を示す。３つの層１０２、１０４、１０６は、密封慣性センサユニット１０８を構成する。

層１０４のシリコンセンシング構造は、何らかの形の加えられた力、この場合は、加速度に反応する。このシリコンセンシング層１０４は、上部ガラス層１０２と下部ガラス層１０６との間に挟まって、密封慣性センサユニット１０８を形成する。この封止によって、層１０４のシリコンセンシング構造が制御環境内の空間を占めるのを可能にする。密封慣性センサユニット１０８の内部は、センサ性能を最適にするように制御された雰囲気を含む。

密封慣性センサユニット１０８は、エラストマダイボンド層１１０によってアルミナ基板１１２に接着される。図に示すように、エラストマダイボンド層１１０は、密封慣性センサユニット１０８の下部ガラス層１０６全体を覆う。エラストマダイボンド層１１０は可撓性である。これによって、密封慣性センサユニット１０８はアルミナ基板１１２に良好に接着し、さらに、慣性センサパッケージ１００の衝撃及び振動時に良好な機械的安定性が提供される。

しかしながら、背景技術の項に記載したように、慣性センサパッケージ１００の熱応力及び機械的応力は、特に、装置の寿命の後半に、慣性センサユニット１０８の性能に悪影響を与え得る。

パッケージ蓋１１４は、ほこりまたは直接の力が加わる等、外部環境の影響から、密封慣性センサユニット１０８をさらに保護できる。典型的に、この蓋は、金属合金またはアルミナであり、基板１１２に半田付けされる。蓋１１４によって形成されたパッケージは、気密封止も形成し、パッケージ内の気体環境を制御するのを可能にする。これは、パッケージ内が最適な乾性気体環境になるのを確実にするように行われ、特に、容量式慣性センサにおいて、センサ性能に悪影響を与え得るあらゆる湿気の侵入を防ぐ。

図２は、本開示の例による、センサパッケージ、例えば、慣性センサパッケージ２００を示す。慣性センサパッケージ２００の境界は、３つの外壁２１６と、基板２２０とによって画定される。慣性センサパッケージ２００は、印加された加速度を検出するためにシリコン材料層２０２に形成されたシリコンセンシング構造２０４を含む。シリコンセンシング構造２０４は、上部ガラス層２０６と下部ガラス層２０８とによって、慣性センサユニット２１０内に密封される。慣性センサパッケージ２００は、シリコン層２０２に形成された支持構造２１４も含む。支持構造２１４は、密封慣性センサユニット２１０を囲む枠の形をとる。支持構造２１４は、介在するガラス層２０８を通して柔軟なまたは固定の取付部２１８によって基板２２０に接着される。慣性センサユニット２１０は、基板２２０から分離されて、シリコン材料層２０２に形成された複数のばね２１２によって支持構造２１４から懸架される。この例においては、シリコンセンシング構造２０４は、可撓性ワイヤボンド２２４と上部ガラス層２０６のスルーホールビア２２２とを介して外部接続部２２６に電気的に接続される。

図に示すように、センサユニット２１０は、パッケージ２００に加わる応力と突然の力とから２つの方法で分離される。主として、「浮いている」センサユニット２１０を支持構造２１４に結合するばね２１２は、このようないかなる応力も補償して、センサユニット２１０がこのように不均衡にならないようにし、スケールファクタとバイアスとの長期のドリフトを減少させる。さらに、バイアス及びスケールファクタへの感温性の影響も低減できる。ばね２１２の効果の補助として、エラストマ取付部２１８もパッケージ２００への何らかの応力及び衝撃を吸収できる。これらの点で、センサ性能は改善される。

図に示すように、支持構造２１４、ばね２１２、及び、センシング構造２０４の部分は、全て、同じシリコン材料層２０２に作られている。これは、合理化された開発を行って、ウェハから部品を個片化する必要がある前に、デバイスを大部分、製造できるので、製造工程にとって大きな利点となり得る。デバイスのこのバッチ処理は、スループットを向上させ、且つ、製造費用を低減し得る。デバイスをこのように製造することによって、センシング構造２０４をエッチングするのに使用する同じ工程中に、ばね２１２をエッチングすることによって、センサユニット２１０を支持構造２１４から分離することができて便利である。

スルーホールビア２２２を通る導電性の、例えば、金属の経路を用いて、センシング構造２０４への電気的接続が行われる。次に、この接続は、可撓性ワイヤボンド２２４を介して基板２２０に対して行われ、外部接続部２２６につながって、センサパッケージ２００の外部からセンシング構造２０４に直接電気的接続されることが可能になる。可撓性ワイヤボンド２２４は、パッケージ内のあらゆる応力または勾配、例えば、ばね２１２の屈曲に、十分に耐えるほど柔軟である。

上部ガラス層２０６及び下部ガラス層２０８は、センサユニット２１０の周囲に気密封止を形成する。センサユニット２１０内の環境は、封止時に制御でき、この例においては、センサは、大気圧の乾燥窒素が充填される。この制御環境は、密封センサユニット２１０内の制動係数の調整を可能にする。

外壁２１６は、支持構造２１４とセンサユニット２１０との周りに気密封止を形成する。このエリア内の環境も封止時に制御できる。この環境の制御は、スクイーズフィルム制動フィンガ（図２には示さず）の制動係数の調整を可能にする。これについては、図４を参照して以下により詳細に説明する。

図３は、本開示の例による、第１の材料層の平面図を示す。第１の材料層は、シリコン層３００である。シリコン層３００は、結晶シリコンの一枚のシートからなる。シリコン層３００は、外枠の形をとる支持構造３０２と、複数のばね３０４と、センシング構造３０６とを含む。ばねエリアには残留ガラスは無い。支持構造３０２は、センシング構造３０６を囲む枠である。

図に示すように、センシング構造３０６は、支持枠３０２からばね３０４によって懸架されている。ばね３０４は、慣性運動がセンシング構造３０６に伝わるままとなるように、ばね定数を維持しながらも、慣性センサパッケージ２００が受ける機械的及び他の応力からセンシング構造３０６を分離する。ばね３０４の共振周波数は、１〜５ｋＨｚの間、例えば、２ｋＨｚである。ばね３０４の長さ及び幅は、最適な共振周波数を選択するように設計される。ばね３０４は、蛇行形状であり、複数の蛇行した巻き、例えば、１〜１０の巻き数を有する。

支持構造３０２、ばね３０４、及び、センシング構造３０６の全てを１つの材料層に製造することによって、合理化された製造工程が可能になり、費用と時間の両方が節約される。

図４は、本開示の例による、任意選択のスクイーズフィルム制動フィンガ４０６を含む第１の材料層４００の追加の平面図を示す。図４には、支持構造４０２、センシング構造４０８、ばね４０４、及び、スクイーズフィルム制動フィンガ４０６が示されている。

図３に示すように、ばね４０４は、センシング構造４０８を支持構造４０２から懸架する。スクイーズフィルム制動フィンガ４０６を追加することによって、慣性センサパッケージ及び支持構造とセンシング構造４０８との間の機械的及び他の応力を分離することを支援する。スクイーズフィルム制動フィンガ４０６は、臨界に近い制動を慣性センサパッケージに提供するのを支援して、センシング構造４０８の損傷を防止する。スクイーズフィルム制動フィンガ４０６は、支持構造４０２に対するセンシング構造４０８の移動の範囲を制限することによって、これを行う。

スクイーズフィルム制動フィンガ４０６の制動効果は、例えば、大気圧の乾燥窒素、ネオン、または、アルゴンを慣性センサパッケージに充填して、慣性センサパッケージ環境の組成を変えることによって、調整できる。制動効果は、フィンガの数、フィンガの長さ、及び、フィンガとフィンガの間の隙間の大きさによっても調整できる。

図５ａ〜図５ｋは、本開示の例による、センサパッケージを製造する工程を示す。

図５ａは、ガラス層５０２をウェットエッチングで事前にキャビテーションする第１のステップを示す。エッチングは、マスクによって画定され、ガラス層５０２は、後に可動センシング構造が占めることになる領域のみエッチングされる。エッチングの深さは、典型的には約３０μｍである。

図５ｂは、シリコンウェハ５０４をガラス層５０２に陽極接合する次のステップを示す。

図５ｃは、スルーホールビア５０６を作成する次のステップを示す。これは、典型的に、スルーホールビア５０６を形成するために、最初にフォトマスク（図示せず）を適用し、ガラス層５０２にパウダーブラストすることによって行われる。スルーホールビア５０６は、事前にキャビテーションされたガラス層５０２のエリア内をシリコン層５０４に達するまで通り抜ける。

図５ｄは、金属トラック層５０８をガラス層５０２上に成膜する次のステップを示し、工程中、ガラス層５０２と、スルーホールビア５０６の内側表面とを覆う均一な薄い層５０８を形成する。あるいは、金属トラック層５０８は、スルーホールビア５０６を埋めてよい。これによって、シリコン層５０４に形成されたセンシング構造を外部パッケージに接続するために、シリコン層５０４への電気的接続が可能になる。金属トラック層５０８は、典型的には、成膜されて、次に、フォトリソグラフィによってパターニングされる。

図５ｅは、シリコン層５０４に後に形成されるセンシング構造を懸架するために、ガラス層５０２のばねが形成される領域５１０に等方性ウェットエッチングを行う次のステップを示す。フォトマスク（図示せず）を使用して他のエリアをウェットエッチングから保護する。このステップによって、下にあるシリコン層５０４が露出される。

図５ｆは、底部から下のシリコン層５０４に深堀反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）を行う次のステップを示す。標準的なフォトマスク（図示せず）を使用してシリコン層５０４のエッチング領域を画定する。このステップにおいて、センシング構造５１２が、シリコン層５０４からエッチングされる。このエッチングは、新たに画定された支持構造５１６からセンシング構造５１２を懸架する複数の蛇行ばね５１４も画定する。

次に、下部ガラス層５１８が、シリコン層５０４のセンシング構造５１２の可動領域に事前にキャビテーションされる。図５ｇに示すように、下部ガラス層５１８は次に、シリコン層５０４に陽極接合されて、センシング構造５１２を含む密封センサユニット５２０を形成する。密封センサユニット５２０は、気体、典型的には、大気圧の乾燥窒素、アルゴン、または、ネオンでバックフィルされる。これは、センシング構造５１２の臨界に近い制動を確実にする。

図５ｈは、下部ガラス層５１８にシリコン層５０４の深さまで等方性ウェットエッチングを行う次のステップを示す。このエッチングは、フォトマスク（図示せず）によって画定され、図５（ｅ）の領域５１０にばね５１４のみを残す。これは、密封センサユニット５２０も支持構造５１６から開放し、センサユニット５２０はばね５１４に懸架される。これは、密封センサユニット５２０を支持構造５１６が受けるあらゆる大きな衝撃または応力から分離し、その衝撃または応力は代わりにばね５１４によって吸収される。さらに、センシング構造５１２は、陽極接合されたガラス層５０２、５１８によってばね５１４から密封して分離され、密封センサユニット５２０を形成するのが分かる。デバイスは、この段階の後に、ウェハから個片化されてもよい。これは、デバイスがウェハから個片化される前にほぼ完全に形成されるので、デバイスの製造の合理化を可能にする。

図５ｉは、支持構造５１６を（典型的に、アルミナまたはセラミック製の）基板５２４に１つまたは複数のエラストマ取付部５２２（例えば）を介して接合する次のステップを示す。このように、密封センサユニット５２０は、ばね５１４及びエラストマ取付部５２２を介して基板５２４が受けるあらゆる応力または衝撃から分離される。

図５ｊは、可撓性ワイヤボンド５２６をデバイスに追加することによって、密封センサユニット５２０上の金属トラック層５０８を（比較的）固定された支持構造５１６に接着する次のステップを示す。さらに、支持構造５１６から基板５２４への可撓性ワイヤボンド５２６も追加される。ワイヤボンドは、典型的に、直径２５μｍを有する。基板層５２４を通る外部電気的接続５２５も追加される。

図５ｋは、パッケージの内部ガス量を密封する金属蓋５２８を追加する最後のステップを示す。これは、典型的に（〜３００℃で）半田封止を用いて行われ、蓋５２８を基板５２４に固定する。パッケージの内部ガス量は、密封センサユニット５２０と支持構造５１６の間の分離を最適にするように制御され、典型的には、例えば、スクイーズフィルム制動を最適にする大気圧のアルゴン、ネオン、または、乾燥窒素を含む。

図６ａ〜図６ｋは、本開示の別の例による、センサパッケージを製造する工程を示す。図６ａ〜図６ｋに示す製造工程は、図５ａ〜図５ｋに示す製造工程と類似しており、必要に応じて、図５ａ〜図５ｋを参照して以下に記載する。

図６ａ〜図６ｃに示す製造工程は、図５ａ〜図５ｃに示す製造工程と同じである。

図６ｄは、センシング構造を懸架するために、ガラス層６０２のばねが形成される領域６１０に等方性ウェットエッチングを行う次のステップを示す。フォトマスク（図示せず）を使用してウェットエッチングから他のエリアを保護する。このステップによって、下のシリコン層６０４を露出させる。

図６ｅは、下のシリコン層６０４に底部からＤＲＩＥを行う次のステップを示す。標準的なフォトマスク（図示せず）を使用してシリコン層６０４のエッチング領域を画定する。このステップにおいて、センシング構造６１２が、シリコン層６０４からエッチングされる。このエッチングは、新たに画定された支持構造６１６からセンシング構造６１２を懸架する蛇行ばね６１４も画定する。

図６ｆは、シリコン層６０４及びガラス層６０２上に金属トラック層６０８を成膜する次のステップを示し、工程中にガラス層６０２とスルーホールビア６０６の内側表面とを覆う均一な薄い層６０８を形成する。あるいは、金属トラック層６０８は、スルーホールビア６０６を埋めてよい。これは、シリコン層６０４に作られたセンシング構造を外部パッケージに接続するために、シリコン層６０４への電気的接続を可能にする。このステップは、等方的にエッチングされたガラス層６０２の面と、ばね６１４の表面にわたる金属トラックも画定する。これは、センシング構造６１２及びスルーホールビア６０６から、支持構造６１６がセンシング構造６１２を囲むガラス層６０２の端部への導電性経路を提供する。金属トラック層６０８は、典型的には、成膜され、次に、フォトリソグラフィによってパターニングされる。

次に、下部ガラス層６１８は、シリコン層６０４のセンシング構造６１２の可動領域に事前にキャビテーションされる。図６ｇに示すように、下部ガラス層６１８は、次に、シリコン層６０４に陽極接合されて、センシング構造６１２を含む密封センサユニット６２０を形成する。密封センサユニット６２０は、気体、典型的には、大気圧の乾燥窒素、アルゴン、または、ネオンでバックフィルされる。これは、センシング構造６１２の臨界に近い制動を確実にする。

図６ｈは、シリコン層６０４の深さまで下部ガラス層６１８に等方性ウェットエッチングを行う次のステップを示す。このエッチングは、フォトマスク（図示せず）によって画定され、図６（ｄ）の領域６１０にばね６１４と対応する金属トラックとのみを残す。これは、密封センサユニット６２０も支持構造６１６から開放し、センサユニット６２０は、ばね６１４に懸架される。これは、支持構造６１６が受けるあらゆる大きい衝撃または応力から密封センサユニット６２０を分離し、この衝撃または応力は代わりにばね６１４によって吸収される。さらに、センシング構造６１２は、陽極接合されたガラス層６０２、６１８によってばね６１４から気密的に切り離されて、密封センサユニット６２０を形成することが分かる。デバイスは、この段階の後でウェハから個片化されてもよい。これは、デバイスは、ウェハから個片化される前にほとんど完全に形成されるので、デバイスの製造の合理化を可能にする。

図６ｉは、１つまたは複数のエラストマ取付部６２２（例えば）を介して支持構造６１６を（典型的に、アルミナまたはセラミック製の）基板６２４に接合する次のステップを示す。このように、密封センサユニット６２０は、基板６２４が受ける応力または衝撃からばね６１４とエラストマ取付部６２２とによって分離される。

図６ｊは、可撓性ワイヤボンド６２６をデバイスに追加して、支持構造６１６の金属トラック層６０８を基板層６２４に接着するステップを示す。ワイヤボンドは、典型的に２５μｍの直径を有する。基板層５２４を通る外部電気的接続６２５も追加される。前述のように、これは、センシング構造６１２に対して外部電気的接続を行うのを可能にするが、この例においては、可撓性ワイヤボンド６２６とセンサユニット６２０との間のばね６１４によって担持される導電性経路を通る。

図６ｋは、金属蓋６２８を追加して、パッケージの内部ガス量を密封する最後のステップを示す。これは、典型的に、（〜３００℃で）半田封止を用いて行われ、蓋６２８を基板６２４に固定する。パッケージの内部ガス量は、密封センサユニット６２０と支持構造６１６の間の分離を最適にするように制御され、典型的には、例えば、スクイーズフィルム制動を最適にする大気圧のアルゴン、ネオン、または、乾燥窒素を含む。

センシング構造と同じ材料層に１つまたは複数のばねを形成することは、センサユニットと外部パッケージ壁（複数可）の間の機械的及び熱的応力も分離しながら、製造を簡単にすることは理解されよう。より一般的に、本開示によるセンサパッケージとセンサパッケージを製造する方法との一部の例を以下に記載する。

本開示の１つまたは複数の例によると、１つまたは複数のばねは、蛇行形状を有してよい。ばねの幾何形状は、所定のばねコンプライアンスまたは剛性を提供するように設計されてよい。少なくとも一部の例においては、１つまたは複数のばねは、≧１ｋＨｚ、好ましくは、１〜５ｋＨｚの範囲のばね共振を提供するように構成される。これは、低周波数でのセンサ性能を損なうことなく、十分なコンプライアンスを与えることを発明者は発見した。

本開示の１つまたは複数の例によると、１つまたは複数のばねは、好ましくは、複数のばねを含む。ばねは、センサユニットの周りに配置されてよい。例えば、センサユニットは、支持構造内の中心に配置されてよく、ばねは、センサユニットと支持構造の間に複数の方向に延びてよい。支持構造は、センサユニットと同じ平面にあってもよく、または、センサユニットより上及び／または下の異なる平面にあってもよい。１つまたは複数の例において、センサユニットは、センサユニットを支持構造に固定するばねによって支持されてよい。

本開示の１つまたは複数の例によると、センシング構造が形成される材料層は、シリコンを含む。１つまたは複数のばねは、よって、センサユニットのセンシング構造と同じシリコン層に形成されてよい。シリコンのばねは、センサユニットと支持構造の間の応力緩和を可能にする半径方向のコンプライアンスを与える形状及び／または寸法にされてよい。シリコンばねは、センシング構造をエッチングするのに使用されるのと同じ工程中にエッチングされてよいので便利である。例えば、１つまたは複数のばねは、シリコン材料層に蛇行形状をエッチングすることによって形成されてよい。

本開示の１つまたは複数の例によると、密封センサユニットは、ガラス層と、センシング構造を含むシリコン材料層と、追加のガラス層とを含む。このような材料構造は、シリコンオングラス（ＳＯＧ）構造として知られる。よって、センシング構造を封止するように配置されて密封センサユニットを形成する１つまたは複数の追加の材料層は、ガラス層（複数可）であってよい。

本開示の１つまたは複数の例によると、密封センサユニットは、シリコン層と、センシング構造を含むシリコン材料層と、追加のシリコン層とを含む。よって、センシング構造を封止して配置されて密封センサユニットを形成する１つまたは複数の追加の材料層は、シリコン層（複数可）であってよい。

本開示の１つまたは複数の例によると、支持構造は、センサユニットのセンシング構造及びばね（複数可）と同じ材料層に形成される。このような例において、支持構造は、材料層と同じ平面にある。これは、センシング構造をエッチングするために使用される同じ工程中にばね（複数可）をエッチングすることによって支持構造はセンシング構造から分離され得るので便利なことを、意味している。よって、支持構造は、センシング構造と同じように、シリコンから形成されてよい。

本開示の１つまたは複数の例によると、支持構造は枠である。枠は、密封センサユニットを囲んでよい。前述のように、複数のばねは、センサユニットと枠の間に延びて、例えば、枠内の中心にセンサユニットを懸架してよい。

本開示の１つまたは複数の例によると、支持構造は、少なくとも１つの外部パッケージ壁に柔軟な（例えば、エラストマ）取付部を介して固定される。このようなエラストマ取付部は、ある程度のコンプライアンスを与え得るが、センサユニットと支持構造の間の主な分離は、１つまたは複数のばねによることは理解されよう。柔軟な取付部は、先行技術のセンサパッケージで使用される従来のエラストマ絶縁層よりずっと少ないエラストマ材料しか必要としない場合がある。

本開示の１つまたは複数の代替例によると、支持構造は、少なくとも１つの外部パッケージ壁に剛性取付部を介して固定される。センサユニットは１つまたは複数のばねによって支持構造から既に分離されているので、剛性取付部が使用されてよいことは理解されよう。剛性取付部は、接着剤、例えば、エポキシボンド、または、金属半田接合を含んでよい。

本開示の１つまたは複数の例によると、センサパッケージは、密封センサユニットと支持構造の間に配置されたスクイーズフィルム制動構造をさらに含む。このような制動構造は、当分野で既知のように、パッケージ内の気体雰囲気にスクイーズフィルム制動効果を提供するような大きさの１つまたは複数の隙間を含む。例えば、スクイーズフィルム制動構造は、複数の相互に嵌合した制動フィンガを含んでよい。複数の相互に嵌合した制動フィンガは、センサユニットの周りに配置された、１つまたは複数のセット、例えば、多数のセットで配置されてよい。

本開示の１つまたは複数の例によると、スクイーズフィルム制動構造は、センサユニットのセンシング構造及びばね（複数可）と同じ材料層に形成される。これは、スクイーズフィルム制動構造が、センシング構造とばね（複数可）とをエッチングするのに使用される同じ工程中に形成されてよいので便利であることを、意味する。よって、スクイーズフィルム制動構造（例えば、相互に嵌合した制動フィンガ）はセンシング構造と同じように、シリコンから形成されてよい。

本開示の１つまたは複数の例によると、密封センサユニットは、真空排気される。本開示の１つまたは複数の代替例によると、密封センサユニットは、例えば、アルゴン、ネオン、または、乾燥窒素の１つまたは複数を含む、第１の気体環境を含む。第１の気体環境は、大気圧より低い圧力であってよい、例えば、部分的に排気されてよい。あるいは、第１の気体環境は、大気圧より高い圧力であってよい。この上昇した圧力は、より高い制動係数を与えてよい。

本開示の１つまたは複数の例によると、センサパッケージは、例えば、アルゴン、ネオン、または、乾燥窒素の１つまたは複数から構成される、密封センサユニット外の第２の気体環境を含む。第２の気体環境は大気圧であってよい。密封センサユニットと支持構造の間にスクイーズフィルム制動構造が配置された例においては、第２の気体環境は、所望のスクイーズフィルム制動効果を提供するように選択されてよい。

本開示の１つまたは複数の例によると、センサパッケージは、センサユニットを外部パッケージ壁（複数可）の少なくとも１つに電気的に接続する可撓性ワイヤボンドをさらに含む。密封センサユニットは、センシング構造に電気的接続するための１つまたは複数のスルーホールビアをさらに含んでよい。これは、直接的なワイヤボンドがスルーホールビアを通ってセンシング構造の電気的接続を提供し得ることを、意味する。

本開示の１つまたは複数の例によると、密封センサユニットは、１つまたは複数のばねによって担持される導電性経路によって外部パッケージ壁（複数可）の少なくとも１つに電気的に接続される。例えば、導電性（例えば金属）トラックは、１つまたは複数のばねによって担持されてよい。密封センサユニットは、センシング構造に電気的接続するための１つまたは複数のスルーホールビアをさらに含んでよい。これは、直接のワイヤボンドが、スルーホールビアを通ってセンシング構造の電気的接続を提供し得ることを、意味する。この接続は、次に、外部パッケージ壁の少なくとも１つからセンシング構造への電気的接続を提供するために、１つまたは複数のばねによって担持される導電性経路にリンクできる。

本開示の１つまたは複数の例によると、センサはＭＥＭＳセンサである。

本開示の１つまたは複数の例によると、センサは圧力センサである。本開示の１つまたは複数の他の例によると、センサは慣性センサである。従って、密封センサユニットは密封慣性センサユニットであってよいということになる。

本開示の１つまたは複数の例によると、慣性センサはジャイロスコープである。センシング構造は、ディスクまたはリング形態のプルーフマスを含んでよい。ジャイロスコープは、振動する構造のジャイロスコープであってよい。

本開示の１つまたは複数の例によると、慣性センサは加速度計である。センシング構造は、固定した基板と、固定した基板に可撓性支持脚部によって取り付けられたプルーフマスとを含んでよい。

本開示の１つまたは複数の追加の例によると、加速度計は、容量型加速度計、誘導型加速度計、または、圧電型加速度計のうちの１つである。少なくとも一部の例において、容量型加速度計は、
固定した基板と、印加された加速度に反応して、センシング軸に沿って平面内で移動するように、固定した基板に可撓性支持脚部によって取り付けられたプルーフマスであって、
センシング軸に実質的に垂直に延び、センシング軸に沿って間隔を置いた、可動の電極フィンガの複数のセットを含むプルーフマスと、
少なくとも２対の固定容量電極と、を含み、固定容量電極の第１の対は、第１の固定電極と第４の固定電極とを含み、固定容量電極の第２の対は、第２の固定電極と第３の固定電極とを含み、各固定容量電極は、センシング軸に実質的に垂直に延び、センシング軸に沿って間隔を置いた固定容量電極フィンガのセットを含み、
第１と第３の固定電極のフィンガのセットが、隣接する固定フィンガ間の中線からセンシング軸に沿って一方向に第１のオフセットを有して可動電極フィンガのセットと相互に嵌合するように配置され、第２と第４の固定電極のフィンガのセットが、隣り合う固定フィンガ間の中線からセンシング軸に沿って反対方向に第２のオフセットを有して可動電極フィンガのセットと相互に嵌合するように配置される。

１つまたは複数の例において、方法は、慣性センサユニットのセンシング構造及び１つまたは複数のばねと同じ材料層に支持構造を形成することをさらに含んでよい。上記のように、支持構造、ばね（複数可）、及び、センシング構造が全て、ＤＲＩＥ等、共通の製造工程によって同じ材料層から形成され得るので、これは有利である。

１つまたは複数の例において、方法は、センサユニットと外部パッケージ壁（複数可）の少なくとも１つとの間に可撓性ワイヤボンドを接続することをさらに含んでよい。

１つまたは複数の例において、方法は、１つまたは複数のばねを通る導電性経路を形成することをさらに含んでよい。導電性経路は、密封センサユニットが外部パッケージ壁（複数可）の少なくとも１つに電気的に接続されるように、形成されてよい。例えば、方法は、導電性（例えば、金属）トラックを１つまたは複数のばねの表面に追加することをさらに含んでよい。導電性経路は、センシング構造から外側枠に信号を伝えるのに使用されてよい。

１つまたは複数の例において、方法は、密封された慣性センサユニットと支持構造の間にスクイーズフィルム制動構造を形成することをさらに含んでよい。好ましくは、スクイーズフィルム制動構造は、慣性センサユニットのセンシング構造及びばね（複数可）と同じ材料層に形成される。

Claims (15)

1. センサであって、材料層に形成されたセンシング構造と、前記センシング構造を封止するように配置されて密封センサユニットを形成する１つまたは複数の追加の材料層とを含む、センサと、
   支持構造と、
   前記密封センサユニットを前記支持構造に柔軟に固定する１つまたは複数のばねであって、前記センサユニットの前記センシング構造と同じ材料層に形成されている、１つまたは複数のばねと、
   前記センサユニット、前記支持構造、及び、前記１つまたは複数のばねを封入する１つまたは複数の外部パッケージ壁であって、前記支持構造が、前記外部パッケージ壁の少なくとも１つに固定された、前記外部パッケージ壁と、
   を含む、センサパッケージ。
2. 前記１つまたは複数のばねは、蛇行形状を有する、請求項１に記載のセンサパッケージ。
3. 前記支持構造は、前記センサユニットの前記センシング構造及び前記１つまたは複数のばねと同じ材料層に形成されている、請求項１または２に記載のセンサパッケージ。
4. 前記支持構造は、前記密封センサユニットを囲む枠である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のセンサパッケージ。
5. 前記支持構造は、前記少なくとも１つの外部パッケージ壁の１つまたは複数に剛性取付部を介して固定されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載のセンサパッケージ。
6. 前記密封センサユニットと前記支持構造との間に配置されたスクイーズフィルム制動構造をさらに含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載のセンサパッケージ。
7. 前記スクイーズフィルム制動構造は、複数の相互に嵌合した制動フィンガを含む、請求項６に記載のセンサパッケージ。
8. 前記スクイーズフィルム制動構造は、前記センサユニットの前記センシング構造及び前記ばねと同じ材料層に形成されている、請求項６または７に記載のセンサパッケージ。
9. 前記センサユニットを前記外部パッケージ壁の少なくとも１つに電気的に接続した可撓性ワイヤボンドをさらに含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載のセンサパッケージ。
10. 前記センサユニットは、前記１つまたは複数のばねによって担持された導電性経路によって前記外部パッケージ壁の少なくとも１つに電気的に接続されている、請求項１〜９のいずれか１項に記載のセンサパッケージ。
11. センサパッケージの製造方法であって、
    センシング構造を材料層に形成することと、
    前記センシング構造と同じ材料層に１つまたは複数のばねを形成することと、
    １つまたは複数の追加の材料層を追加して前記センシング構造を封止し、前記１つまたは複数のばねが密封センサユニットを支持構造に柔軟に固定する前記密封センサユニットを形成することと、
    １つまたは複数の外部パッケージ壁に前記支持構造を固定することと、を含み、
    前記１つまたは複数の外部パッケージ壁は、前記センサユニット、前記支持構造、及び、前記１つまたは複数のばねを封入する、
    前記方法。
12. 前記センサユニットの前記センシング構造及び前記１つまたは複数のばねと同じ材料層に前記支持構造を形成すること
    を含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記密封された慣性センサユニットと前記支持構造との間にスクイーズフィルム制動構造を形成すること
    を含む、請求項１１または１２に記載の方法。
14. 前記センサユニットの前記センシング構造及び前記ばねと同じ材料層に前記スクイーズフィルム制動構造を形成すること
    を含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記センサユニットが、前記外部パッケージ壁の少なくとも１つに電気的に接続されるように、前記１つまたは複数のばねを通る導電性経路を形成すること、
    を含む、請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の方法。

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