JP2021128159A - センサの堅牢性を向上させるシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】センサの堅牢性を向上させるシステムおよび方法を提供すること。【解決手段】装置は、基板と、基板上に形成された１つまたは複数のセンサおよび１つまたは複数の電気回路と、センサの上方に形成された金属層とを備えている。１つまたは複数の電気回路は、１つまたは複数のセンサの少なくとも１つと電気的に接続されている。金属層は、障壁部を提供するように１つまたは複数のセンサの上方に形成されている。【選択図】図１９

Description

本発明の実施形態は、電気部品の堅牢性を向上させるシステムおよび方法に関する。より詳細には、本発明の実施形態は、劣化に対する電気部品の耐性を向上させるシステムおよび方法に関する。

回路やセンサを備えた装置は、装置の１つまたは複数の要素を劣化させて装置の機能に障害をもたらす環境に置かれる場合が多い。金属膜や金属箔から回路およびセンサを形成する従来の方法は、劣化に対する耐久性の高い装置を形成するという点で不十分である。従来の製造方法にはこのような課題があり、その結果、装置の耐久性が低下し、メンテナンスコストが高くなるおそれがある。さらに、従来方法において装置の耐久性を向上させるためには、リードタイムが長くなる場合もある。また、所望のサイズ、使用可能な寿命および性能特性を満たすためには多大な費用を要する場合もある。

記載される装置は、基板と、基板上に形成された１つまたは複数のセンサおよび１つまたは複数の電気回路と、センサの上方に形成された金属層とを備えている。１つまたは複数の電気回路は、１つまたは複数のセンサの少なくとも１つと電気的に接続されている。金属層は、障壁部を提供するように１つまたは複数のセンサの上方に形成されている。

本発明の実施形態の他の特徴および利点は、添付の図面および以下の詳細な説明から明らかとなる。
本発明の実施形態は例示であり、添付の図面に限定されない。図面において、類似の要素には同様の符号が付されている。

一実施形態に係る、電気回路に統合された複数のセンサを有する装置を示す図。 一実施形態に係る、電気回路に統合されたＲＴＤを示す図。 一実施形態に係る、電気基板に統合された１つまたは複数の能動／受動部品を有する装置を製造するためのプロセスを示す図。 一実施形態に係る、装置の堅牢性を向上させる障壁部を有する装置を示す図。 一実施形態に係るセンサの境界保護特徴部を示す図。 一実施形態に係る、装置の堅牢性を向上させる障壁部を有する装置の断面図。 一実施形態に係る、装置の堅牢性を向上させる障壁部を有する装置の断面図。 一実施形態に係る、装置の堅牢性を向上させる例示的な方法を示すフロー図。

装置の堅牢性を向上させるシステムおよび方法について以下に記載する。装置は、金属膜または金属箔を用いて形成されたセンサおよび回路を備えている。様々な実施形態において、装置は、１つまたは複数の集積電気回路に統合された能動および／または受動部品を含むセンサを有している。センサの例としては、ＲＴＤ（測温抵抗体）（ニッケル、ニッケル−クロムおよび／またはプラチナ等から形成）、熱電対、ひずみゲージ（コンスタンタン等から形成）、静電容量センサ、熱電対列、サーミスタ、センサ、ヒーター（ニクロム等から形成）、参照電極（銀／塩化銀等から形成）およびＥＫＧ（心電図検査法）や医療用電子マッピングパッチ等の電気センサ／刺激装置（金またはプラチナ電極で形成）が挙げられる。能動および／または受動部品は、１つまたは複数の電気回路および／または他の能動および／または受動部品に統合された無線通信部品を含む。堅牢性を向上させる装置の製造方法についても記載する。

いくつかの実施形態では、１つまたは複数の電気回路が、受動／能動部品とは別の層の基板上に形成される。１つまたは複数の電気回路を、例えば、絶縁層内を延びる１つまたは複数のビアを介して、１つまたは複数の受動／能動部品と電気的に接続してもよい。いくつかの実施形態は、複数の層に配置された複数種類の能動／受動要素を有し、複数の種類の要素がそれぞれ別の層に配置される。しかしながら、いくつかの実施形態では、１つまたは複数の電気回路および１つまたは複数の種類の能動／受動部品が同じ層の上に配置される。能動または受動部品は、添加剤薄膜、めっき、エッチングまたはコーティングされたセンサ材料等を用いた方法によって形成されるが、これらに限定されない。

いくつかの実施形態では、１つまたは複数の電気回路に含まれる能動／受動要素の１つまたは複数の層の上に１つまたは複数の障壁部が形成される。障壁部によって、電気回路の金属膜／箔層の酸化の量および／または速度が低減されるため、１つまたは複数の電気回路の堅牢性が向上する。いくつかの実施形態では、障壁部は、金属膜／箔層に浸透する水分および／または酸素の量を減少させることによって酸化を抑制する。障壁部は、金属層の酸化量を低減させて、過酷な環境でも電気回路の電気的特性を維持し、センサの性能と精度を長期にわたって維持する。

図１に、一実施形態に係る、電気回路に統合された複数のセンサを有する装置を示す。装置１００は、複数のトレース１０６を介して１つまたは複数の電気回路と電気的に接続された複数のひずみゲージセンサ１０２およびＲＴＤセンサ１０４を有している。センサ、電気回路およびトレースは、同様の製造方法によって同じ基板１０８上に一体的に形成される。このため、電気回路を含む基板にディスクリート部品を追加する必要がなく、ディスクリート部品を電気回路に電気的に接続するための実装パッドが不要である。基板に取り付けるためのパッケージや接点を有するディスクリート部品は、余分なスペースを必要とする。さらに、ディスクリート部品のパッケージおよび実装パッドは、容量損失や抵抗損失等の寄生損失を発生させる可能性があるため、各装置の電気回路の特性が変化し、電気回路の性能が最適な動作特性から低下するおそれがある。

電気回路に統合された複数の能動／受動部品を有する装置は、大きなスペースを要するディスクリート部品のパッケージおよび実装パッドを必要としない。したがって、本明細書に記載の実施形態に係る装置は、統合された能動／受動部品がディスクリート部品のパッケージを含んでおらず、また、実装パッドが不要であるため、寸法をより小さくできる。さらに、本明細書に記載の実施形態に係る装置では、実装パッドに起因する寄生損失が発生しない。さらに、基板上に電気回路を配置して能動／受動部品を製造できるため、能動／受動部品と電気回路とを同様の技術を用いて製造できる。その結果、性能特性の向上が可能であり、作業範囲を狭くできる。

図２に、一実施形態に係る、電気回路に統合されたＲＴＤを示す。ＲＴＤ部品２０２は、本明細書に記載の方法等によって、１つまたは複数の電気回路２０４に統合される。
図３〜１８に、実施形態に係る、電気基板に統合された１つまたは複数の能動／受動部品を有する装置を製造するためのプロセスを示す。同じ基板上に１つまたは複数の能動／受動部品を電気回路と一体的に形成することによって、従来装置、例えば回路基板にディスクリート部品を取り付ける必要のある装置と比較して、装置を小型化できる。さらに、同一の基板上に１つまたは複数の能動／受動部品を電気回路と一体的に形成することによって、パッケージをより小さくできる。また、本明細書に記載の実施形態による装置を独立型装置として構成できるため、本実施形態のように形成されていない装置では誤動作や故障が発生する可能性のある悪環境下でも本装置を使用できる。

図３に、１つまたは複数の電気回路に統合された１つまたは複数の能動／受動部品を形成するための基板３０２を示す。基板３０２は、例えばステンレス鋼、銅、ポリマー膜、セラミック、ガラス、半導体、ニチノールまたは他の材料から構成されるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、基板３０２は、リール・ツー・リール製造プロセスで使用されるロール状をなしている。

図４に、誘電体層が配置された基板を示す。図４Ａは、誘電体層３０４が配置された基板３０２の断面図である。図４Ｂは、誘電体層３０４が配置された基板３０２の斜視図である。いくつかの実施形態においては、誘電体層３０４は基板３０２上に配置される。導電性基板を使用しない実施形態では、基板３０２上に誘電体層３０４の配置を必要としない場合もある。誘電体層３０４は、フォトレジスト、ポリイミド、ＫＭＰＲ、ＳＵ−８または他の絶縁材料等を含むが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、誘電体層３０４は、コーティング法（液体コーティングまたはドライフィルムコーティング）によって、基板３０２上に配置される。しかしながら、誘電体層３０４は、当技術分野で周知の方法を含む他の方法を用いて基板３０２上に形成してもよい。

図５に、一実施形態によってパターン形成された誘電体層を備えた基板を示す。図５Ａは、一実施形態によってパターン形成された誘電体層３０４を備えた基板３０２の断面図である。図５Ｂは、一実施形態によってパターン形成された誘電体層３０４を備えた基板３０２の斜視図である。いくつかの実施形態では、フォトレジスト層が誘電体層３０４上に形成される。いくつかの実施形態においては、フォトレジストは、当技術分野で周知のフォトリソグラフィ法等によって露光され、当技術分野で周知のウェットエッチング法によって現像される。このパターン形成されたフォトレジスト層によって、ウェットエッチングまたはドライエッチングのいずれかによる誘電体除去処理時に、誘電体層３０４のパターンが形成される。他の実施形態では、誘電体層３０４は、感光性ポリイミド層であり、当技術分野で周知のフォトリソグラフィ法等によって直接パターン形成され、当技術分野で周知のウェットエッチング法等によって現像される。さらに別のパターン形成方法では、レーザーアブレーションによって不要な誘電体が除去される。

図６に、一実施形態に係る、誘電体層上に配置された金属層を示す。図６Ａは、一実施形態に係る、誘電体層３０４上に配置された金属層３０６の断面図である。図６Ｂは、一実施形態に係る、誘電体層３０４上に配置された金属層３０４の斜視図である。金属層３０６は、物理蒸着、化学蒸着および無電解化学蒸着等の方法によって誘電体層３０４上に形成されるが、方法はこれらに限定されない。いくつかの実施形態では、金属層３０６の形成の最初の工程として、シード層が誘電体層３０４上に形成される。例えば、ニッケルクロム等のシード層が誘電体層３０４上にスパッタリングされる。無電解化学蒸着法等によって、例えば銅がシード層上に成膜される。いくつかの実施形態においては、金属層３０６を用いて、誘電体層３０４上に１つまたは複数のセンサが形成される。いくつかの実施形態では、金属層３０６は、１つまたは複数のひずみゲージを形成するために誘電体層３０４上にスパッタリングされたコンスタンタンである。

いくつかの実施形態においては、金属層３０４にセンサを形成する工程が、コンスタンタン層等の金属層上にフォトレジスト層を成膜することと、フォトレジスト層をパターン形成することとを含んでいる。フォトレジスト層は、液体スロットダイ、ローラー塗布、スプレー、カーテン式塗布、ドライフィルム積層およびスクリーン印刷等の方法によって形成されるが、方法はこれらに限定されない。フォトレジストは、例えば、当技術分野で周知のフォトリソグラフィ法およびエッチング法等によってパターン形成される。次いで、フォトレジスト層の一部がエッチングされることによって露出した金属層３０４の部分がエッチングされて、センサ、電気トレース、電気接点および他の回路部品が形成される。いくつかの実施形態においては、レーザーアブレーションを用いて、金属層からセンサ、電気トレース、電気接点および他の回路部品が形成される。

図７に、一実施形態に係る、誘電体層３０４上に形成されたひずみゲージ３０８を示す。図７Ａは、一実施形態に係る、誘電体層３０４上に形成されたひずみゲージ３０８の断面図である。図７Ｂは、一実施形態に係る、誘電体層３０４上に形成されたひずみゲージ３０８の斜視図である。誘電体層３０４上に形成された金属層３０６は、当技術分野で周知の方法等によってパターン形成およびエッチングされる。例えば、フォトレジストが、当技術分野で周知の方法等によって金属層３０６上に形成される。フォトレジストは、本明細書に記載の方法等によってパターン形成およびエッチングされる。

図８に、一実施形態に係る、ひずみゲージの上に形成された第２の誘電体層を示す。図８Ａは、一実施形態に係る、ひずみゲージ３０８の上に形成された第２の誘電体層３１０の断面図である。図８Ｂは、一実施形態に係る、ひずみゲージ３０８の上に形成された第２の誘電体層３１０の斜視図である。本明細書に記載の方法によって第１の誘電体層３０４上に１つまたは複数のセンサを形成した後に、形成された１つまたは複数のセンサ上に第２の誘電体層３１０が形成される。１つまたは複数のセンサが形成された後に第２の誘電体層３１０を積層することによって、後工程で形成される他の構造からセンサを隔離できるため、装置の後続の処理過程においてセンサが破損しないように保護できる。いくつかの実施形態では、第２の誘電体層３１０は、本明細書に記載の方法等によって形成されたポリイミド層である。

図９に、一実施形態によってパターン形成された第２の誘電体層を備えた基板３０２を示す。図９Ａは、一実施形態によってパターン形成された第２の誘電体層３１０を備えた基板の断面図である。図９Ｂは、一実施形態によってパターン形成された第２の誘電体層３１０を備えた基板３０２の斜視図である。第２の誘電体層３１０は、当技術分野で周知のフォトリソグラフィ法等によってパターン形成され、当技術分野で周知のウェットエッチング法等によって現像される。

図１０に、一実施形態に係る、第２の誘電体層３１０上に形成された第２の金属層３１２を示す。図１０Ａは、一実施形態に係る、第２の誘電体層３１０上に形成された第２の金属層３１２の断面図である。図１０Ｂは、一実施形態に係る、第２の誘電体層３１０上に形成された第２の金属層３１２の斜視図である。第２の金属層３１２は、物理蒸着、化学蒸着および無電解化学蒸着等の方法によって第２の誘電体層３１０上に形成されるが、方法はこれらに限定されない。いくつかの実施形態では、第２の金属層３１２等の金属層の形成の最初の工程として、シード層が誘電体層上に形成される。例えば、ニッケルクロム等のシード層が誘電体層上にスパッタリングされる。無電解化学蒸着または電気めっきによって、例えば銅がシード層上に成膜される。いくつかの実施形態においては、第２の金属層３１２を用いて、１つまたは複数のトレース、ビアおよび電気回路が形成される。例えば、第２の金属層３１２は、基板上にすでに形成されているか、もしくは後で形成される１つまたは複数のセンサを相互接続し、１つまたは複数のセンサを他の電気回路に接続するためのトレースおよびビアを有していてもよい。図１１に、一実施形態に係る方法を用いて金属層から形成されたトレース、電気回路およびビアを示す。図１１Ａは、一実施形態に係る方法を用いて金属層から形成されたトレース、電気回路およびビアの断面図である。図１１Ｂは、一実施形態に係る方法を用いて金属層から形成されたトレース、電気回路およびビアの斜視図である。いくつかの実施形態では、第２の金属層３１２は、１つまたは複数のセンサを含むようにパターン形成され、別の誘電体層が第２のセンサ層の上に形成され、別の金属層がトレース、電気回路および／またはビアを含むように形成される。したがって、当業者は、本明細書に記載の方法等によって、任意の数および種類のセンサおよび電気回路を含むように、任意の数の誘電体層およびパターン形成された金属層を形成できることを理解するであろう。

図１２に、一実施形態に係る、パターン形成された金属層上に配置された第３の誘電体層３１４を示す。図１２Ａは、一実施形態に係る、パターン形成された金属層上に配置された第３の誘電体層３１４の断面図である。図１２Ｂは、一実施形態に係る、パターン形成された金属層上に配置された第３の誘電体層３１４の斜視図である。第３の誘電体層３１４は、本明細書に記載の方法等によって形成される。例えば、第３の誘電体層３１４は、ポリイミド層である。

図１３に、１つまたは複数の開口部３１６を含むようにパターン形成された第３の誘電体層３１４を示す。図１３Ａは、１つまたは複数の開口部３１６を含むようにパターン形成された第３の誘電体層３１４の断面図である。図１３Ｂは、１つまたは複数の開口部３１６を含むようにパターン形成された第３の誘電体層３１４の斜視図である。誘電体層は、本明細書に記載の方法等によってパターン形成される。いくつかの実施形態では、誘電体層に１つまたは複数の開口部３１６が形成されるため、誘電体層の一部が除去されており、トレース、ビアおよび電気回路のうちの１つまたは複数が露出している。このような開口部は、例えば、１つまたは複数の電気回路および／またはセンサを、本明細書に記載の方法等によって形成された他の電気回路および／または他のセンサと相互接続するために使用される。

図１４に、一実施形態によって形成された金めっきパッド３１８を示す。図１４Ａは、一実施形態によって形成された金めっきパッド３１８の断面図である。図１４Ｂは、一実施形態によって形成された金めっきパッド３１８の斜視図である。いくつかの実施形態では、露出した金属層の１つまたは複数の部分が金めっきされている。例えば、１つまたは複数の部分に金めっきを施して電気接点が形成される。金属層３１２は、本明細書に記載の方法等の１つまたは複数の成膜方法およびパターン形成方法を用いて金めっきされている。図１５に、基板に形成された金めっきパッド３２０を示す。金めっきパッド３２０は、１つまたは複数の誘電体層およびパターン形成された金属層が配置された面とは反対側の面に形成されている。図１５Ａは、１つまたは複数の誘電体層およびパターン形成された金属層が配置された面とは反対側の基板の面に形成された金めっきパッド３２０を示す断面図である。図１５Ｂは、１つまたは複数の誘電体層およびパターン形成された金属層が配置された面とは反対側の基板の面に形成された金めっきパッド３２０を示す斜視図である。金めっきパッド３２０は、本明細書に記載の方法等の１つまたは複数の成膜方法およびパターン形成方法を用いて形成される。このような実施形態では、基板３０２は金属層であり、基板に形成された金めっきパッド３２０は、装置にすでに形成されているか、もしくは後で形成される１つまたは複数の電気回路および／または１つまたは複数のセンサのための１つまたは複数の接地端子および／または負端子を形成するために使用される。

図１６に、一実施形態に係る、パターン形成された基板層３２２を示す。図１６Ａは、一実施形態に係る、パターン形成された基板層３２２の断面図である。図１６Ｂは、一実施形態に係る、パターン形成された基板層３２２（上面および下面）の斜視図である。基板は、本明細書に記載の方法、例えば、金属層のパターン形成に関する方法を用いてパターン形成される。また、基板は、当技術分野で周知のレーザーアブレーション方法等によってパターン形成してもよい。いくつかの実施形態では、基板は、１つまたは複数の回路の少なくとも一部を形成することと、装置を所望の形状に形成することとの少なくともいずれか一方を行うためにパターン形成される。所望の形状の例としては、パッケージの形状、取り付けの形状、ハードウェアを取り付けるための穴の形成および他の機械的特徴部の形成が挙げられるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態において、パターン形成は、本明細書に記載の方法等のパターン形成方法を用いて、基板に質感またはパターンを形成することを含む。

図１７に、一実施形態に係る、機械的特徴部３２４を含むように形成された装置を示す。いくつかの実施形態では、機械的特徴部３２４を有するように装置がパターン形成もしくは成形され、機械的特徴部３２４によって、所望の機械的特性の達成および／またはシステムへの組み込みが可能となる。例えば、基板は、補強レール形状をなすように曲げられるか、他の方法によって成形される。他の機械的特徴部３２４は、装置をシステムに固定するため、または別の装置もしくは回路を基板に固定するための１つまたは複数の溶接点を含んでいてもよい。さらに、基板に施される接着剤の接着力を上げるために、高表面積の接着剤装着特徴部を１つまたは複数含むように、本明細書に記載の方法等によって基板がパターン形成されてもよい。接着剤を基板に塗布することによって、１つまたは複数の部品の貼り付けや、システムへの装置の取り付けを行うことができる。

図１８に、形成された一実施形態の装置を示す。形成された装置は、本明細書に記載のセンサ等の１つまたは複数の種類のセンサを有していてもよい。各種センサは、本明細書に記載の方法等によって、異なるセンサを同一の層上に形成してもよいし、異なる層の上に形成してもよい。形成された装置はまた、例えば、装置上に形成された１つまたは複数の電気回路を完成させるために、装置にディスクリート部品を装着するための１つまたは複数の接点パッドを有していてもよい。さらに、１つまたは複数の接点パッドは、形成された装置を別のシステムに電気的に接続するように構成してもよい。いくつかの実施形態では、装置上に形成される１つまたは複数の電気回路は、無線通信回路またはその一部として構成された電気回路を含む。例えば、装置は、１つまたは複数のコイル、アンテナ、インダクタ、コンデンサ、スタブ要素または無線通信回路の他の要素を含んでいてもよい。

いくつかの実施形態では、１つまたは複数の電気回路は、例えば８〜１２ミクロンの範囲のライン間隔を有するトレースおよび他の特徴を含むように形成してもよい。他の実施形態では、ライン間隔の範囲は、１２〜５０ミクロンである。しかしながら、当業者は、ライン間隔がこれより大きくても小さくてもよいことを理解するであろう。

いくつかの実施形態において、一実施形態に係る温度センサは、第１の電気トレースおよび第２の電気トレースと電気的に接続された測温抵抗体として構成される。温度センサは、誘電体層上に配置された蛇行状の線として構成される。蛇行線は、蛇行線の第１の端部で第１の電気トレースに電気的に接続され、第２の端部で第２の電気トレースに電気的に接続されている。

いくつかの実施形態において、基板は、リール・ツー・リール製造プロセスのウェブに取り付けられて、本明細書に記載の１つまたは複数のセンサおよび／または電気回路を形成する。リール・ツー・リール製造プロセスでは、本明細書に記載の方法等によって、任意の金属層および任意の誘電体層ならびに１つまたは複数のセンサおよび電気回路が形成およびパターン形成される。

図１９に、図３〜１８を参照して説明した製造プロセスの実施形態によって形成された装置１９００を示す。いくつかの実施形態では、装置１９００は、１つまたは複数の集積電気回路に統合された能動および／または受動部品を含む。例えば、センサは、ＲＴＤ（測温抵抗体）、熱電対、ひずみゲージ、静電容量センサ、熱電対列、サーミスタ、ヒーター、参照電極または心電図検査や医療用電子マッピングパッチ等の電気センサ／刺激装置である。

いくつかの実施形態では、センサ１９２２は、第１の誘電体層１９１０が積層された基板１９１２の上に形成される。基板１９１２は、例えばステンレス鋼、銅、ポリマー膜、セラミック、ガラス、半導体、ニチノールまたは他の材料から構成されるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、基板１９１２は、厚さが５０〜１００ミクロンの範囲である薄い金属膜／箔である。しかしながら、基板１９１２の厚さがこれより大きくても小さくてもよいことを当業者は理解するであろう。

第１の誘電体層１９１０は、上記の成膜方法によって基板１９１２上に成膜される。第１の誘電体層１９１０は、フォトレジスト、ポリイミド、ＫＭＰＲ、ＳＵ−８または他の絶縁材料等を含むが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、第１の誘電体層１９１０は、第１の誘電体層１９１０上に形成されたフォトレジスト層を使用してパターン形成される。他の実施形態においては、第１の誘電体層１９１０は、フォトリソグラフィ法を用いて直接パターン形成される感光性ポリイミド層である。一実施形態においては、第１の誘電体層１９１０の厚さは例えば５〜１０ミクロンの範囲である。しかしながら、第１の誘電体層１９１０の厚さがこれより大きくても小さくてもよいことを当業者は理解するであろう。

いくつかの実施形態では、金属層１９０８が第１の誘電体層１９１０上に形成される。例えば、金属層１９０８は、第１の誘電体層１９１０上にスパッタリングされたニッケルクロムのシード層上に積層された銅の層、または第１の誘電体層１９１０上にスパッタリングされたコンスタンタンの層であるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、金属層１９０８を使用して、誘電体層上に１つまたは複数のセンサが形成される。例えば、センサは、ＲＴＤ（測温抵抗体）、熱電対、ひずみゲージ、静電容量センサ、熱電対列、サーミスタ、ヒーター、参照電極または心電図検査や医療用電子マッピングパッチ等の電気センサ／刺激装置である。いくつかの実施形態では、センサ１９２２は、１つまたは複数の端子で測定された抵抗に基づいてひずみを求めるクォーターブリッジひずみゲージである。一実施形態においては、センサ１９２２は、入力電圧を受け取る電圧端子１９２０を有するとともに、クォーターブリッジ回路全体の抵抗の２つの測定値を取得する主端子１９２６および冗長端子１９２４を有している。

いくつかの実施形態では、第２の誘電体層１９０６が、金属層１９０８に形成された１つまたは複数のセンサ１９２２の上方に形成される。１つまたは複数のセンサ１９２２が形成された後に第２の誘電体層１９０６を積層することによって、後工程で形成される他の構造からセンサ１９２２を隔離できるため、装置１９００の後続の処理過程においてセンサ１９２２が破損しないように保護できる。いくつかの実施形態では、第２の誘電体層１９０６は、本明細書に記載の方法等を用いて形成されたポリイミド層である。一実施形態においては、第２の誘電体層１９０６は、当技術分野で周知のフォトリソグラフィ法等を用いてパターン形成され、当技術分野で周知のウェットエッチング法等によって現像される。一実施形態においては、第２の誘電体層１９０６の厚さは５〜１０ミクロンの範囲である。しかしながら、第２の誘電体層１９０６の厚さがこれより大きくても小さくてもよいことを当業者は理解するであろう。

いくつかの実施形態では、第２の金属層１９０４が、第２の誘電体層１９０６上に形成される。第２の金属層１９０４は、金属層１９０８に形成されたセンサ１９２２の上方に配置された障壁部である。いくつかの実施形態では、第２の金属層１９０４によって構成された障壁部によって、外部環境から水分および／または酸素が金属層１９０４に形成されたセンサ１９２２まで浸透することを抑制し、これによってセンサ材料の酸化を防ぐ。センサ１９２２の耐久性および堅牢性を向上させるために、第２の金属層は、センサ１９２２の表面を覆い、センサ１９２２において被覆されていない部分および／または外部環境に露出している部分を減少させる。第２の金属層１９０４は、例えば、スパッタリングされた銅クロム層、スパッタリングされたクロム層または銅めっき層である。

いくつかの実施形態において、第２の金属層１９０４は、酸化を防ぐ障壁部を形成するだけではなく、１つまたは複数のトレース、ビアおよび電気回路を形成している。例えば、第２の金属層１９０４は、基板１９１２上にすでに形成されているか、もしくは後で形成される１つまたは複数のセンサ１９２２を相互接続し、１つまたは複数のセンサ１９２２を他の電気回路に接続するためのトレースおよびビアを有していてもよい。いくつかの実施形態では、第２の金属層１９０４は、１つまたは複数のセンサを含むようにパターン形成され、別の誘電体層が第２のセンサ層の上に形成され、別の金属層がトレース、電気回路および／またはビアを含むように形成される。一実施形態において、第２の金属層１９０４の厚さは例えば１２ミクロンである。しかしながら、第２の金属層１９０４の厚さがこれより大きくても小さくてもよいことを当業者は理解するであろう。

いくつかの実施形態では、第３の誘電体層１９０２が第２の金属層１９０４上に形成される。第３の誘電体層１９０２は、本明細書に記載の方法等によって形成される。第３の誘電体層１９０２は、例えばポリイミド層であるが、これに限定されない。一実施形態においては、第３の誘電体層１９０２の厚さは例えば５〜１０ミクロンの範囲である。しかしながら、第３の誘電体層１９０２の厚さがこれより大きくても小さくてもよいことを当業者は理解するであろう。また、本明細書に記載の作用効果が、実施形態とは異なる金属層および誘電体層の配置によっても達成可能であることを、当業者は理解するであろう。

図２０に、境界保護特徴部２００２を含む例示的なセンサ２０００の実施形態を示す。いくつかの実施形態では、境界保護特徴部２００２は、センサ２０００の外周に形成された追加的環状部であり、非活性センサ材料から構成される。境界保護特徴部２００２は、金属材料（例えば、コンスタンタン）を含むが、これに限定されない。いくつかの実施形態では、境界保護特徴部２００２は、センサ２０００の回路２００４への水分の侵入を防ぎ、センサ２０００内部の金属部品よりも先に破壊される犠牲陽極として機能する。いくつかの実施形態では、センサ２０００は、本明細書に記載の装置の金属層に形成される。センサ２０００は、本明細書に記載の方法等によって形成される。

図２１は、一実施形態に係る、装置２１００の堅牢性を向上させる障壁部を有する装置２１００の断面図である。装置２１００は、基板２１０２と、基板２１０２の上に形成された第１の誘電体層２１１４とを有している。いくつかの実施形態では、基板２１０２はステンレス鋼膜／箔であり、第１の誘電体層２１１４は、フォトレジスト、ポリイミド、ＫＭＰＲ、ＳＵ−８または他の絶縁材料を含むが、これらに限定されない。第１の金属層２１０４が、第１の誘電体層２１１４上に形成されている。いくつかの実施形態では、第１の金属層２１０４は、第１の金属層２１０４にセンサを形成するようにパターン形成されている。一実施形態では、センサはひずみゲージである。第１の金属層２１０４は、センサの外周に形成された境界障壁部２１０６を有する。いくつかの実施形態においては、境界障壁部２１０６は、例えばコンスタンタンまたは他の金属材料からなる非活性センサ材料の追加的環状部である。境界障壁部２１０６は、センサ外面の周囲の第１の誘電体層２１１４に形成される。境界障壁部２１０６は、センサの外周に配置されて、第１の金属層２１０４に形成されたセンサへの水分の侵入を防ぐ物理的障壁部として機能する。さらに境界障壁部２１０６は、水分／空気の存在下でセンサ材料よりも先に酸化する犠牲陽極として機能する。

一実施形態において、装置２１００は、第１の金属層２１０４上に形成された第２の誘電体層２１１２を有している。第２の誘電体層２１１２によって、第１の金属層２１０４が装置２１００の他の活性／非活性層から絶縁および／または隔離される。一実施形態において、第２の金属層２１０８が第２の誘電体層２１１２上に形成される。第２の金属層２１０８は、第１の金属層２１０４の上方の第２の誘電体層２１１２にめっきされた銅の層であるが、これに限定されない。いくつかの実施形態では、第２の金属層２１０８は、本明細書に記載の方法等によって、第２の誘電体層２１１２上にめっきされる。第２の金属層２１０８は、第１の金属層２１０４に形成されたセンサの上方に配置され、水分および酸素の浸透から金属センサ材料を封止する物理的障壁部として機能する。

いくつかの実施形態では、第２の金属層２１０８は、例えば銅めっき等の熱伝導性材料であるが、これに限定されない。第２の金属層２１０８が熱伝導性を有していることによって、障壁部が熱拡散効果をもたらし、その結果、センサの表面全体にわたって温度が分散される。この熱拡散効果により、温度を感知するセンサや、温度によって性能が変化するセンサの精度が向上される。例えば、ひずみゲージ（クォーターブリッジひずみゲージ等）または温度センサ（測温抵抗体等）に統合された電気回路に含まれるワイヤの抵抗は、温度によって変化する。したがって、第２の金属層２１０８は、センサ表面において温度を平衡化させることによってセンサの性能を向上させる。一実施形態においては、装置２１００が、第２の金属層２１０８上に形成された第３の誘電体層２１１０を備えている。

図２２は、一実施形態に係る、装置２２００の堅牢性を向上させる障壁部を有する装置２２００の断面図である。装置２２００は、基板２２０２と、基板２２０２の上に形成された第１の誘電体層２２１２とを有している。いくつかの実施形態では、基板２２０２はステンレス鋼膜／箔であり、第１の誘電体層２２１２は、フォトレジスト、ポリイミド、ＫＭＰＲ、ＳＵ−８または他の絶縁材料を含むが、これらに限定されない。第１の金属層２２０４が、第１の誘電体層２２１２上に形成されている。いくつかの実施形態では、第１の金属層２２０４は、第１の金属層２２０４にセンサを形成するようにパターン形成されている。一実施形態において、センサは、ひずみゲージである。第１の金属層２２０４は、センサの外周に形成された境界障壁部２２０６を有する。いくつかの実施形態においては、境界障壁部２２０６は、例えばコンスタンタンまたは他の金属材料等の非活性センサ材料からなる追加的環状部である。境界障壁部２２０６は、第１の誘電体層２２１２上のセンサ外面の周囲に形成される。境界障壁部２２０６は、センサの外周に配置されて、第１の金属層２２０４に形成されたセンサへの水分の侵入を防ぐ物理的障壁部として機能する。さらに境界障壁部２２０６は、水分／空気の存在下でセンサ材料よりも先に酸化する犠牲陽極として機能する。

一実施形態において、装置２２００は、第１の金属層２２０４上に形成された第２の誘電体層２２１０を有している。第２の誘電体層２２１０によって、第１の金属層２２０４が装置２２００の他の活性／非活性層から絶縁および／または隔離される。一実施形態において、第２の金属層２２０８が第２の誘電体層２２１０上に形成される。いくつかの実施形態では、第２の金属層２２０８は、スパッタリングされた層である。第２の金属層２２０８は、スパッタリングされたクロム層、スパッタリングされたニッケルクロム層またはスパッタリングされた銅クロム層であるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、第２の金属層２２０８は、本明細書に記載の方法等によって、第２の誘電体層２２１０上にスパッタリングされる。第２の金属層２２０８は、第１の金属層２２０４に形成されたセンサの上面を覆うように配置されている。いくつかの実施形態では、センサの側面、第２の誘電体層２２１０の側面および第１の誘電体層２２１２の側面を含む装置の側面が、基板２２０２まで全体にわたって第２の金属層２２０８によって覆われている。第２の金属層２２０８は、第１の金属層２２０４および／または装置の側面を覆って、装置２２００の外部環境から水分および酸素がセンサまで浸透することを防ぐ物理的障壁部を構成している。

いくつかの実施形態では、第２の金属層２２０８が帯電防止成分を含んでいる。帯電防止成分の例としては、クロム化合物、クロム錯体（例えば、カルボン酸を含むクロム錯体）およびクロム塩が挙げられるが、これらに限定されない。第２の金属層２２０８が帯電防止成分を有していることによって、センサの上方に形成された障壁部が、電気回路を静電放電から保護できる。電荷を帯びた電気回路および／またはセンサの他の部品によって、センサが帯電する。帯電したセンサが他の帯電した物体（例えば他の電気部品や人間）と接触すると、静電気が放電されてセンサに入る。センサ内に静電気が入るとセンサの性能が阻害される（例えば、精度に影響を与えるノイズが発生したり、センサの校正が妨害される）。センサ内に放電された静電気の電圧が高い場合、センサに統合された電気回路が静電気に破壊される場合もある。第２の金属層２２０８の帯電防止成分によって、センサの静電気の蓄積や、センサが他の帯電物に接触したときの静電放電が抑制および除去されるため、センサの耐久性、信頼性、および性能が向上する。

図２３に、センサの堅牢性を向上させるプロセスの例を示す。２３０２において、金属層が基板上に形成される。基板は、例えばステンレス鋼、銅、ポリマー膜、セラミック、ガラス、半導体、ニチノールおよび他の材料から構成される薄い膜／箔であるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の誘電体層が、基板と金属層との間において、基板上に形成される。金属層は、基板上に形成された誘電体層上にスパッタリングされたニッケルクロムのシード層上に成膜された銅の層、または基板上に形成された誘電体層上にスパッタリングされたコンスタンタンの層であるが、これらに限定されない。金属層は、本明細書に記載の方法等によって基板上に形成される。

２３０４において、金属層を用いて、１つまたは複数のセンサが形成される。例えば、センサは、ＲＴＤ（測温抵抗体）、熱電対、ひずみゲージ、静電容量センサ、熱電対列、サーミスタ、ヒーター、参照電極または心電図検査や医療用電子マッピングパッチ等の電気センサ／刺激装置である。センサは、本明細書に記載の方法等によって金属層に形成される。２３０６では、必要に応じて、境界特徴部が１つまたは複数のセンサの周囲に形成される。境界特徴部の例としては、非活性材料（コンスタンタンまたは他のセンサ材料等）からなる追加的環状部が挙げられるが、これに限定されない。境界特徴部は、センサへの水分の侵入を防ぎ、腐食を防ぐための犠牲陽極として機能する。

２３０８において、第２の金属層が金属層の上方に形成される。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の誘電体層を金属層上に形成することによって、第１の金属層の絶縁や、第１の金属層と第２の金属層との分離が達成される。第２の金属層は、銅めっき層およびスパッタリングされたクロム層等であるが、これらに限定されない。第２の金属層は、本明細書に記載の技術を含む方法を用いて、第１の金属層の上に形成される。第２の金属層は、第１の金属層に形成された１つまたは複数のセンサの上方に配置され、センサを覆い、水分および／または酸素がセンサまで浸透することを防ぐ障壁部を形成している。いくつかの実施形態では、第２の金属層は熱伝導性を有し、センサ全体にわたって温度を均等に分散させてセンサの性能を改善する熱拡散効果をもたらす。いくつかの実施形態においては、第２の金属層が、センサを静電放電から保護する帯電防止成分を有しており、その結果、センサの耐久性、信頼性、および性能が向上する。

これらの実施形態に関連して説明されているが、当業者は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、態様および詳細において変更を行うことができることを認識するであろう。

Claims (26)

1. 装置であって、
   基板と、
   前記基板上に配置された第１の金属層であって、第１の金属層に形成された１つまたは複数のセンサを有する第１の金属層と、
   前記第１の金属層の上方に配置された第２の金属層であって、第１の金属層に形成された前記１つまたは複数のセンサの少なくとも１つと電気的に接続された１つまたは複数の電気回路を有する第２の金属層と、を備え、
   前記第２の金属層が、前記第１の金属層の上方に配置されるとともに、前記１つまたは複数のセンサを覆う物理的障壁部を提供するように構成される装置。
2. 前記物理的障壁部は、水分または酸素が前記センサまで浸透することを防ぐように構成される、請求項１に記載の装置。
3. 前記第２の金属層が銅めっきである、請求項１に記載の装置。
4. 前記銅めっきが、前記１つまたは複数のセンサの上面の上方において熱を分散させる熱拡散効果をもたらす、請求項３に記載の装置。
5. 前記第２の金属層が、スパッタリングされたクロムを含む、請求項１に記載の装置。
6. 前記スパッタリングされたクロムが、静電放電を低減させる１つまたは複数の帯電防止成分を含む、請求項４に記載の装置。
7. 前記第１の金属層が、前記１つまたは複数のセンサの周囲に配置された境界特徴部を有している、請求項１に記載の装置。
8. 前記境界特徴部が、前記１つまたは複数のセンサへの水分の侵入を防ぐように構成された物理的障壁部である、請求項７に記載の装置。
9. 前記境界特徴部が、前記１つまたは複数のセンサの腐食を防ぐために水分または酸素の存在下で破壊される犠牲陽極である、請求項７に記載の装置。
10. 前記１つまたは複数のセンサのうちの少なくとも１つが測温抵抗体である、請求項１に記載の装置。
11. 前記１つまたは複数のセンサのうちの少なくとも１つが、複数の測温抵抗体の配列を含む、請求項１に記載の装置。
12. 前記１つまたは複数のセンサのうちの少なくとも１つが圧力センサである、請求項１に記載の装置。
13. 前記圧力センサがひずみゲージである、請求項１２に記載の装置。
14. 前記圧力センサが静電容量センサである、請求項１２に記載の装置。
15. モノのインターネット装置、医療装置、スマートセンサ、ホームオートメーション装置、産業用センサ、自動車用センサ、環境装置、警備装置、公共安全装置、小売装置、ロジスティクス装置および消費者装置のいずれか１つを含む、請求項１に記載の装置。
16. センサであって、
    基板と、
    前記基板上に配置された誘電体層と、
    前記誘電体層上に配置された金属層であって、金属層に形成された１つまたは複数のセンサ部品を有する金属層と、
    前記１つまたは複数のセンサ部品の周囲に配置された境界特徴部と、を備えたセンサ。
17. 前記境界特徴部が、前記金属層と同じ組成を有する金属材料からなる追加的環状部である、請求項１６に記載のセンサ。
18. 前記境界特徴部が、前記１つまたは複数のセンサ部品への水分の侵入を防ぐ部分であるか、または、前記１つまたは複数のセンサ部品の腐食を防ぐために水分または酸素の存在下で破壊される犠牲陽極である、請求項１６に記載のセンサ。
19. センサの堅牢性を向上させる方法であって、
    基板上に第１の金属層を形成することと、
    前記第１の金属層に１つまたは複数のセンサを形成することと、
    前記第１の金属層の上方に第２の金属層を形成することであって、前記第２の金属層が前記１つまたは複数のセンサの上方に配置されることによって、水分または酸素が１つまたは複数のセンサまで浸透することを防ぐ障壁部が形成されることと、を含む方法。
20. 前記１つまたは複数のセンサの周囲に境界特徴部を形成することをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
21. 前記第２の金属層が、該第２の金属層に形成された１つまたは複数のセンサを含む、請求項１に記載の装置。
22. 前記第２の金属層の上方に配置された第３の金属層を備える、請求項１に記載の装置。
23. 前記第１の金属層と前記第２の金属層との間に配置された第１の絶縁層を備える、請求項１に記載の装置。
24. 前記第２の金属層と前記第３の金属層との間に配置された第２の絶縁層を備える、請求項２３に記載の装置。
25. 前記第３の金属層が、１つまたは複数の電気回路および少なくとも１つまたは複数のセンサを有し、第３の金属層が、前記第２の金属層の上方に配置されて物理的障壁部を提供するように構成される、請求項２２に記載の装置。
26. 装置であって、
    基板と、
    前記基板上に配置されるとともに、１つまたは複数の電気回路を有する第１の金属層と、
    前記第１の金属層の上方に配置されるとともに、前記１つまたは複数のセンサの少なくとも１つを有する第２の金属層と、
    前記第１の金属層と前記第２の金属層との間に配置された第１の絶縁層と、
    前記第２の金属層の上方に配置されるとともに、前記１つまたは複数のセンサを覆う物理的障壁部を提供するように構成された第３の金属層と、を備えた装置。

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