JP2022500875A - 統合されたセンサおよび回路 - Google Patents

Abstract

記載される装置は、基板と、前記基板上に形成された１つまたは複数のセンサ部品と、前記基板上に形成された前記１つまたは複数のセンサ部品の少なくとも１つと電気的に接続された、前記基板上に形成された１つまたは複数の電気回路と、を備える。

Description

本発明の実施形態は、電気部品に関する。特に、本発明の実施形態は、一般に、電気回路と統合された電気部品に関する。

回路およびセンサを含む装置を形成するための現在の技術は、回路およびセンサを所望の製品に統合する能力が制限されている。ディスクリート部品を使用すると、現在の装置のサイズが制限され、必要な性能の要求を満たすことができない。さらに、現在の製造技術は、長いリードタイムを必要とする場合があり、所望のサイズおよび性能特性を満たすために多大な費用がかかる場合もある。

記載される装置は、基板と、前記基板上に形成された１つまたは複数のセンサ部品と、前記基板上に形成された前記１つまたは複数のセンサ部品の少なくとも１つと電気的に接続された、前記基板上に形成された１つまたは複数の電気回路と、を備える。

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。

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、ならびに実施形態による製造方法が説明されている。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する無線通信部品を含む。

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。

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センサを示す。ＲＴＤセンサ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、各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、例えば限定されないが、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。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。

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 (12)

1. 装置であって、
   基板と、
   前記基板上に形成された１つまたは複数のセンサと、
   前記基板上に形成された前記１つまたは複数のセンサ部品のうちの少なくとも１つと電気的に接続された、前記基板上に形成された１つまたは複数の電気回路と、を備える装置。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 前記圧力センサがひずみゲージである、請求項４に記載の装置。
6. 前記圧力センサが静電容量センサである、請求項４に記載の装置。
7. 前記１つまたは複数のセンサのうちの複数のセンサがそれぞれ、前記基板上に配置された別個の層上に形成される、請求項１に記載の装置。
8. 前記１つまたは複数のセンサのうちの複数のセンサがそれぞれ、前記基板上に配置された同じ層上に形成される、請求項１に記載の装置。
9. 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。
10. 集積電気回路を備えるセンサを形成するための方法であって、
    基板上に１つまたは複数のセンサを形成することと、
    前記基板上に１つまたは複数の電気回路を形成することと、を含む方法。
11. 基板上に１つまたは複数のセンサを形成することは、前記１つまたは複数のセンサのうちの少なくとも第１のセンサを、前記基板上に配置された、少なくとも第２のセンサとは別個の層上に形成することを含む、請求項１０に記載の方法。
12. 基板上に１つまたは複数のセンサを形成することは、前記基板上に配置された同じ誘電体層上に第１のセンサおよび第２のセンサを形成することを含む、請求項１０に記載の方法。

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