JP7000440B2 - マイクロメートル機械的力インターフェース - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１７年２月１３日に出願の「Ｍｉｃｒｏｍｅｔｅｒ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｆｏｒｃｅ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ」と題された米国特許出願第１５／４３１，５０２号に対する優先権を主張するものであり、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載
該当せず。

マイクロフィッシュ付録への参照
該当せず。

本開示は、全般的には、センサに関し、特に、センサに加えられた力を検知するための力センサに関する。

多くの産業分野において、力の大きさを測定する必要があり得る。典型的には、力センサは、センサに加えられた力を検知し、加えられた力を表す出力信号を提供するために使用され得る。様々な力センサ設計が、使用され得、センサに加えられた力及び／又は力の量の存在を測定するために構成要素の変位（例えば、応力検知素子に加えられた応力場）に依存し得る。力センサは、医療用途、軍事用途、飛行制御用途、気象監視用途、産業プロセス用途のみならず、多くの他の用途などの多種多様な用途に使用され得る。

本開示のより完全な理解のために、添付図面及び詳細な説明に関連してなされた以下の簡潔な説明を参照し、同様の参照番号は同様の部分を表す。

作動要素、検知ダイ、信号調整回路、構造フレーム及び基板を備える力センサの例示的な実施形態の正面断面図を示す。 作動要素、検知ダイ、構造フレーム及び基板を備える（図１Ａに示される例示的な実施形態と同様の）力センサの例示的な実施形態の側方断面図を示す。 作動要素、検知ダイ、信号調整回路、構造フレーム及び基板を備える（図１Ａ及び図１Ｂに示される例示的な実施形態と同様の）力センサの例示的な実施形態の代替の正面断面図を示す。 作動要素、検知ダイ、１つ以上の電気接触子及び１つ以上の検知素子を備える、従来の力センサ構成の例示的な実施形態の正面図を示す。 作動要素、検知ダイ、１つ以上の電気接触子及び１つ以上の検知素子を備える、従来の力センサ構成の例示的な実施形態の正面図を示す。 作動要素、検知ダイ、１つ以上の電気接触子及び１つ以上の検知素子を備える、従来の力センサ構成の例示的な実施形態の正面図を示す。 １つ以上の検知素子及び１つ以上のボンドパッドを備える検知ダイと相互作用する例示的な作動要素の上面斜視図を示す。

始めに、１つ以上の実施形態の例示的な実装が以下に示されているが、開示されたシステム及び方法は、現在知られているか又はまだ存在していないかに関わらず、任意の数の技術を使用して実施されてもよいことを理解されたい。本開示は、以下に例示される例示的な実装、図面及び技術に決して限定されないべきであるが、添付の特許請求の範囲内で、それらの均等物の全範囲と共に修正されてもよい。

以下の用語の簡単な定義は、本出願全体を通して適用されるものとする。

用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、限定するものではないが、含むことを意味しており、特許文脈で典型的に使用される手法で解釈されるべきである。

語句「一実施形態では」、「一実施形態によれば」及び同様の語句は、その語句に続く特定の特徴、構造又は特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれてもよいこと、及び本発明の２以上の実施形態に含まれてもよい（重要なことに、そのような語句は必ずしも同じ実施形態に言及しない）ことを一般に意味する。

本明細書が「例示的な」又は「例」として何かを説明する場合、非排他的な例に言及することを理解されたい。

用語「約」又は「およそ」などは、数と共に使用される場合、当業者に理解されるように、特定の数、あるいは特定の数に近接する範囲（例えば、＋／－１０％）を意味し得る。

本明細書が、ある構成要素又は特徴が、「含まれてもよい（ｍａｙ）」、「含むことできる（ｃａｎ）」、「含み得る（ｃｏｕｌｄ）」、「含むべきである（ｓｈｏｕｌｄ）、「含むであろう（ｗｏｕｌｄ）」、「好ましくは（ｐｒｅｆｅｒａｂｌｙ）含む」、「場合により（ｐｏｓｓｉｂｌｙ）含む」、「典型的には（ｔｙｐｉｃａｌｌｙ）含む」、「任意選択的に（ｏｐｔｉｏｎａｌｌｙ）含む」、「例えば（ｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ）含む」、「多くの場合（ｏｆｔｅｎ）含む」又は「含むかもしれない（ｍｉｇｈｔ）」（又は他のそのような言語）、あるいはある特性を有することを提示する場合、その特定の構成要素又は特徴は、含まれることを必要としないか又はその特性を有することを必要としない。このような構成要素又は特徴は、いくつかの実施形態に任意選択的に含まれてもよく、又は除外されてもよい。

本開示の実施形態は、典型的にはセンサに関し、より具体的には力の大きさを検知するための力センサに関する。典型的には、力センサは、センサに加えられた力を検知し、加えられた力を表す出力信号を提供するために使用され得る。力センサは、医療用途、軍事用途、飛行制御用途、気象監視用途、産業プロセス用途のみならず、多くの他の用途などの多種多様な用途に使用され得る。一般に、様々な力センサ設計が使用され得、センサに加えられた力及び／又は力の量の存在を測定するために、構成要素の変位（例えば、応力検知素子に加えられた応力場）に依存し得る。

従来より、力センサは、検知ダイを備え得る。典型的には、検知ダイは、ダイヤフラム上に位置付けられた１つ以上の検知素子及び１つ以上のワイヤボンドを有するダイヤフラムを備え得る。加えて、力センサは、作動要素及び／又は作動アセンブリを備え得る。一般に、作動要素は、検知ダイの平面に垂直な一軸力を伝達するように構成され得る。このようにして、加えられた機械的応力の量に応じて変動する電気抵抗を有する１つ以上の検知素子（例えば、ピエゾ抵抗素子）は、作動要素が検知ダイの平面に接触する際に、圧力などの力の変化を検出することができる。一般に、作動要素は、１つ以上の検知素子を備える検知ダイの表面と相互作用するように構成された球状玉軸受であってもよい。一般に、検知ダイは、基板上の電気トレース及び／又は信号調整回路に出力信号を送信するためにワイヤボンドを備えてもよい。多くの場合、検知ダイのサイズは、作動要素のサイズに依存し得る。したがって、検知ダイのサイズが（例えば、医療用途、より小さいパッケージングサイズなどのために）より小さくなるにつれて、従来の作動要素のサイズは、ワイヤボンドの領域に侵入し得る。場合によっては、作動要素が金属材料を含み、１つ以上のワイヤボンドに接合／接触する場合、短絡及び／又は物理的損傷がワイヤボンドに生じることがある。これにより、力センサが修復不可能になる、かつ／又は修復に費用効率が悪い場合がある。場合によっては、作動要素の断面積は、検知ダイ上で利用可能な能動的なダイヤフラム領域よりも大きくなることがある。加えて、従来の作動要素のサイズを縮小することにより、力センサの構造フレームを製造するために必要とされる精度（例えば、構造フレームの薄い壁を支え、取り扱い、かつ成形するために必要とされる精度及び費用）を増加させ得る。

したがって、開示される実施形態は、薄いウェッジ／プレートとして形成された作動要素を備えることができる。典型的には、薄いウェッジ／プレートは、薄い材料断面を含むことができ、ステンレス鋼、ポリマー、セラミック、別の好適な金属及び／又は別の好適な材料（例えば、ポリマー系物体）から形成されてもよい。場合によっては、薄いウェッジ／プレートは、（例えば、コインの円柱形状と同様の）丸みを帯びた縁部を有する円形面を備えてもよく、丸みを帯びた縁部は、検知ダイの表面に接触するように構成されている。場合によっては、薄いウェッジ／プレートは、（例えば、作動要素の両端に丸みを帯びた縁部を有する）楕円面を備えてもよい。場合によっては、薄いウェッジ／プレートは、（検知ダイと接触するように）底部に丸みを帯びた縁部を有する正方形面を備えてもよい。場合によっては、薄いウェッジ／プレートは、（検知ダイと接触するように）底部に丸みを帯びた縁部を有する台形、三角形又は矩形面を備えてもよい。場合によっては、薄いウェッジ／プレートは、一方の端部（例えば、検知ダイに接触するように構成された端部）のみに丸みを帯びた縁部を備えてもよく、薄いウェッジ／プレートの他方の端部は、異なる（例えば、円錐形、丸みを帯びた、平坦、Ｔ形などの）形状を備えている。典型的には、薄いウェッジ／プレートの少なくとも一方の端部上の丸みを帯びた縁部は、作動要素と検知ダイとの間に点状の集束した力の接触を提供することができる。加えて、薄いウェッジ／プレートは、構造フレームの開口部／アパーチャと検知ダイ上の接触点との間の距離に適応するように、長さが変動してもよい。典型的には、作動要素の高さは、作動要素の幅よりも大きくてもよく、縁部の厚さは、一般に、作動要素の高さ及び幅の両方よりも小さくてもよい。したがって、開示される実施形態は、従来の力センサのサイズを（例えば、より小さいパッケージング用途で使用するために）縮小し、それによって製造費用を削減し、製造量を増加させることができる。

典型的には、力センサの１つ以上の検知素子は、検知ダイと作動要素との間の接触点を取り囲むことができる。一般的に、検知素子は、形成されたダイヤフラムの中心縁部に又はその近くに位置付けられたピエゾ抵抗素子を含んでもよい。いくつかの実施形態では、作動要素の近くに非常に高い信号発生応力の小さい局所領域が存在し得る。ピエゾ抵抗素子がこの位置に埋め込まれると、ダイ感度は、ピエゾ抵抗素子の従来の位置よりも最大１００倍大きく又は高くなり得る。典型的には、ピエゾ抵抗素子を作動要素に近接して位置付ける本方法は、より小さい検知ダイを使用することを可能にし得、これにより、費用も低くすることができる。いくつかの実施形態では、検知ダイは、エッチングされた又は凹んだダイヤフラムを必要としない場合がある。代わりに、「スラブ」ダイが使用されてもよい。典型的には、スラブダイは、著しく高い保証荷重（すなわち、より高い過負荷保護）の利点を有し得るが、同時に、エッチングプロセスを完了してダイヤフラムを形成することが必要とされなくなり得るので費用を削減する。スラブダイが使用されるか又はダイヤフラムを有する検知ダイが使用されるかどうかにかかわらず、スラブ及びダイヤフラムは両方とも、作動要素によって加えられた力に応答して曲がる（又は少なくともいくらかの弾性応答を有する）ように構成されてもよい。加えて、薄いウェッジ／プレートとして形作られた作動要素を使用すると、検知素子（例えば、ピエゾ抵抗素子）と作動要素との間の空間を縮小することができ、ダイ感度を更に増加させ、検知ダイのサイズを減少させる。

前述のように、検知ダイは、ダイヤフラムと、ダイヤフラム上に位置付けられた１つ以上の検知素子（例えば、ピエゾ電気素子）とを含んでもよい。いくつかの実施形態では、ダイヤフラムは、シリコンダイの裏側エッチングによって（例えば、ＫＯＨエッチング技術、深い反応性イオンエッチング又は他のエッチング技術を用いて）検知ダイ上に製造されてもよい。しかしながら、所望により、任意の好適なプロセスが使用されてもよいことが想到される。ダイヤフラムは、検知ダイの縁部の厚さよりも小さい高さ又は厚さを有してもよく、それによって、ダイヤフラムを形成する。

一般に、検知ダイは、好適な製造技術又は印刷技術を使用して形成されたピエゾ抵抗検知素子又は構成要素などの、スラブダイ上に又はそれに隣接して配置された、１つ以上の検知素子を有し得る。例えば、シリコン検知ダイで始まり、標準的なパターン、埋め込み、拡散及び／又は金属相互接続プロセスを使用して、検知ダイの表面上に１つ以上の要素を形成することができる。例えば、１つ以上のピエゾ抵抗検知素子が、スラブ上に形成されてもよい。ピエゾ抵抗検知素子は、加えられた機械的応力（例えば、スラブの偏向）に従って変動する電気抵抗を有するように構成され得る。したがって、ピエゾ抵抗素子を使用して、加えられた力又は圧力を電気信号に変換することができる。場合によっては、ピエゾ抵抗構成要素は、シリコンピエゾ抵抗材料を含むことができる。しかしながら、他の非シリコン材料が使用されてもよい。

いくつかの実施形態では、検知素子（例えば、ピエゾ抵抗素子）は、１つ以上の検知素子に電気的に結合された１つ以上の電気接触子（例えば、ワイヤボンド）を備えてもよい。典型的には、電気接触子は、検知ダイを基板に電気的に接続するために利用され得る。更に、いくつかの実施形態では、１つ以上のボンドパッドが、検知ダイの第１の側によって支持されてもよく、１つ以上のボンドパッドが、検知ダイに１つ以上の電気接触子を介して電気的に結合されてもよい。典型的には、基板は、検知ダイから突起する１つ以上の電気接触子と電気的に接続するためのボンドパッドを備えてもよい。いくつかの実施形態では、電気接触子（例えば、ワイヤボンド）の位置が、１つ以上の検知素子の位置に依存し得る。前述したように、検知素子は、典型的には、作動要素と検知ダイとの間の接触点付近に位置してもよい。これにより、ダイ感度が増加し、力センサによるより正確な読み取りをもたらすことが可能になり得る。したがって、ワイヤボンドは、作動要素に接触することなく、可能な限り作動要素に近接して位置する必要があり得る。場合によっては、作動要素とワイヤボンドとの間の接触により、力センサが修復不可能になる（又は修理する価値がない）と見なされる短絡をもたらし得る。したがって、短絡が生じることを防止するため、かつより小さいパッケージングサイズのために力センサのサイズを減少させるために、薄いウェッジ／プレートを作動要素として使用することができる。典型的には、薄いウェッジ／プレートの厚さは、１つ以上のワイヤボンド間の距離よりも小さくてもよい。いくつかの実施形態では、薄いウェッジ／プレートの厚さとワイヤボンド間の距離との比は、１：２未満であってもよい。いくつかの実施形態では、薄いウェッジ／プレートの厚さとワイヤボンド間の距離との比は、１：３未満であってもよい。いくつかの実施形態では、薄いウェッジ／プレートの厚さとワイヤボンド間の距離との比は、１：４未満であってもよい。いくつかの実施形態では、薄いウェッジ／プレートの厚さとワイヤボンド間の距離との比は、１：７未満であってもよい。いくつかの実施形態では、ワイヤボンドは互いに接触しなくてもよい。更に、いくつかの実施形態では、薄いウェッジ／プレートの幅は、１つ以上のワイヤボンド間の距離よりも小さくてもよい（例えば、薄いウェッジ／プレートの面が楕円形を含む場合）。いくつかの実施形態では、薄いウェッジ／プレートの幅は、１つ以上のワイヤボンド間の距離よりも大きくてもよい（例えば、薄いウェッジ／プレートの面が円形を含む場合）。

いくつかの実施形態では、検知ダイの裏側が、接着剤、はんだなどを使用して基板の上側に取り付けられてもよい。この配置では、基板は、所望に応じて、検知ダイの裏側の下又はその上に位置付けられた開口部／アパーチャを含んでもよく、又は含まなくてもよい。この場合、ワイヤボンドが、検知ダイの表側上のボンドパッド又は検知ダイ上の任意の他の位置にあるボンドパッドを、基板及び／又は回路の上側上のボンドパッドに電気的に接続するために提供されてもよい。場合によっては、検知ダイが、パッケージ内に提供されてもよく、パッケージが、基板に取り付けられてもよい。場合によっては、基板が、セラミック材料を含んでもよいが、所望に応じて、セラミック材料に加えて又はそれに代わるものとして、他の好適な材料（例えば、ＰＣＢ）が使用されてもよいことが想到される。例えば、基板は、厚膜基板であってもよい。

いくつかの実施形態では、力センサが、検知ダイと電気通信することができるように、基板上に取り付けられた信号調整回路を含んでもよい。信号調整回路は、検知ダイ上の１つ以上の検知素子から１つ以上の電気信号を受信し、電気信号を調整して、力センサから調整された出力信号を提供するように構成されてもよい。調整された出力信号は、オフセット、感度、非線形性、温度効果及び／又は他の変形などの反復可能な変形を補正することができる。いくつかの実施形態では、信号調整回路が、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、ＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）及び／又はＡＳＳＰ（特定用途向け標準製品）を含んでもよい。信号調整回路は、接着剤又は任意の他の好適なボンディング機構（例えば、はんだ、共晶など）を使用して基板に取り付けられてもよい。

いくつかの実施形態では、力センサが、構造フレームを含んでもよい。典型的には、構造フレームは、基板の上側／第１の側の上に取り付けられるように構成されてもよく、検知ダイ、信号調整回路、１つ以上のワイヤボンド及び作動要素の少なくとも一部の周囲に空洞を画定してもよい。いくつかの実施形態では、構造フレームが、例えば、プラスチック、ポリアミド、セラミック、金属又は任意の他の好適な材料から形成されてもよい。いくつかの実施形態では、構造フレームが、検知ダイの上に位置付けられた開口部／アパーチャと、基板の開口部／アパーチャとを備えてもよい。典型的には、作動要素は、開口部／アパーチャを通って構造フレームの表面から外向きにわずかに突出／突起してもよい。いくつかの実施形態では、構造フレームが、作動要素を定位置に保持するために内向きに突起する本体を備えてもよい。いくつかの実施形態では、作動要素が、構造フレームの上部と同一平面に置かれてもよい。典型的には、内向きに突起する本体は、作動要素が定位置に留まるように、構造フレームの開口部／アパーチャの周囲に形成されてもよい。当業者は、上記の開示に基づいて、開示された実施形態を理解すべきであるが、以下の図は、本開示を更に明確にすることができる特定の実施例を提供し得る。

ここで図面を参照すると、図１Ａは、作動要素１１０と、検知ダイ１２０と、信号調整回路１３０と、筐体又は構造フレーム１５０と、基板１４０と、を備える、力センサ１００の例示的な実施形態の正面断面図を示す。一般に、作動要素１１０は、検知ダイ１２０の平面に垂直な一軸力を伝達するように構成することができる。図１Ａの例示的な実施形態では、検知ダイ１２０は、（例えば、図３に示すような）ピエゾ抵抗検知素子などの検知ダイ１２０の表側１２３上又はそれに隣接して配置された（例えば、図３に示すような）１つ以上の検知素子を備えるスラブダイである。典型的には、１つ以上の検知素子は、１つ以上の検知素子に電気的に結合された１つ以上の電気接触子１６０（例えば、ワイヤボンド）を備えてもよい。一般に、検知素子は、作動要素１１０と検知ダイ１２０との間の接触点１８０に近接して位置し得る。典型的には、これにより、ダイ感度を増加させ、検知ダイ１２０のサイズの減少をもたらすことができる。

いくつかの実施形態では、図１Ａに示される実施形態と同様に、力センサ１００が、信号調整回路１３０を更に備えてもよい。典型的には、信号調整回路１３０は、検知ダイ１２０上の１つ以上の検知素子から１つ以上の電気信号を受信し、電気信号を調整して、力センサ１００から調整された出力信号を提供するように構成されてもよい。図１Ａの実施形態では、信号調整回路１３０は、１つ以上の検知素子から直接、電気出力信号を受信する。典型的には、検知ダイ１２０及び信号調整回路１３０は、ワイヤボンド１６０が電気的に接続し得るボンドパッドを備えてもよい。このようにして、ワイヤボンド１６０は、検知ダイ１２０と信号調整回路１３０との間の電気通信手段として機能することができる。場合によっては、信号調整回路１３０が、電気信号を調整された出力信号に変換することを完了すると、調整された出力信号が、ワイヤボンド１６０を介して基板１４０に送信されてもよい。場合によっては、ワイヤボンド１６０は、基板１４０上に位置する電気トレース１４２と相互作用してもよい。

図１Ａの実施形態では、作動要素１１０は、接触点１８０において検知ダイ１２０に接触するように構成されている。典型的には、作動要素１１０は、（例えば、コインの円柱形状と同様の）丸みを帯びた縁部を有する円形面を備えてもよい。典型的には、丸みを帯びた縁部は、検知ダイ１２０の表面に接触して、作動要素１１０と検知ダイ１２０との間に点状の集束した力の接触を提供することができる。一般に、作動要素１１０として薄いウェッジ／プレートを使用することにより、電気接触子１６０（例えば、ワイヤボンド）及び検知素子を接触点１８０に近接して配置することを可能にし得、一方で、偶発的な短絡を防止するために作動要素１１０とワイヤボンド１６０との間に十分なスペースが確保される。

加えて、図１Ａの実施形態に示すように、検知ダイ１２０の裏側１２４及び信号調整回路１３０の裏側は、接着剤１７０又は任意の他の好適なボンディング機構（例えば、はんだ、共晶など）を使用して、基板１４０上に取り付けられてもよい。いくつかの実施形態では、基板１４０、信号調整回路１３０及び検知ダイ１２０が、互いに電気通信してもよい。検知ダイ１２０及び信号調整回路１３０の構成及び配置は、同じ目的を達成しながら異なる実施形態において変動し得ることに留意することが重要である。また、電気信号が、調整のために信号調整回路１３０に送信されてもよく、その後、調整された出力信号が、基板１４０に送信されてもよいことに留意することも重要である。しかしながら、いくつかの実施形態では、電気信号が、基板１４０に送信されてもよく、次いで、電気信号が、基板１４０を介して信号調整回路１３０に送信されてもよい。例えば、信号調整回路１３０は、基板１４０の底側１４４上に配置されてもよい。その場合、電気信号が、基板１４０を通って信号調整回路１３０に送信されてもよい。加えて、基板１４０の底側１４４が、信号調整回路１３０を保護する（例えば、それに対する損傷を防止する）ための筐体構造フレームを含んでもよく、又は含まなくてもよい。いくつかの実施形態では、基板１４０の底側１４４が、より大きい構成要素又はデバイスの一部を形成する回路基板などの別の基板に更に結合することができる。

図１Ａの実施形態では、力センサ１００が、筐体又は構造フレーム１５０を備える。構造フレーム１５０は、基板１４０の上側１４３の上に取り付けることができ、基板１４０の外周の周囲に空洞を画定することができる。構造フレーム１５０は、作動要素１１０を定位置に保持するために内向きに突起する本体１５２を備えるように示されている。図１Ａの実施形態では、内向きに突起する本体１５２は、作動要素１１０が定位置に保持されるように、構造フレーム１５０の開口部／アパーチャ１５１の周囲に形成されている。典型的には、構造フレーム１５０は、外力センサ１００内の要素を外部損傷から保護する。加えて、図１Ａの実施形態に示すように、基板１４０が、検知ダイ１２０の裏側１２４の下に位置付けられた開口部／アパーチャ１４１を含む。

図１Ｂは、作動要素１１０、検知ダイ１２０、構造フレーム１５０及び基板１４０を備える、（図１Ａに示される例示的な実施形態と同様の）力センサ１００の例示的な実施形態の側断面図を示す。一般に、図１Ｂに示される例示的な力センサ１００の要素は、上述の図１Ａに示される例示的な力センサ１００の要素と同様手法で動作することができる。図１Ｂの実施形態では、力センサ１００の側方斜視図が示されている。この斜視図は、作動要素１１０を薄いウェッジ／プレートとして示す。典型的には、（例えば、コインの縁部が丸みを帯びているように）縁部は、丸みを帯びていてもよい。図１Ｂの例示的な作動要素１００は、検知ダイ１２０のサイズの減少をもたらし得る。加えて、薄いウェッジ／プレート形状を有すると、１つ以上の検知素子は、作動要素１１０に近接して位置することができ、ダイ感度を増大させる。この構成では、より小さい力センサが、医療産業などのより小さいパッケージングサイズを必要とする用途に実装するために製造されることができる。

図１Ｃは、作動要素１００、検知ダイ１２０、信号調整回路１３０、構造フレーム１５０及び基板１４０を備える、（図１Ａ及び図１Ｂに示す例示的な実施形態と同様の）力センサ１００の例示的な実施形態の代替の正面断面図を示す。一般に、図１Ｃに示される例示的な力センサ１００の要素は、図１Ａ及び図１Ｂに示される例示的な力センサ１００の要素と同様手法で動作することができる。しかしながら、図１Ｃの実施形態では、作動要素１１０が、（作動要素１１０の両端に丸みを帯びた縁部を有する）楕円面を備える。しかしながら、いくつかの実施形態では、作動要素１１０が、典型的には、検知ダイ１２０と相互作用するように構成された端部に丸みを帯びた縁部を備えてもよい。薄いウェッジ／プレートの他端が、異なる（例えば、円錐形、丸みを帯びた、平坦、Ｔ形などの）形状又は同じ形状を備えてもよい。いくつかの実施形態では、薄いウェッジ／プレートが、構造フレーム１５０の開口部／アパーチャ１５１と検知ダイ１２０上の接触点１８０との間の距離に適応するように長さが変動してもよい。典型的には、作動要素１１０の高さ１１１は、作動要素１１０の幅１１２よりも大きくてもよく、縁部の厚さは、作動要素１１０の高さ１１１及び幅１１２の両方よりも概ね小さくてもよい。

図２Ａ～図２Ｃは、作動要素２１０、検知ダイ２２０、１つ以上の電気接触子２６０及び１つ以上の検知素子２２２を備える、従来の力センサ構成の例示的な実施形態の正面図を示す。従来、作動要素２１０は、検知ダイ２２０の表面と相互作用するように構成された球状玉軸受である。典型的には、検知ダイ２２０のサイズは、作動要素２１０のサイズに依存し得る。図２Ａの例示的な実施形態では、検知ダイ２２０が、図２Ｂ及び図２Ｃの例示的な実施形態における検知ダイ２２０よりも大きい。一般に、大きなサイズの作動要素２１０に適応するために及び１つ以上の電気接触子２６０が作動要素２１０と接触／相互作用しないことを確保するために、検知ダイ２２０は、より大きな表面積を有してもよい。しかしながら、多くの最近の用途では、より小さいパッケージングサイズを必要とする用途のために、より小さな力センサが強く望まれている。したがって、図２Ｂの実施形態に示すように、検知ダイ２２０は、より小さくなる必要があり得る。しかしながら、図２Ｂの実施形態では、球状玉軸受は、１つ以上の電気接触子２６０（例えば、ワイヤボンド）と接触して、力センサの破損又は故障の可能性を高め得る。図２Ｃの実施形態では、作動要素２１０及び検知ダイ２２０の両方は、サイズが縮小されて示されている。これにより、力センサの構造フレームを製造するために必要とされる精度（例えば、構造フレームの薄い壁を支える、取り扱う及び成形するために必要とされる、精度及び費用）を増加させ得る。典型的には、この欠点は、球状玉軸受の上部と球状玉軸受の底部との間の短縮された距離に起因して生じ得る。この理由のために、出願人らは、図１Ａ～図１Ｃの例示的な実施形態に示されるような薄いウェッジ／プレートの使用を実施した。

図３は、１つ以上の検知素子３２２及び１つ以上のボンドパッド３２１を備える検知ダイ３２０と相互作用する例示的な作動要素３１０の上面斜視図を示す。図３の例示的な実施形態では、作動要素３１０が、薄いウェッジ／プレートである。典型的には、薄いウェッジ／プレート形状を有することにより、作動要素３１０は、検知ダイ３２０に点状の集束した力の接触を提供することができる。これにより、検知素子３２２は、検知ダイ３２０と作動要素３１０との間の接触点３８０に近接して位置することができ得る。典型的には、検知素子３２２が作動要素３１０に近接して位置するほど、ダイ感度がより良好になり得る。このようにして、力センサは、より正確な読み取りを得ることができる。加えて、検知素子３２２が接触点３８０に近接して位置すると、検知ダイ３２０は、サイズ及び費用を減少させることができる（例えば、検知ダイ３２０を形成するために使用されるシリコン及び／又は他の材料が少ない、必要とされる構造フレームがより小さい、作動要素３１０（例えば、薄いウェッジ／プレート）を打ち抜いて成形するための費用がより低い）。

上述のデバイスの実施形態を、特に図面に関して説明したが、様々な追加の実施形態は、以下を含むことができ、ただし、これらに限定されるものではない。

第１の実施形態では、力センサが、（表側及び裏側を含む）検知ダイと、（検知ダイに隣接して位置する）基板と、検知ダイによって支持された１つ以上の検知素子と、（検知ダイに対する検知素子の接触点の周りに位置しており、かつ）検知ダイ上に位置しており、かつ基板上の電気トレースに電気的に結合された１つ以上の電気接触子（例えば、ワイヤボンド）と、検知ダイに力を伝達するように構成された作動要素と、を備え、作動要素の幅が、１つ以上の電気接触子間の距離よりも小さい（作動要素の厚さが、１つ以上の電気接触子間の距離よりも小さい）。第２の実施形態は、第１の実施形態に記載の力センサであって、基板が基板の上側から基板の底側まで延在する開口部を備える、力センサを含むことができる。第３の実施形態は、第１～第２の実施形態に記載の力センサであって、検知ダイが基板内の開口部の上方に取り付けられている、力センサを含むことができる。第４の実施形態は、第１～第３の実施形態に記載の力センサであって、検知ダイが接着剤又ははんだを使用して基板に取り付けられている、力センサを含むことができる。第５の実施形態は、第１～第４の実施形態に記載の力センサであって、検知ダイがシリコン（又は他の半導体材料）から構成されている、力センサを含むことができる。第６の実施形態は、第１～第５の実施形態に記載の力センサであって、基板がセラミック基板（例えば、セラミック厚膜）又は積層基板のうちの少なくとも１つから形成されている、力センサを含むことができる。第７の実施形態は、第１～第６の実施形態に記載の力センサであって、検知素子がピエゾ電気素子を含む、力センサを含むことができる。第８の実施形態は、第１～第７の実施形態に記載の力センサであって、基板の上側に位置付けられた／取り付けられた構造フレームを更に備える、力センサを含むことができる。第９の実施形態は、第１～第８の実施形態に記載の力センサであって、構造フレームが基板内の開口部の上に位置付けられた開口部／アパーチャを備える、力センサを含むことができる。第１０の実施形態は、第１～第９の実施形態に記載の力センサであって、検知ダイと電気通信する状態で基板上に取り付けられた信号調整回路を更に備える、力センサを含むことができる。第１１の実施形態は、第１～第１０の実施形態に記載の力センサであって、構造フレームが検知ダイ及び信号調整回路のうちの少なくとも１つを少なくとも部分的に覆っている、力センサを含むことができる。第１２の実施形態は、第１～第１１の実施形態に記載の力センサであって、信号調整回路が、検知ダイから電気出力信号を受信し、電気出力信号を調整して、力センサから調整された出力信号を提供するように構成されている、力センサを含むことができる。第１３の実施形態は、第１～第１２の実施形態に記載の力センサであって、基板上に取り付けられた特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）及び特定用途向け標準製品（ＡＳＳＰ）のうちの少なくとも１つを更に備える、力センサを含むことができる。第１４の実施形態は、第１～第１３の実施形態に記載の力センサであって、検知ダイと、ＡＳＩＣ及びＡＳＳＰのうちの少なくとも１つとが、基板にワイヤボンディングされている、力センサを含むことができる。第１５の実施形態は、第１～第１４の実施形態に記載の力センサであって、作動要素が金属、セラミック、ポリマー又はこれらの任意の組み合わせから形成されている、力センサを含むことができる。第１６の実施形態は、第１～第１５の実施形態に記載の力センサであって、作動要素の面が円形又は卵形状を含み、作動要素の縁部が丸みを帯びるように構成されており、作動要素の縁部が接触点と相互作用するように（集束した接触を提供するように）構成されている、力センサを含むことができる。第１７の実施形態は、第１～第１６の実施形態に記載の力センサであって、作動要素の面が作動要素の縁部よりも大きい幅に及ぶ、力センサを含むことができる。第１８の実施形態は、第１～第１７の実施形態に記載の力センサであって、作動要素の長さが作動要素の幅と等しいか又はそれよりも長く、作動要素の長さが検知ダイ上に位置する接触点と構造フレームの開口部／アパーチャとの間の距離に依存しており、作動要素が構造フレームの開口部／アパーチャから外向きに突出するように構成されている、力センサを含むことができる。第１９の実施形態は、第１～第１８の実施形態に記載の力センサであって、作動要素の第１の端部が構造フレーム内の開口部の間に保持され、作動要素の第２の端部が検知ダイの表側と接触して配置されている、力センサを含むことができる。第２０の実施形態は、第１～第１９の実施形態に記載の力センサであって、構造フレームが作動要素を定位置に保持するために内向きに突起する（チャンバを画定する）本体を備える、力センサを含むことができる。第２１の実施形態は、第１～第２０の実施形態に記載の力センサであって、検知ダイが検知ダイヤフラムに加わる力の指標を提供するために偏向するように構成された検知ダイヤフラムを備える、力センサを含むことができる。第２２の実施形態は、第１～第２１の実施形態に記載の力センサであって、１つ以上の検知素子間の距離が作動要素と検知ダイとの間の接触点を中心としている、力センサを含むことができる。第２３の実施形態は、第１～第２２の実施形態に記載の力センサであって、１つ以上のボンドパッドを更に備え、１つ以上の電気接触子が１つ以上のボンドパッドに電気的に結合されている、力センサを含むことができる。第２４の実施形態は、第１～第２３の実施形態に記載の力センサであって、検知ダイが検知ダイの裏側にエッチングされた空洞を含む、力センサを含むことができる。第２５の実施形態は、第１～第２４の実施形態に記載の力センサであって、検知ダイが基板に取り付けられたフリップチップである、力センサを含むことができる。第２６の実施形態は、第１～第２５の実施形態に記載の力センサであって、検知ダイが、スラブを含むチップを備える、力センサを含むことができる。

例示的な実施形態はまた、力センサアセンブリを使用して力を検知するための（例えば、システムの議論に関して本明細書に任意選択的に組み込まれると考えられ得る、上記したものと同様の）方法に関し得る。このような方法の実施形態としては、例えば、以下を挙げることができるが、これらに限定されない。

第２７の実施形態では、力センサを使用して力を検知する方法が、力センサに力をと等しいか又はそれよりも長くことであって、力センサが、力を検知ダイに伝達するように構成された作動を備え、検知ダイが、１つ以上の検知素子を備える、要素力を加えることと、検知ダイの１つ以上の検知素子によって力の増加を検出することと、作動要素によって接触点において検知ダイを少なくとも部分的に接触させることと、（力に起因して１つ以上の検知素子の少なくとも一部分を偏向させることと）、検知ダイによって、電気出力信号を送信することと、を含む。第２８の実施形態は、第２７の実施形態に記載の方法であって、信号調整回路によって、検知ダイから電気出力信号を受信することと、信号調整回路によって、電気出力信号を調整して、調整された出力信号を提供することと、を更に含む、方法を含むことができる。第２９の実施形態は、第２７～第２８の実施形態に記載の方法であって、力センサが、（表側及び裏側を含む）検知ダイと、（検知ダイに隣接して位置する）基板と、検知ダイによって支持された１つ以上の検知素子と、（検知ダイに対する検知素子の接触点の周りに位置しており、かつ）検知ダイ上に位置しており、かつ基板上の電気トレースに電気的に結合された１つ以上の電気接触子（例えば、ワイヤボンド）と、検知ダイに力を伝達するように構成された作動要素と、を備え、作動要素の幅が、１つ以上の電気接触子間の距離よりも小さい（作動要素の厚さが、１つ以上の電気接触子間の距離よりも小さい）、方法を含むことができる。第３０の実施形態は、第２７～第２９の実施形態に記載の方法であって、基板が、基板の上側から基板の底側まで延在する開口部を備える、方法を含むことができる。第３１の実施形態は、第２７～第３０の実施形態に記載の方法であって、検知ダイが基板内の開口部の上方に取り付けられている、方法を含むことができる。第３２の実施形態は、第２７～第３１の実施形態に記載の方法であって、検知ダイが、接着剤又ははんだを使用して基板に取り付けられている、方法を含むことができる。第３３の実施形態は、第２７～第３２の実施形態に記載の方法であって、検知ダイがシリコン（又は他の半導体材料）から構成されている、方法を含むことができる。第３４の実施形態は、第２７～第３３の実施形態に記載の方法であって、基板がセラミック基板（例えば、セラミック厚膜）又は積層基板のうちの少なくとも１つから形成される、方法を含むことができる。第３５の実施形態は、第２７～第３４の実施形態に記載の方法であって、検知素子がピエゾ電気素子を含む、方法を含むことができる。第３６の実施形態は、第２７～第３５の実施形態に記載の方法であって、基板の上側に位置付けられた／取り付けられた構造フレームを更に備える、方法を含むことができる。第３７の実施形態は、第２７～第３６の実施形態に記載の方法であって、構造フレームが、基板内の開口部の上に位置付けられた開口部／アパーチャを備える、方法を含むことができる。第３８の実施形態は、第２７～第３７の実施形態に記載の方法であって、検知ダイと電気通信する状態で基板上に取り付けられた信号調整回路を更に備える、方法を含むことができる。第３９の実施形態は、第２７～第３８の実施形態に記載の方法であって、構造フレームが、検知ダイ及び信号調整回路のうちの少なくとも１つを少なくとも部分的に覆う、方法を含むことができる。第４０の実施形態は、第２７～第３９の実施形態に記載の方法であって、信号調整回路が、検知ダイから電気出力信号を受信し、電気出力信号を調整して、力センサから調整された出力信号を提供するように構成されている、方法を含むことができる。第４１の実施形態は、第２７～第４０の実施形態に記載の方法であって、基板上に取り付けられた特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）及び特定用途向け標準製品（ＡＳＳＰ）のうちの少なくとも１つを更に備える、方法を含むことができる。第４２の実施形態は、第２７～第４１の実施形態に記載の方法であって、検知ダイと、ＡＳＩＣ及びＡＳＳＰのうちの少なくとも１つとが、基板にワイヤボンディングされている、方法を含むことができる。第４３の実施形態は、第２７～第４２の実施形態に記載の方法であって、作動要素が金属、セラミック、ポリマー又はこれらの任意の組み合わせから形成されている、方法を含むことができる。第４４の実施形態は、第２７～第４３の実施形態に記載の方法であって、作動要素の面が円形又は卵形状を含み、作動要素の縁部が丸みを帯びるように構成され、作動要素の縁部が接触点と相互作用するように（集束した接触を提供するように）構成されている、方法を含むことができる。第４５の実施形態は、第２７～第４４の実施形態に記載の方法であって、作動要素の面が、作動要素の縁部よりも大きい幅に及ぶ、方法を含むことができる。第４６の実施形態は、第２７～第４５の実施形態に記載の方法であって、作動要素の長さが作動要素の幅と等しいか又はそれよりも長く、作動要素の長さが、検知ダイ上に位置する接触点と構造フレームの開口部／アパーチャとの間の距離に依存し、作動要素が、構造フレームの開口部／アパーチャから外向きに突出するように構成されている、方法を含むことができる。第４７の実施形態は、第２７～第４６の実施形態に記載の方法であって、作動要素の第１の端部が構造フレーム内の開口部の間に保持され、作動要素の第２の端部が検知ダイの表側と接触して配置されている、方法を含むことができる。第４８の実施形態は、第２７～第４７の実施形態に記載の方法であって、構造フレームが、作動要素を定位置に保持するために内向きに突起する（チャンバを画定する）本体を備える、方法を含むことができる。第４９の実施形態は、第２７～第４８の実施形態に記載の方法であって、検知ダイが、検知ダイヤフラムに加わる力の指標を提供するために偏向するように構成された検知ダイヤフラムを備える、方法を含むことができる。第５０の実施形態は、第２７～第４９の実施形態に記載の方法であって、１つ以上の検知素子間の距離が、作動要素と検知ダイとの間の接触点を中心としている、方法を含むことができる。第５１の実施形態は、第２７～第５０の実施形態に記載の方法であって、１つ以上のボンドパッドを更に備え、１つ以上の電気接触子が、１つ以上のボンドパッドに電気的に結合されている、方法を含むことができる。第５２の実施形態は、第２７～第５１の実施形態に記載の方法であって、検知ダイが、検知ダイの裏側にエッチングされた空洞を含む、方法を含むことができる。第５３の実施形態は、第２７～第５２の実施形態に記載の方法であって、検知ダイが基板に取り付けられたフリップチップである、方法を含むことができる。第５４の実施形態は、第２７～第５３の実施形態に記載の方法であって、検知ダイが、スラブを含むチップを備える、方法を含むことができる。

本明細書に開示される原理による様々な実施形態を示し、上述したが、その修正は、本開示の趣旨及び教示から逸脱することなく、当業者によって行われ得る。本明細書に説明される実施形態は、単に代表的なものであり、限定することを意図するものではない。多くの変形、組み合わせ及び修正が可能であり、本開示の範囲内にある。実施形態（複数可）の特徴を組み合わせる、統合する及び／又は省略することに由来する代替的な実施形態もまた、本開示の範囲内にある。したがって、保護の範囲は、上記の説明によって限定されるものではなく、以下に続く特許請求の範囲によって定義され、その範囲は、特許請求の範囲の主題の全ての均等物を含んでいる。特許請求の範囲の各々及び全ては、更なる開示として本明細書に組み込まれ、特許請求の範囲は、本発明（複数可）の実施形態（複数可）である。更に、上記した任意の利点及び特徴は、特定の実施形態に関連し得るが、かかる発行された特許請求の範囲の適用を、上記の利点のいずれか又は全てを達成するか又は上記の特徴のいずれか又は全てを有する、プロセス及び構造に限定するものではない。

加えて、本明細書で使用されるセクションの見出しは、３７Ｃ．Ｆ．Ｒ．１．７７の提案と一致するために又はさもなければ構成上の暗示を与えるために提供される。これらの見出しは、本開示から発行され得る任意の特許請求の範囲に記載された本発明（複数可）を限定するものではなく、又は特徴付けるものではない。具体的には、例として、見出しは「技術分野」に言及し得るが、特許請求の範囲は、いわゆる技術分野を説明するためにこの見出しの下で選択される言い回しによって限定されるべきではない。更に、「背景技術」における技術の説明は、特定の技術が本開示における任意の発明（複数可）に対する先行技術であることを認めるものとして解釈されるものではない。「要約」もまた、発行される特許請求の範囲に記載される発明（複数可）の限定的な特徴とみなされるものではない。更に、単数形の「発明」に対する本開示のいずれの参照も、本開示において新規性の単一点のみが存在することを主張するために使用されるべきではない。複数の発明は、本開示から発行される複数の特許請求の範囲の限定に従って記載され得、そのような特許請求の範囲は、したがって、本発明（複数可）及びそれによって保護されるそれらの均等物を定義する。全ての場合において、特許請求の範囲は、本開示に照らして独自の真価に基づいて考察されるべきであるが、本明細書に記載される見出しによって制約されるべきではない。

「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」及び「有する（ｈａｖｉｎｇ）」などのより広範な用語の使用は、「からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ）」、「から本質的になる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｏｆ）」及び「から実質的に構成される（ｃｏｍｐｒｉｓｅｄ ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ ｏｆ）」などのより狭い用語へのサポートを行うことを理解されたい。実施形態の任意の要素に関する用語「任意選択的に（ｏｐｔｉｏｎａｌｌｙ）」、「～してもよい（ｍａｙ）」、「～かもしれない（ｍｉｇｈｔ）」、「場合により（ｐｏｓｓｉｂｌｙ）」などの用語の使用は、その要素が必須ではないことを意味し、あるいは、その要素が必要とされ、両方の選択肢が実施形態（複数可）の範囲内にあることを意味する。また、実施例への言及は、単に例示目的のために提供されるものであって、排他的であることを意図するものではない。

いくつかの実施形態が本開示で提供されてきたが、開示されたシステム及び方法は、本開示の趣旨又は範囲から逸脱することなく、多くの他の特定の形態で具現化され得ることを理解されたい。本実施例は、例示的であって、限定的ではないものとして見なされ、本明細書で与えられる詳細に限定されるものではない。例えば、様々な要素又は構成要素が、別のシステム内で組み合わされてもよく、又は統合されてもよく、あるいは特定の特徴が、省略されてもよく、又は実装されなくてもよい。

また、個々又は別個として様々な実施形態に説明及び例示される技術、システム、サブシステム及び方法は、本開示の範囲から逸脱することなく、他のシステム、モジュール、技術又は方法と組み合わされてもよく、又は統合されてもよい。互いに直接結合又は通信するように示されるか又は議論される他の項目は、電気的、機械的又は他の方法であろうと、何かインターフェース、デバイス又は中間構成要素を介して、間接的に結合又は通信されてもよい。変更、置換及び改造の他の実施例は、当業者によって確認可能であり、本明細書に開示される趣旨及び範囲から逸脱することなく行われ得る。

Claims (4)

1. 表側及び裏側を含む検知ダイと、
   前記検知ダイに隣接して位置する基板と、
   前記検知ダイによって支持された１つ以上の検知素子と、
   前記検知ダイ上に位置し、前記基板上の電気トレースに電気的に結合された１つ以上の電気接触子と、
   前記検知ダイに力を伝達するように構成された作動要素であって、前記作動要素の幅が、前記１つ以上の電気接触子間の距離よりも小さい、作動要素と、を備え、
   前記作動要素が、薄いウェッジ／プレートとして形成される、
   力センサ。
2. 前記薄いウェッジ／プレートが、ステンレス鋼、ポリマー、又は、セラミック、から形成される、請求項１に記載の力センサ。
3. 前記基板が、前記基板の上側から前記基板の底側まで延在するアパーチャを含み、前記基板が、セラミック基板又は積層基板のうちの少なくとも１つから形成されており、前記検知ダイが、前記基板内の前記アパーチャの上方に取り付けられており、前記力センサが、前記検知ダイと電気通信する状態で前記基板上に取り付けられた信号調整回路を更に備え、前記信号調整回路が、前記検知ダイから電気出力信号を受信し、前記電気出力信号を調整して、前記力センサから調整された出力信号を提供するように構成されている、請求項１に記載の力センサ。
4. 前記基板の上側に取り付けられる構造フレームを更に備え、
   前記構造フレームが、少なくとも部分的に前記検知ダイを覆い、
   前記基板が、前記基板の上側から、前記基板の底側に延びるアパーチャを備え、
   前記構造フレームが、前記基板の前記アパーチャの上(over)に配置される開口部を備え、
   前記作動要素の高さが、前記作動要素の前記幅と等しいか又はそれよりも長く、前記作動要素の前記高さが、前記検知ダイ上に位置する接触点と前記構造フレームの前記開口部との間の距離に依存しており、前記作動要素が、前記構造フレームの前記開口部から外向きに突出するように構成されている、請求項１に記載の力センサ。

Images