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JP7705866B2 - 集積回路応力センサ - Google Patents
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JP7705866B2 - 集積回路応力センサ - Google Patents

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Description

本願は、一般に、トルクセンサに関し、より具体的には、集積回路応力センサに関する。
回転シャフト上のトルクを測定及び記録するため、種々のタイプのトルクセンサが存在する。多くの既存のトルクセンサシステムは、たいていコストがかかるものであり、及び／又は、電気、磁気、又は光学効果など、シャフトからの或る効果を測定するための構成要素を含み、その結果、システムは大きく嵩張るものとなる。例えば、ホールベースの磁気システムは、磁化されたシャフト或いはシャフトに取り付けられる磁石を必要とし、これらは、磁場からの干渉を受けやすい。光学システムは、組み立てが複雑であり、特別なハウジングを必要とすることがある。微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）トルクセンサは、シャフトの曲げ及び／又はねじれを測定するために、集積回路（ＩＣ）チップの外部に取り付けられるピエゾ抵抗器を用いる。しかし、ＭＥＭＳトルクセンサは、印刷回路基板に搭載される外部スタンドアローン読み出し及び信号調整回路を必要とし、これにより、嵩張るシステムとなる。
他のトルクセンサシステムは、構造の回転シャフトに取り付けられる歪みゲージを含む。歪みゲージは、接着剤を介してシャフトに取り付けられる金属片又はワイヤを含み得る。また、こうしたトルクセンサシステムは、信号調整回路要素と、シャフトに搭載される電力供給とを含む。シャフトがトルクを与えられると、歪みゲージが伸びて信号を信号調整回路要素に送る。このように、歪みゲージトルクセンサシステムも、シャフトに搭載される互いから分離された幾つかの別個の構成要素を必要とする嵩張るシステムである。
一例において、半導体基板を含む集積回路が説明される。集積回路は、基板の表面に平行の第１の方向に延在する第１の感知軸を有する、基板上又は基板内の第１の歪み感知センサと、基板の表面に平行であり第１の方向に垂直である第２の方向に延在する第２の感知軸を有する、基板上又は基板内の第２の歪み感知センサとを含む。第３の歪み感知センサが、基板上又は基板内にあり、基板の表面に平行であり、第１及び第２の方向に平行でも垂直でもない第３の方向に延在する第３の感知軸を有する。
別の例において、半導体基板上又は半導体基板内に歪み感知センサを含む集積回路（ＩＣ）を含むシステムが説明される。基板は、或る結晶方位を有し、歪み感知センサの各々は、基板の結晶方位に関して或る角度に向けられるそれぞれの感知軸を有する。ＩＣは、基板の変形に応答して、それぞれの歪み感知センサの各々に対する抵抗の変化を判定するように構成される感知回路を含む。通信デバイスがＩＣに結合され、通信デバイスは、抵抗の変化に応答して、基板の変形を表すデータをワイヤレスに通信するように構成される。コントローラが、ＩＣ及び通信デバイスに結合され、通信デバイスとの通信を制御するように構成される。
更に別の例において、或る結晶方位を有する半導体基板上又は半導体基板内に歪み感知センサを含む集積回路（ＩＣ）が説明される。歪み感知センサは、基板の表面及び基板の結晶方位に平行の第１の方向に延在する第１の感知軸を有する、基板上又は基板内の第１の歪み感知センサを含む。第２の歪み感知センサが、基板上又は基板内にあり、基板の結晶方位に対して横断及び基板の表面に平行の第２の方向に延在する第２の感知軸を有し、第２の方向は、第１の方向に垂直である。第３の歪み感知センサが、基板上又は基板内にあり、基板の表面に平行であり、第１及び第２の方向に平行でも垂直でもない第３の方向に延在する第３の感知軸を有する。感知回路が、第１、第２、及び第３の歪み感知センサの各々に結合され、感知回路は、それぞれの感知信号を提供するように構成され、感知信号は、基板の変形に応答して、それぞれの第１、第２、及び第３の歪み感知センサの抵抗の変化を表す。
例示の集積回路のブロック図である。
図１ＡのＩＣからの感知回路のブロック図である。
ピエゾ抵抗センサを示し、異なる方向からセンサに印加される応力を示す。
或る抵抗器モデルであり、図２Ａにおいてセンサに印加される応力に応答する直列の抵抗器を示す。
一対のピエゾ抵抗センサから法線応力を感知するための例示の読み出し回路である。
図３の読み出し回路などによって提供される抵抗対応力の例示のグラフである。
一対のピエゾ抵抗センサからのせん断応力を感知するための別の例示の読み出し回路である。
図５の読み出し回路などによって提供される抵抗対応力の例示のグラフである。
トルクセンサを実装する例示のシステムオンチップ回路の分解組立図である。
トルクセンサを実装する別の例示のシステムオンチップ回路の分解組立図である。
機械的構造の表面上に搭載される例示のトルクセンサシステムの斜視図である。
図９の例示のトルクセンサシステムによって応力を感知するため、異なる感知角度に向けられるピエゾ抵抗センサの概略図を示す。 図９の例示のトルクセンサシステムによって応力を感知するため、異なる感知角度に向けられるピエゾ抵抗センサの概略図を示す。 図９の例示のトルクセンサシステムによって応力を感知するため、異なる感知角度に向けられるピエゾ抵抗センサの概略図を示す。 図９の例示のトルクセンサシステムによって応力を感知するため、異なる感知角度に向けられるピエゾ抵抗センサの概略図を示す。
機械的構造の表面に垂直に搭載される例示のトルクセンサシステムの斜視図である。
図１４の例示のトルクセンサシステムによって応力を感知するため、異なる感知角度に向けられるピエゾ抵抗センサの概略図を示す。 図１４の例示のトルクセンサシステムによって応力を感知するため、異なる感知角度に向けられるピエゾ抵抗センサの概略図を示す。 図１４の例示のトルクセンサシステムによって応力を感知するため、異なる感知角度に向けられるピエゾ抵抗センサの概略図を示す。 図１４の例示のトルクセンサシステムによって応力を感知するため、異なる感知角度に向けられるピエゾ抵抗センサの概略図を示す。
例示のトルクセンサシステムの断面図である。
構造に印加される法線応力を感知するため、機械的構造に搭載される図１９の例示のトルクセンサシステムを図示する断面図である。 構造に印加される法線応力を感知するため、機械的構造に搭載される図１９の例示のトルクセンサシステムを図示する断面図である。
構造に印加されるねじれの応力を感知するため、機械的構造に搭載される図１９の例示のトルクセンサシステムを図示する断面図である。 構造に印加されるねじれの応力を感知するため、機械的構造に搭載される図１９の例示のトルクセンサシステムを図示する断面図である。
シャフトに搭載される図１９のトルクセンサを示し、電力供給及び通信を示す。
別の例示のトルクセンサシステムの断面図である。 別の例示のトルクセンサシステムの上面図である。
図２５及び図２６の構造に印加されるねじれの応力を感知するため、機械的構造に搭載される図２５及び図２６の例示のトルクセンサシステムを図示する断面図である。
半導体基板における例示の基準抵抗器の断面図である。
半導体基板における例示の感知抵抗器の断面図である。
トルクセンサを機械的構造に搭載するための例示の搭載方法である。
歪み感知センサを含む集積回路（ＩＣ）が、本願で説明される。歪み感知センサは、ＩＣに印加される機械的力に応答して応力成分（例えば、法線及びせん断）を測定するために、感知回路に関連して機能するように構成される。ＩＣは、機械的構造（例えば、シャフト、ビーム、フェザーキー、リードフレーム等）に結合されて、そうした機械的構造に印加されるトルク又は他の応力を測定するように適合される。歪み感知センサが、ＩＣの基板の表面上又は表面内に形成され、基板の結晶方位に対して異なる方向に向けられるそれぞれの感知軸を備える。このように、歪み感知センサは、接着剤、クランプ、金属継手、粘着性継手、押し込み又は非押し込み嵌合（positive or non-positive fit）継手を介してＩＣが結合される機械的構造に印加されるか又はその他の方式で機械的構造が受ける機械的力に応答して、基板における変形を測定するように構成され得る。歪み感知センサは、半導体基板上又は半導体基板内に形成される回路構成要素又はデバイスを含み得る。歪み感知構成要素の例は、バイポーラトランジスタ、相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）トランジスタ、金属線、ピエゾ抵抗器などを含む、能動的及び受動的構成要素である。歪み感知構成要素は、下記の例では、主にピエゾ抵抗センサとして説明される。しかし、他のタイプの歪み感知構成要素が、本願で説明されるＩＣ及びＳｏＣに実装されてもよい。
更なる例として、ピエゾ抵抗センサは、当該センサとＩＣ内で統合され得る回路要素に結合される。例えば、ピエゾ抵抗センサは、基板が受ける機械的力（例えば、せん断及び法線力）に応答して変化するそれぞれの抵抗値を有する。そのため、回路要素は、ピエゾ抵抗センサの測定された抵抗値に基づいて法線及びせん断力の表示を判定するように構成され得る。また、それぞれのピエゾ抵抗センサの抵抗値は、ＩＣにおける関連する回路要素上の力の衝撃を補正するために用いられ得る。或る例において、ＩＣは、ピエゾ抵抗センサの近傍で基板内に統合される温度センサを含む。温度センサは、基板温度を表す温度信号を提供し得る。回路要素は、測定された抵抗値を温度信号に応答して調節して、測定された抵抗値に対する温度衝撃を低減させ、そのため、力の判定された表示に対する温度衝撃も低減させるように構成され得る。
図１Ａは、集積回路（ＩＣ）１００のブロック図である。ＩＣ１００は、機械的構造（例えば、シャフト、ビーム、フェザーキー、リードフレーム等）に結合するように適合される。ＩＣ１００は、コンタクト表面と、対向する搭載表面１０４とを有する基板１０２を含む。ＩＣのコンタクト表面は、接着剤、クランプ、金属継手、粘着性継手、押し込み嵌合、非押し込み嵌合などによってＩＣ１００を機械的構造に結合するように適合される。基板１０２は、シリコン、ゲルマニウム、ヒ化ガリウムなどの半導体材料からつくられる。基板は、基板１０２の材料及び形成に基づいて、任意の方向（例えば、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向、又はそれらの組み合わせ）に延在し得る結晶方位（軸）を有する。図１Ａの例では、基板１０２の結晶方位は、ｘ方向に延在する結晶（又は中心）軸１０６によって表される。
一例として、基板１０２は、単結晶ロッドから形成される半導体ウエハであり、そのため、基板表面は結晶面に関して向けられる。波括弧｛ ｝によって示されるミラー指数が、立方晶におけるそれぞれの面を決定するために用いられる。例えば、基板は、｛１００｝面でカットされるｐ型（又はｎ型）半導体基板であり得る。
例示のＩＣ１００は更に、基板１０２の表面１０４上又は表面１０４内に形成されるピエゾ抵抗センサを含む。例えば、第１のピエゾ抵抗センサ１０８が、基板１０２の搭載表面１０４に平行であり結晶軸（例えば、［１００］又は別の結晶軸）に平行である第１の方向に延在する感知軸１１０を有する。第２のピエゾ抵抗センサ１１２が、基板１０２の搭載表面１０４に平行であり第１のピエゾ抵抗センサ１０８の第１の方向に垂直である第２の方向に延在する感知軸１１４を有する。第３のピエゾ抵抗センサ１１６が、基板１０２の搭載表面１０４に平行であり、それぞれ、第１及び第２のピエゾ抵抗センサ１０８、１１２の第１及び第２の方向に平行でも垂直でもない第３の方向に延在する感知軸１１８を有する。或る例において、感知軸１１８は、それぞれの感知軸１１０及び１１４の第１方向と第２の方向との間の角度のほぼ中間である角度（例えば、軸１１０及び１１４から約４５°）に向けられ得る。別の例において、第３のピエゾ抵抗センサ１１６の感知軸１１８は、それぞれの感知軸１１０及び１１４に対して他の角度（例えば、１５°、３０°、６０°、７５°等）に向けられ得る。基板１０２上又は基板１０２内のピエゾ抵抗センサ１０８、１１２、１１６の配置は、それぞれの感知軸の方位が、異なる結晶面（例えば、［１１０］結晶、［１１１］結晶）でカットされたウエハの結晶軸に平行、垂直であり得る、又は、その結晶軸に対して他の角度（例えば、１５°、３０°、６０°、７５°等）に向けられ得るようなものであり得る。
ピエゾ抵抗センサ１０８、１１２、１１６は、感知（読み出し）回路１２０に結合される。例えば、ピエゾ抵抗センサ１０８、１１２、１１６の各々は、感知回路１２０のそれぞれの出力及び入力に結合される入力及び出力端子を有する。感知回路１２０は、それぞれのピエゾ抵抗センサ１０８、１１２、１１６の各々の抵抗の変化を測定するように構成される。抵抗の変化は、基板１０２に印加される機械的力（例えば、圧縮力、伸張力、及び／又はせん断力）などによって生じ得る、基板１０２の通常（休止）状態からの変形に応答する。感知回路１２０は、それぞれのピエゾ抵抗センサ１０８、１１２、１１６の抵抗の測定された変化に応答して、長手方向の（例えば、圧縮及び／又は伸張）、法線、及びせん断力を表す出力信号（感知信号）を提供する。本願で説明されるように、各ピエゾ抵抗センサ１０８、１１２、１１６によって測定される特定の力は、基板１０２の結晶軸１０６の方位に対するそれぞれのピエゾ抵抗センサの感知軸の方位に依存する。
更なる例として、第１のピエゾ抵抗センサ１０８の感知軸１１０は、基板１０２の結晶軸１０６の方位に平行に（例えば、［１００］結晶軸に平行に）向けられる。第２のピエゾ抵抗センサ１１２の感知軸１１４は、基板１０２の結晶軸１０６の方位と垂直に（例えば、［１００］結晶軸に垂直又は［０１０］軸に平行に）向けられる。この構成において、ピエゾ抵抗センサ１０８は、第１のピエゾ抵抗センサ１０８における抵抗の変化が、基板１０２に印加される力に応答する長手方向の（例えば、圧縮及び伸張）力を表すように構成される。ピエゾ抵抗センサ１１２は、第２のピエゾ抵抗センサ１１２における抵抗の変化が、基板１０２に印加される力に応答する法線力を表すように構成される。同様に、第３のピエゾ抵抗センサ１１６の感知軸１１８は、結晶軸１０６の方位に平行でも垂直でもなく向けられる（例えば、［１００］結晶軸に関して約±４５°の角度である）。そのため、第３のピエゾ抵抗センサ１１６は、第３のピエゾ抵抗センサ１１６における抵抗の変化が、基板１０２に印加される力に応答するせん断力に対応するように構成される。
上述したように、感知回路１２０が、長手方向の法線及びせん断力を測定することを可能にするために、基板１０２の結晶軸１０６の方位は、ＩＣ１００が搭載される機械的構造の縦軸に平行（或いは横断）に向けられる。このように、機械的構造に印加される長手方向の法線力を測定するために、第１及び第２のピエゾ抵抗センサ１０８、１１２の感知軸１１０、１１４は、それぞれ、機械的構造の縦軸に平行及び垂直に向けられる。せん断力を測定するために、第３のピエゾ抵抗センサ１１６の感知軸１１８は、機械的構造の縦軸に平行でも垂直でもない（例えば、縦軸に対し約±４５°の角度である）。
第１、第２、及び第３のピエゾ抵抗センサ１０８、１１２、１１６は、それらの感知軸に沿った機械的力に対する抵抗の変化を示すように構成されるが、ピエゾ抵抗センサ１０８、１１２、１１６は、他の力に起因する抵抗変化も経験する。例えば、それぞれのピエゾ抵抗センサ１０８、１１２、１１６の抵抗は、それらのそれぞれの感知軸に垂直の力にも応答する。或る例において、ピエゾ抵抗センサ１０８、１１２、１１６の各々は、それぞれの端子間に直列に結合される複数のピエゾ抵抗器要素として、基板１０２上又は基板１０２内に形成される。例えば、ピエゾ抵抗器要素の各々は、半導体基板のドーピングに依存した（例えば、Ｐ型又はＮ型の）ドープされたシリコン抵抗器として実装される。複数のピエゾ抵抗器要素は、それぞれのピエゾ抵抗センサにとって所望（メイン）の感知軸に平行の感知軸を有して基板に形成されるピエゾ抵抗器要素の第１（メイン）のセットを含む。例えば、メインの感知軸は、半導体基板の結晶軸に関してピエゾ抵抗器要素の長手方向に基づいて決定される。一つ又は複数のピエゾ抵抗器要素の第２（例えば、補償）のセットが、それぞれのピエゾ抵抗センサ１０８、１１２、１１６にとって所望（メイン）の感知軸に対して横断の感知軸を有して基板に形成される。それぞれのピエゾ抵抗センサ１０８、１１２、１１６におけるピエゾ抵抗器要素の第２のセットは、それぞれのピエゾ抵抗センサの所望（メイン）の感知軸に垂直の力に起因する抵抗の変化を相殺する抵抗を提供するように構成される。
更なる例として、第１及び第２のピエゾ抵抗センサ１０８、１１２の抵抗は、それぞれの感知軸に対し長手方向でも垂直でもない角度で印加されるせん断力にも応答する。そのようなせん断力に起因する第１及び第２のピエゾ抵抗センサ１０８、１１２に対する抵抗の変化は、せん断力に応答する抵抗の変化を導入することによって、それぞれのピエゾ抵抗センサの測定された抵抗をスキューし得る。また、この結果、不正確な力が、それぞれの軸１１０及び１１４に沿って判定される恐れがある。せん断力に起因する抵抗のばらつきを補償するため、及び、測定された力の最終値を補正するため、第３のピエゾ抵抗センサ１１６の抵抗に起因する測定されたせん断力が、第１及び第２のピエゾ抵抗センサ１０８、１１２が受けるせん断力を補償するために用いられる。一般に、異なって向けられる４つの抵抗器（結晶軸に対して、それぞれ、およそ０°、９０°、＋４５°、－４５°の方位の例）を用いると、法線及びせん断応力が同時に異なる方向に存在する場合、センサの各々の出力を、その他のセンサの出力によって、それらの不正確性について補正し得る。
一例として、ＩＣ１００は、コントローラを含む、ＩＣ上に実装される他の回路要素１２３を含む。コントローラは、状態機械、プロセッサコア、又はマイクロコントローラとして実装され得る。コントローラは、（例えば、感知回路１２０によって判定される）それぞれのピエゾ抵抗センサ１０８、１１２のための抵抗の変化に応答して、軸１１０、１１４に沿った長手方向及び垂直の力を表す値を判定するように構成される。また、コントローラは、（例えば、感知回路１２０によって判定される）センサ１１６のための抵抗の変化に応答して、軸１１８に沿ったせん断力を表す値を判定するように構成される。或る例において、コントローラはさらに、第１及び第２のピエゾ抵抗センサ１０８、１１２が受けるせん断力を補償するために、（第３のピエゾ抵抗センサ１１６に起因する）せん断力値を用いるように構成される。その結果、それぞれの第１及び第２のピエゾ抵抗センサ１０８、１１２の抵抗の変化に応答してコントローラによって判定される長手方向及び垂直の力の最終値は、それぞれのセンサ軸１１０、１１４と整合される又はセンサ軸１１０、１１４に沿った力成分のみを含むように提供され得る。
同様に、第３のピエゾ抵抗センサ１１６は、軸１１８に沿って基板１００に印加されるせん断力に応答して変化するように構成される抵抗を有する一つ又は複数のピエゾ抵抗器の配置を含む。しかし、第３のピエゾ抵抗センサ１１６の抵抗もまた、基板１００に印加される長手方向及び垂直の力に応答して変化する。長手方向及び垂直の力に起因する第３のピエゾ抵抗センサ１１６の抵抗の変化は、長手方向及び垂直の力に応答するその抵抗の変化を導入することによって、それぞれのピエゾ抵抗センサ１１６の測定された抵抗をスキューし得る。ピエゾ抵抗センサ１１６の抵抗に対する長手方向及び垂直の力の影響の結果、不正確なせん断力がそれぞれの軸１１８に沿って判定される恐れがある。第１及び第２のピエゾ抵抗センサ１０８、１１２の抵抗の変化に応答して判定される長手方向及び垂直の力は、第３のピエゾ抵抗センサ１１６が受ける長手方向及び垂直の力を補償するために用いられ得る。例えば、コントローラはさらに、第３のピエゾ抵抗センサ１１６が受ける長手方向及び垂直の力を補償するために、（ピエゾ抵抗センサ１０８、１１２からの）長手方向及び垂直の力の値を用いるように構成される。その結果、そのような例では、第３のピエゾ抵抗センサ１１６の抵抗の変化に応答してコントローラによって判定されるせん断力の最終値は、それぞれのセンサ軸１１８と整合される又はセンサ軸１１８に沿った力成分のみを含むように判定され得る。
更なる例として、依然として図１Ａの例を参照すると、ＩＣ１００は、基板表面１０４上又は基板表面１０４内に形成される温度センサ１２２を含む。温度センサは、他の回路要素１２３の入力に結合される出力を有し、基板１０２の温度を表す温度信号を提供するように構成される。ＩＣ１００の、及びそれゆえ基板１０２の温度の変化が、それぞれのピエゾ抵抗センサ１０８、１１２、１１６の各々におけるピエゾ抵抗器の抵抗に影響を及ぼし得、これが、感知回路１２０によって判定される抵抗値に影響を及ぼし得る。そのため、基板１０２の温度は監視され、基板温度の変化が、感知回路１２０によって測定される法線及びせん断力値を補正するために他の回路要素によって用いられる。また、センサ基板及び機械的構造の熱膨張係数の不一致の温度補償が、回路１２０によって測定される法線及びせん断力値を補正するために用いられ得る。
また、他の回路要素１２３は、ＩＣ１００の機能性に依存した構成要素の配置を含む。例えば、他の回路要素は、システムオンチップ（ＳｏＣ）などを実装するために、基板１０２の搭載表面１０４上に形成されるインダクタ、コンデンサ、アンテナ、Ａ／Ｄコンバータ、マイクロコントローラ等を含む。或る例において、本願で説明されるＳｏＣは、マルチチップモジュール（ＭＣＭ）である。ＭＣＭは、異なる技術／機能を有する回路要素／構成要素を含み得る。例えば、ＭＣＭの一つ又は複数のＩＣは、歪みを測定するように構成される歪み感知センサ及び感知回路要素／構成要素を含む。このように、歪み感知ＩＣは、アナログ回路要素及び構成要素を含み得る。ＭＣＭの一つ又は複数の他のＩＣは、処理及び演算並びに関連する制御機能を実施するように構成される回路要素（例えば、マイクロコントローラ、状態機械、プロセッシングコア）及び構成要素を含む。ＭＣＭにおけるＩＣは、例えば、データ及び命令を通信するため、導電性トレース、ワイヤなどを介して互いに結合され得る。
別の例において、回路要素１２３のいくつかが、ＩＣ又はＳｏＣが結合される回路基板上に実装される。また、ＳｏＣ（又はＭＣＭ）における他の回路要素１２３は、外部回路要素からＩＣ１００への電力伝送のため、有線又はワイヤレスリンク（例えば、誘導リンク、近距離無線通信（ＮＦＣ）、ブルートゥース等）を確立するように構成され得る。他の回路要素１２３はさらに、ＩＣ及び遠隔システム間でデータを通信するため、有線又はワイヤレス通信チャネルを確立するために用いられ得る。例えば、ワイヤレスリンクは、回路要素１２０又は１２３を較正するために、及び／又は、センサ読み出し値を外部読取りシステムに通信するために、ワイヤレス通信チャネルを用い得る。
図１Ｂは、図１Ａのピエゾ抵抗センサ１０８と感知回路１２０とを含む抵抗応力感知回路要素の或る例のブロック図である。従って、図１Ｂの記載もまた、図１Ａを参照する。図１Ｂの例に示すように、第１のピエゾ抵抗センサ１０８は、一対のピエゾ抵抗器１２４及び１３０を含む。例えば、ピエゾ抵抗器１２４は、端子１２６及び１２８を含む。端子１２８は、感知回路１２０の出力に結合され、端子１２６は、感知回路１２０の第１の入力に結合される。ピエゾ抵抗器１３０は、端子１３２及び１３４を含む。端子１３４は、感知回路１２０の出力に結合され、端子１３２は、感知回路の第２の入力に結合される。本願で説明されるように、ピエゾ抵抗器１２４及び１３０の各々は、それぞれの端子１２６、１２８及び１３２、１３４間に結合される一つ又は複数のピエゾ抵抗器要素を含み得、ピエゾ抵抗器要素は、基板に印加される力に対する感度を提供するために基板１０２に形成される。例えば、こうした感度は、感知軸［１１０］に沿うもの又は別の感知軸に沿うものである。第１のピエゾ抵抗器１２４の出力端子１２６は、感知回路１２０の第１の入力１３６に結合され、第２のピエゾ抵抗器１３０の出力端子１３２は、感知回路１２０の第２の入力１３８に結合される。
図１Ｂの例において、ピエゾ抵抗器１２４は、端子１２６及び１２８間に可変抵抗（Ｒ＿ＳＥＮＳＥ）を提供するように構成される感知抵抗器である。例えば、抵抗Ｒ＿ＳＥＮＳＥは、軸１１０に沿って基板に印加される長手方向の力に応答して可変である。ピエゾ抵抗器１３０は、端子１３２及び１３４間に固定の抵抗（Ｒ＿ＲＥＦ）を提供するように構成される基準抵抗器である。感知回路１２０は、第１及び第２の入力信号（例えば、ＤＣ入力電圧）をそれぞれの端子１２８及び１３４に提供するように構成される。例えば、第１及び第２の入力信号は同じであってもよく（例えば、この場合、Ｒ＿ＳＥＮＳＥ＝Ｒ＿ＲＥＦ）、又は、第１及び第２の入力信号は異なってもよい（例えば、この場合、Ｒ＿ＳＥＮＳＥ≠Ｒ＿ＲＥＦ）。感知回路１２０の入力１３６及び１３８は、１２８及び１３４において提供される入力信号に基づいて、それぞれのピエゾ抵抗器１２４、１３０から出力信号を受け取る。感知回路１２０は、１３６及び１３８）において受け取られる信号間の差を表す感知信号を提供するように構成される。ピエゾ抵抗器１３０の抵抗Ｒ＿ＲＥＦが固定されたままであるので、感知信号は、基板１０２に印加される力に応答するピエゾ抵抗器１２４の抵抗の変化を表す。別の例として、Ｒ＿ＲＥＦは、Ｒ＿ＳＥＮＳＥと比較して異なる応力に依存する。そのため、感知信号（差）もまた、応力の変化を表す。本願で説明されるように、感知信号は、その後、感知信号によって測定される抵抗の変化に基づいて、応力成分（例えば、長手方向、法線、及びせん断成分）を判定するために（例えば、他の回路要素１２３によって）用いられ得る。
更なる例として、ピエゾ抵抗器１２４は、基板１０２の搭載表面に平行の横方向面に配置される。ピエゾ抵抗器１３０は、横方向面に垂直の方向にその感度軸を有して、基板１０２に形成される。また、それぞれの抵抗器を、実質的に同じドーピングを有するように形成することによって、基準ピエゾ抵抗器１３０は、関連する感知ピエゾ抵抗器１２４と同じ温度依存性を有するように構成され得る。この構成は、感知及び基準ピエゾ抵抗器１２４及び１３０が、同じ温度係数を有すること、及び、実質的に同じ方式で温度変化に反応することを保証することを助け、これにより、温度に関して測定される抵抗の変化の正確さが改善される。別の例において、異なるピエゾ抵抗器が直列に組み合わされ、この場合、各々が、Ｒ＿ＳＥＮＳＥの温度係数（ＴＣ）に類似する総ＴＣを実現するために異なるドーピング及び異なる材料を有し、同時に、異なる応力係数を有する。この例では、ＴＣは相殺するが、応力は相殺しない。さらに別の例において、Ｒ＿ＲＥＦは、シリコン内に同じドーピングを有するが、異なる方位（例えば、表面に平行ではなく垂直）を有する。
第２及び第３のピエゾ抵抗センサ１１２、１１６の各々は、それぞれの軸１１４及び１１８に沿って（印加される機械的力に応答して）抵抗を感知するために、センサ１０８と同様に構成され得る。また、第２及び第３のピエゾ抵抗センサ１１２、１１６の各々は、基板１０２に印加される力に応答してそれぞれのピエゾ抵抗センサ１１２、１１６の抵抗の変化を表す感知信号を生成するため、感知回路１２０のそれぞれのインスタンスに結合され得る。
図２Ａ及び図２Ｂは、異なる機械的応力に対する感度を示す単一ピエゾ抵抗器２００の例を示す。ピエゾ抵抗器２００は、ピエゾ抵抗センサ１０８、１１２、及び１１６を形成するために実装され得るピエゾ抵抗器（例えば、図１Ｂの可変ピエゾ抵抗器１２４）の有用な例である。図２Ａ及び図２Ｂの例において、ピエゾ抵抗器２００が受ける力は、（ｘ及びｙ方向の）長手方向及び横断（例えば、法線）応力としてのみ表される。例示の単一ピエゾ抵抗器２００は、Ｒ１～Ｒ５として示される抵抗器構成要素を含む。５つの抵抗器要素Ｒ１～Ｒ５は、互いに直列に結合される。本願で説明されるように、抵抗器Ｒ１～Ｒ５の各々は、長手方向に第１の感度及び横断方向に第２の感度を有し、抵抗器要素の各々の第１の感度は、結晶軸に関して向けられる感度の軸を備えて基板上に形成され、そのため、Ｒ１～Ｒ５の組み合わされた抵抗（例えば、図１ＢにおいてＲ＿ＳＥＮＳＥとして示される）は、応力の一方向、すなわち長手方向、に対してのみ感度がある。抵抗器Ｒ１～Ｒ４の各々は、縦軸に平行の感度軸を有するように基板に形成される。抵抗器Ｒ５は、縦軸に対して横断の（法線の）感度軸を有するように基板に形成される。このように、ピエゾ抵抗器２００は、基板の結晶軸に関して特定の方位を有する感知軸を備えて半導体基板に形成される単一方向（例えば、単軸）感知抵抗器である。
図２Ａ及び図２Ｂの例において、ピエゾ抵抗器２００は、（ｙ方向の）長手方向応力（σｌｏｎｇ）のみに応答する可変抵抗を提供する長手方向応力センサである。ピエゾ抵抗器２００は、横断応力（σｔｒａｎｓ）の影響を相殺するように内部に構成される。一例として、ピエゾ抵抗器２００の各抵抗器要素Ｒ１～Ｒ４は、およそ１％／１００ＭＰａである横断応力（σｔｒａｎｓ）に対する感度を有し、これは、Ｒ１～Ｒ４の組み合わせでは合計４％／１００ＭＰａとなる。ピエゾ抵抗器２００の抵抗器要素Ｒ５は、およそマイナス４％／１００ＭＰａである横断応力（σｔｒａｎｓ）に対する個別の感度を有する。例えば、下記の式は、０％／１００ＭＰａのｘ方向における横断（法線）応力（σｔｒａｎｓ）の総感度を示す。
Figure 0007705866000001
このように、ピエゾ抵抗器２００は、ｘ方向の横断応力に対して感度を有さない。
説明するように、ピエゾ抵抗器２００は、ｙ方向の長手方向応力（σｌｏｎｇ）に対して感度があるように構成される。Ｒ１～Ｒ４は、ｙ方向（例えば、長手方向感知軸）に沿って又はこれに平行に延在する方向にピエゾ抵抗器要素を介する電流の流れを提供するように基板に形成される。図２Ｂの例において、ピエゾ抵抗器２００は、長手方向に－３％／１００ＭＰａの純感度を有する。例えば、各抵抗器要素Ｒ１～Ｒ４は、ｙ方向の長手方向応力（σｌｏｎｇ）に対して約マイナス４％／１００ＭＰＡの個別の感度を有する。また、ピエゾ抵抗器２００の抵抗器要素Ｒ５は、およそプラス１％／１００ＭＰａである長手方向応力（σｌｏｎｇ）に対する個別の感度を有する。例えば、下記の式は、およそ－３％／１００ＭＰａのｙ方向の長手方向（法線）応力（σｌｏｎｇ）に対する総感度を示す。
Figure 0007705866000002
それゆえ、長手方向応力に対する例示のピエゾ抵抗器２００の全体の感度は、およそ－３％／１００ＭＰａである。
この例では、ピエゾ抵抗器２００がｙ方向法線応力センサであるようにｘ方向の応力を相殺するために、ｙ方向対ｘ方向における抵抗器構成要素の比は４：１である。しかし、この比は、結晶基板のタイプ、それぞれの抵抗器要素の寸法、ＩＣパッケージの搭載方位、応用例のタイプ等に基づいて変化し得る（例えば、１．５：１、２：１、３：１、５：１等）。また、他の例において、異なる数の抵抗器要素がピエゾ抵抗器２００を形成するために用いられ得る。
図３は、基板の結晶軸に平行又は垂直に印加される力などに起因して、垂直又は長手方向応力に応答するように構成されるピエゾ抵抗センサを有するＩＣのための応力感知回路３００の或る例である。回路３００は、第１及び第２のピエゾ抵抗器３０６、３０８のそれぞれの端子３０２及び３０４に結合される出力を有する電圧源３０１を含む。ピエゾ抵抗器３０６、３０８の各々は、電気接地に結合される別の端子を有する。増幅器（例えば、演算増幅器）３１０が、第１及び第２の入力３１２及び３１４と、出力３１６とを有する。第１の入力３１２は、ピエゾ抵抗器３０６の入力３０２に結合され、第２の入力３１４は、ピエゾ抵抗器３０８の入力３０４に結合される。ピエゾ抵抗器３０６、３０８は、図１のＩＣ１００におけるピエゾ抵抗センサ１０８及び１１２などを実装するために、ピエゾ抵抗センサを形成する。
一例として、電圧源３０１は、３２０及び３２２として示される定電流をピエゾ抵抗器３０６、３０８の各々に提供するＤＣ電圧（ＶＤＤ）を提供するように構成される。そのため、ピエゾ抵抗器３０６、３０８を介する電流は、各ピエゾ抵抗器３０６、３０８間に、その抵抗に基づいて変化する電圧を提供する。増幅器３１０は、入力３０２及び３０４の電圧の差を表す感知信号を出力３１６において提供するように構成される。例えば、ピエゾ抵抗器の一方３０８が、長手方向の応力に対して最高感度を有するように、図２Ａ及び図２Ｂに対して説明したように構成される。他方のピエゾ抵抗器３０６は、固定の抵抗を有する（応力依存性がない）。本願で説明されるように、ピエゾ抵抗器３０６、３０８の両方は、同じ温度依存性を有する。そのため、感知回路３００は、第１及び第２のピエゾ抵抗器３０６、３０８間の抵抗の差を表す感知信号（電圧信号）を出力する。或る例において、３１６における感知信号は、ピエゾ抵抗器３０６、３０８を含むピエゾ抵抗センサ３１８に印加される長手方向応力に比例する。
図４は、応力（σｌｏｎｇ）が０ＭＰａから１００ＭＰａまで増加するにつれての、ピエゾ抵抗器３０６、３０８の抵抗値の変化を示すグラフである。例えば、ピエゾ抵抗器３０６、３０８の抵抗の差は、応力が０ＭＰａから１００ＭＰａまで増加するにつれて、およそ－７％変化する。図４に示すように、この例では、抵抗の変化は、長手方向応力に直線的に反比例している。また、他の例において、抵抗の変化は、長手方向及び横断応力係数の符号（図２Ｂを参照）に基づいて正比例し得、これは、材料のタイプ、ドーピングのタイプ等に依存する。上述したように、感知回路３００は、長手方向応力に応答する抵抗の変化に比例する電圧を出力する。
図５は、基板の結晶軸に平行に印加される機械的力の成分に起因するせん断応力（σｓｈｅａｒ）に応答するように構成されるピエゾ抵抗センサ５０２を有するＩＣのための別の応力感知回路５００の例である。回路５００は、ピエゾ抵抗センサ５０２におけるそれぞれの抵抗器要素（例えば、ドープされたシリコン抵抗器）の方位を除いて、回路３００と同じである。回路５００は感知回路要素５０４を含み、感知回路要素５０４は、ピエゾ抵抗センサ５０２の第１及び第２のピエゾ抵抗器５１２、５１４のそれぞれの端子５０８及び５１０に結合される出力を有する電圧源５０６を含む。ピエゾ抵抗器５１２、５１４の各々は、電気接地に結合される別の端子を有する。増幅器５１６が、それぞれの入力５０８及び５１０に結合される第１及び第２の入力５１８及び５２０を有する。また、増幅器５１６は出力５２２を含む。
図３に関して説明したものと同様に、電圧源５０６は、５２４及び５２６として示される定電流をピエゾ抵抗器５１２、５１４の各々に提供するＤＣ電圧（ＶＤＤ）を提供するように構成される。そのため、ピエゾ抵抗器５１２、５１４を介する電流は、各ピエゾ抵抗器５１２、５１４間に、その抵抗に比例して変化する電圧を生じさせる。図３の例とは異なり、ピエゾ抵抗器５１２及び５１４の各々は、せん断応力に対して最高感度を備えて基板に形成される。例えば、ピエゾ抵抗器５１２は、結晶軸に関しておよそ－４５度に向けられる最高感度の軸を有し、ピエゾ抵抗器５１４は、結晶軸に関しておよそ＋４５度に向けられる最高感度の軸を有する。このように、この例では、ピエゾ抵抗器５１２及び５１４は、最高感度の直交軸によって（９０度離れて）向けられる。
増幅器５１６は、ピエゾ抵抗器５１２、５１４間の抵抗の変化を表す感知信号を出力５２２において提供するように構成される。このように、感知回路５０４の増幅器５１６は、第１及び第２のピエゾ抵抗器５１２、５１４間の抵抗の差を表す感知信号（電圧信号）を出力する。或る例において、５２２における感知信号は、ピエゾ抵抗センサ５０２を実装するＩＣの基板に印加されるせん断応力に比例する。
図６は、応力（σｓｈｅａｒ）が０ＭＰａから１１０ＭＰａまで増加するにつれての、ピエゾ抵抗器５１２、５１４の抵抗値の変化を示すグラフである。例えば、ピエゾ抵抗器５１２、５１４の抵抗の差は、応力が０ＭＰａから１００ＭＰａまで増加するにつれて、およそ－Ｘ変化する。図６に示すように、この例では、抵抗の変化は、せん断応力に直線的に反比例している。また、他の例において、抵抗の変化は、長手方向及び横断応力係数の符号（図２Ｂを参照）に基づいて正比例し得、これは、材料のタイプ、ドーピングのタイプ等に依存する。上述したように、感知回路５００は、せん断応力に応答する抵抗の変化に比例する電圧を出力する。
図７及び図８は、それぞれの応力感知システムを提供するためにＩＣ１００を用いて実装され得るＳｏＣ７００、８００の例を示す。ＳｏＣは、（一つ又は複数の方向の）法線応力及びせん断応力を含め、構造の機械的応力を測定するために、機械的構造に結合されるように適合される。本願で説明されるように、ＩＣは、基板表面上又は基板表面内に形成されるピエゾ抵抗センサ（例えば、センサ１０８、１１２、１１６）と統合された基板１０２を含む。ピエゾ抵抗センサは、ＩＣ１００に印加される力に応答して抵抗を変化させるように構成される。また、ＩＣ１００は、応力成分（例えば、法線及び／又はせん断応力）を表す（例えば、これに比例する）抵抗の変化を測定するように構成される回路要素（例えば、感知回路１２０）を含む。別の例において、ＳｏＣ７００、８００は、本願で説明されるようなそれぞれの機能を実施するように構成される（ＩＣ１００の一つ又は複数の例を含む）複数のＩＣを含むマルチチップモジュール（ＭＣＭ）として実装される。
図７の例において、ＳｏＣ７００は、ＩＣ１００に結合される他の構成要素及び／又は回路要素７０２を含む。ＳｏＣ７００は、その内部に搭載されるＩＣ１００及び構成要素／回路要素７０２を封入するパッケージング材料（例えば、エポキシモールディング化合物、磁気モールディング化合物、ポリイミド、金属、プラスチック、ガラス、セラミック等）７０４を含む。他の構成要素及び／又は回路要素７０２には、インダクタ、コンデンサ、アンテナ、Ａ／Ｄコンバータ、マイクロコントローラなどが含まれ得る。他の構成要素及び／又は回路要素７０２は、基板１０２及びＩＣの一部に統合されるか、或いは、相互接続（例えば、はんだバンプ）７０８を介して基板１０２の搭載表面７０６に搭載される。図７の例において、アンテナ７１０が、基板１０２の搭載表面７０６に搭載されるものとして示されている。代替として、アンテナ７１０は、外部アンテナであり得る。例えば、ＳｏＣ７００は、そのような外部（又は他の外部構成要素）を基板１０２に結合するように構成される一つ又は複数のピン７１２を含み得る。このように、他の構成要素／回路要素は、パッケージ７００の内側にあり得、或いは、外側で、内部回路要素及び／又は構成要素に結合されるピンのセットを介して接続され得る。ピン７１２は、外部構成要素への及び外部構成要素からの通信（例えば、信号読み出し、アナログ／デジタル信号、感知信号等）を提供し得る。ＳｏＣ７００は、機械的構造７１８のそれぞれの表面７１６にＳｏＣ７００を取り付けるため、ＩＣのコンタクト表面（搭載表面７０６の反対の表面）に取り付けられるカップリング層（例えば、リードフレームなどを含む金属層）７１４を含み得る。代替として、カップリング層７１４は省かれ得、基板１０２のコンタクト表面は、機械的構造７１８の処理された表面７１６に直接搭載される。
図８は、上述したようなモノリシック単結晶基板１０２を有するＩＣ１００を含むＳｏＣ８００の別の例である。ＳｏＣ８００は、図７のＳｏＣ７００の類似する構成要素を含む。そのため、図８の記載も図７を参照する。また、ＳｏＣ８００は、相互接続７０８を介して基板１０２の搭載表面７０６上に搭載されるインターポーザ層（例えば、印刷回路基板（ＰＣＢ））８０２を含む。他の構成要素／回路要素７０２及びアンテナ７１０は、インターポーザ（ＰＣＢ）８０２に搭載され、及び、インターポーザ８０２に形成される相互接続を介して基板１０２に結合される。別の例において、他の構成要素／回路要素７０２及びアンテナ７１０は、インターポーザ８０２と共に、一つのパッケージに統合される、それ自体の機能を備える付加的なＰＣＢ基板であり得る。
更なる例として、図９～図１３は、ＳｏＣ９００のための例示の搭載方位を図示する。ＳｏＣ９００は、ＳｏＣ７００、８００によって実装され得、上述したようなＩＣ１００を含む。図９は、機械的構造（例えば、シャフト、ビーム、フェザーキーなど）９０２の表面に搭載されるＳｏＣ９００を図示する。或る例において、二つ以上のＳｏＣが、機械的構造９０２に搭載されてもよい。代替として、本願で説明されるように、ＩＣ１００自体が、ＳｏＣとして用いられ得、機械的構造９０２に直接搭載され得る。ＳｏＣ又はＩＣは、接着剤、クランプ、金属継手、フェザーキーを介して、機械的構造９０２に結合され得る。
図１０～図１３は、本願で説明されるような、機械的構造の機械的応力を測定するために機械的構造に結合されるときのピエゾ抵抗センサの配置を有する例示のＳｏＣ９００（又はＩＣ１００）の方位を図示する。図１０～図１３の例において、ＩＣ１００上に実装されるピエゾ抵抗センサは、各々、半導体基板１０２の結晶軸に関してそれぞれの方位を有する感知軸を有する。別の例において、ピエゾ抵抗センサの配置は、ピエゾ抵抗センサのそれぞれの感知軸が、異なるそれぞれの結晶面においてカットされた（例えば、［１００］、［１１０］、［１１１］又は他の結晶面においてカットされた）ウエハの結晶軸に関して向けられるように、ＩＣ１００上に実装され得る。このように、基板の結晶軸の方位に従って、ＩＣ１００及びＳｏＣ９００は、それぞれのピエゾ抵抗センサの最高感度軸を、機械的構造９０２上で測定されるべき力成分と整合させるための方位で機械的構造に結合され得る。例えば、法線及びせん断ピエゾ抵抗センサの各々は、機械的構造に印加される又は機械的構造が受ける長手方向、法線、及びせん断力を測定するように整合される。整合された印が、（例えば、基板１０２の結晶軸に平行の）長手方向感知の方向などを示すために、ＩＣ１００又はＳｏＣに印刷され得る。別の例において、ＳｏＣ９００は、本願で説明されるように、それぞれの機能を実施するように構成される（ＩＣ１００の一つ又は複数の例を含む）複数のＩＣを含むＭＣＭとして実装される。
図１０及び図１１は、機械的構造１００２の表面に結合される例示のＩＣ（又はＳｏＣ）１０００を図示する。図１０及び図１１の例において、ＩＣ１０００は、１０１０で示される、ＩＣを介して延在する結晶軸を有する［１００］半導体基板上に形成されるピエゾ抵抗センサ１００４、１００６、及び１００８を含む。例えば、ピエゾ抵抗センサ１００４、１００６、及び１００８は、ピエゾ抵抗センサ１０８、１１２、１１６によって実装され得、これらは各々、本願で説明されるようにピエゾ抵抗器のそれぞれのペアを含む。
図１０は、それぞれ、ｘ方向及びｙ方向にそれぞれの長手方向感知軸１０１２及び１０１４を有する法線ピエゾ抵抗センサ１００４及び１００６の方位を示す。例えば、（可変抵抗Ｒ０°を有する）ピエゾ抵抗センサ１００４は、軸１０１０に平行のｘ方向に対して平行に向けられる長手方向感知軸を有するｘ方向法線応力センサである。他方の（可変抵抗Ｒ９０°を有する）法線ピエゾ抵抗センサ１００６は、軸１０１０に垂直のｙ方向に対して平行に向けられる長手方向感知軸を有するｙ法線応力センサである。
図１１は、Ｒ４５°、Ｒ－４５°として示される二つのピエゾ抵抗器を含むものとしてピエゾ抵抗センサ１００８を別個に示す。ピエゾ抵抗センサ１００８は、軸１０１０に対して平行でも垂直でもなく向けられる感知軸１０１６を有するせん断応力センサである。或る例において、ピエゾ抵抗センサ１００８は、Ｒ４５°、Ｒ－４５°として示されるピエゾ抵抗器を含み、これらは、ＩＣ１０００の基板の（ｘ方向の）軸１０１０に関しておよそ＋４５°及び－４５°に向けられる。
図１０及び図１１の例において、ＩＣ１０００の基板の軸１０１０は、機械的構造１００２の縦軸１０１８に平行である。それゆえ、ピエゾ抵抗器１００４の感知軸１０１２は、機械的構造１００２の縦軸１０１８に平行であり、ピエゾ抵抗器１００６の感知軸１０１４は、機械的構造１００２の縦軸１０１８と垂直である。また、ピエゾ抵抗センサ１００８の感知軸１０１６は、機械的構造１００２の縦軸１０１８に関して±４５°に向けられる。機械的構造１００２の縦軸１０１８に対して、それぞれ、平行及び垂直の感知軸１０１２、１０１４を有するピエゾ抵抗器１００４、１００６は、機械的構造の表面に沿って法線力を測定するように構成される。ピエゾ抵抗センサ１００８は、機械的構造の表面に沿ってせん断力を測定するように構成される。
図１２及び図１３は、機械的構造１２０２の表面に結合される例示のＩＣ（又はＳｏＣ）１２００を図示する。図１２及び図１３の例において、ＩＣ１２００は、１２１０として示される、ＩＣ１２００を介して延在する［１００］結晶軸を有する［１１０］半導体基板上に形成されるピエゾ抵抗センサ１２０４、１２０６、及び１２０８を含む。例えば、ピエゾ抵抗センサ１２０４、１２０６、及び１２０８は、ピエゾ抵抗センサ１０８、１１２、１１６によって実装され得、これらは各々、本願で説明されるようにピエゾ抵抗器のそれぞれのペアを含む。
図１２は、示されるように、基板方位（基板軸）１２１０からおよそ４５°オフセットされるそれぞれの長手方向感知軸１２１２及び１２１４を有する法線ピエゾ抵抗センサ１２０４及び１２０６の方位を示す。例えば、（可変抵抗Ｒ－４５°を有する）ピエゾ抵抗センサ１２０４は、基板方位に関して－４５°に向けられ、基板の［１００］に沿い、軸１２１０に平行の長手方向感知軸１２１２を有する。このように、ピエゾ抵抗センサ１２０４は、機械的構造１２０２の軸１２１８に平行である方向の応力を感知するように構成される。他方の（可変抵抗Ｒ４５°を有する）法線ピエゾ抵抗センサ１２０６は、結晶軸に関して＋４５°に向けられ、結晶の［０１０］に沿い、軸１２１０に垂直の長手方向感知軸１２１４を有するｙ法線応力センサである。このように、ピエゾ抵抗センサ１２０６は、機械的構造の軸１２１８に垂直である方向の法線応力を感知するように構成される。
図１３は、Ｒ９０°、Ｒ０°として示される二つのピエゾ抵抗器を含むものとしてピエゾ抵抗センサ１２０８を別個に示す。ピエゾ抵抗センサ１２０８は、基板方位に対して平行及び垂直であり、軸１２１０に対して＋／－４５°に向けられる抵抗器を有するせん断応力センサである。或る例において、ピエゾ抵抗センサ１２０８は、Ｒ０°、Ｒ９０°として示されるピエゾ抵抗器を含み、これらは、軸１２１０に関しておよそ４５°及び－４５°に、すなわち、ＩＣ１２００の基板の［１１０］及び［－１１０］に沿って向けられる。
図１２及び図１３の例において、センサ１２０４、１２０６のための基板の軸１２１０は、示されるように、（図１０及び図１１と比較して）ＩＣ１２００を４５°回転させることによって、機械的構造１２０２の縦軸１２１８に平行に整合される。ＩＣ１２００の回転の結果、ピエゾ抵抗器１２０４の感知軸１２１２は、機械的構造１２０２の縦軸１２１８に平行となり、ピエゾ抵抗器１２０６の感知軸１２１４は、機械的構造１２０２の縦軸１２１８と垂直となる。また、ピエゾ抵抗センサ１２０８の感知軸１２１６が、機械的構造１２０２の縦軸１２１８に関して±４５°に向けられる。このように、ピエゾ抵抗器１２０４、１２０６は、機械的構造の表面に沿って法線力を測定するように構成される。ピエゾ抵抗センサ１２０８は、機械的構造１２０２の表面に沿ってせん断力を測定するように構成される。
図１４～図１８は、ＳｏＣ１４００のための別の例示の搭載方位を図示する。ＳｏＣ１４００は、各々がＩＣ１００を含む、上述したような図７及び８の例示のＳｏＣ７００、８００に従って実装され得る。図１４は、機械的構造１４０４（例えば、シャフト、ビームなど）の表面に垂直の切り欠き又はスリット１４０２に搭載されるＳｏＣ１４００を図示する。別の例において、ＳｏＣ１４００は、キー溝又は窪みに搭載され得るキャリア材料の側壁上（例えばフェザーキー構造の側部上）に搭載される。
図１４～図１８は、長手方向、法線、及びせん断機械的力を測定するための、機械的構造に対するＳｏＣ及びそれぞれのピエゾ抵抗センサの方位を図示する。本願で説明されるように、ＩＣ１００上に実装されるピエゾ抵抗センサは、各々、半導体基板１０２の結晶軸に関してそれぞれの方位を有する感知軸を有する。そのため、基板の結晶軸の方位に従って、ＩＣ１００及びＳｏＣ１４００は、それぞれのピエゾ抵抗センサの最高感度軸を、機械的構造１４０４上の測定されるべき力成分と整合させるための方位で、機械的構造１４０４に結合され得る。例えば、法線及びせん断ピエゾ抵抗センサの各々が、機械的構造１４０４に印加される又は機械的構造１４０４が受ける長手方向、法線、及びせん断力を測定するように整合される。整合された印が、長手方向感知の（例えば、基板１０２結晶軸に平行の）方向などを示すように、ＩＣ１００又はＳｏＣに印刷され得る。或る例において、図１４～図１８のＳｏＣは、例えば本願で説明されるようにそれぞれの機能を実施するように構成される（一つ又は複数の歪み感知ＩＣを含む）複数のＩＣを含むＭＣＭとして実装される。
図１５及び図１６は、機械的構造１５０２のスロット１５０１において結合される例示のＩＣ（又はＳｏＣ）１５００を図示する。ＩＣ１５００は、１５１０で示される、ＳｏＣを介して延在する結晶軸を有する［１００］半導体基板上に形成されるピエゾ抵抗センサ１５０４、１５０６、及び１５０８を含む。例えば、ピエゾ抵抗センサ１５０４、１５０６、及び１５０８は、ピエゾ抵抗センサ１０８、１１２、１１６によって実装され得、これらは各々、本願で説明されるように、ピエゾ抵抗器のそれぞれのペアを含む。
図１５は、それぞれ、ｘ方向及びｙ方向にそれぞれの長手方向感知軸１５１２及び１５１４を有する法線ピエゾ抵抗センサ１５０４及び１５０６の方位を示す。例えば、（可変抵抗Ｒ０°を有する）ピエゾ抵抗センサ１５０４は、軸１５１０に平行のｘ方向に対して平行に向けられる長手方向感知軸を有するｘ法線応力センサである。他方の（可変抵抗Ｒ９０°有する）法線ピエゾ抵抗センサ１５０６は、軸１５１０に垂直のｙ方向に対して平行に向けられる長手方向感知軸を有するｙ法線応力センサである。
図１６は、Ｒ４５°、Ｒ－４５°として示される二つのピエゾ抵抗器を含むものとしてピエゾ抵抗センサ１５０８を別個に示す。ピエゾ抵抗センサ１５０８は、軸１５１０に対して平行でも垂直でもなく向けられる感知軸１５１６を有するせん断応力センサである。或る例において、ピエゾ抵抗センサ１５０８は、ＩＣ１５００の基板の（ｘ方向の）軸１５１０に関しておよそ＋４５°及び－４５°に向けられる、Ｒ４５°、Ｒ－４５°として示されるピエゾ抵抗器を含む。
図１５及び図１６の例において、ＩＣ１５００の基板の軸１５１０は、機械的構造１５０２の縦軸１５１８に平行である。そのため、ピエゾ抵抗器１５０４の感知軸１５１２は、機械的構造１５０２の縦軸１５１８に平行であり、ピエゾ抵抗器１５０６の感知軸１５１４は、機械的構造１５０２の縦軸１５１８と垂直である。また、ピエゾ抵抗センサ１５０８の感知軸１５１６は、機械的構造１５０２の縦軸１５１８に関して±４５°に向けられる。このように、ピエゾ抵抗器１５０４、１５０６は、法線力を測定するように構成され、ピエゾ抵抗センサ１５０８は、基板内の機械的構造に沿ってせん断力を測定するように構成される。これが、それぞれ、機械的構造のトルク及び曲げを測定することにつながる。
図１７及び図１８は、機械的構造１７０２のスロット１７０１において結合される例示のＩＣ（ＳｏＣ）１７００を図示する。図１７及び１８の例において、ＩＣ１７００は、１７１０で示される、ＩＣ１７００を介して延在する結晶軸を有する［１１０］半導体基板上に形成されるピエゾ抵抗センサ１７０４、１７０６、及び１７０８を含む。例えば、ピエゾ抵抗センサ１７０４、１７０６、及び１７０８は、ピエゾ抵抗センサ１０８、１１２、１１６によって実装され得、これらは各々、本願で説明されるように、ピエゾ抵抗器のそれぞれのペアを含む。
図１７は、示されるように、基板方位１７１０からおよそ４５°オフセットされるそれぞれの長手方向感知軸１７１２及び１７１４を有する法線ピエゾ抵抗センサ１７０４及び１７０６の方位を示す。例えば、（可変抵抗Ｒ－４５°を有する）ピエゾ抵抗センサ１７０４が、結晶の［１００］に沿っており、軸１７１０に平行である基板方位に関して－４５°に向けられる長手方向感知軸１７１２を有する。そのため、ピエゾ抵抗センサ１７０４は、機械的構造１７０２におけるトルク及び／又は曲げを表す、基板における法線応力を感知するように構成される。他方の（可変抵抗Ｒ４５°を有する）法線ピエゾ抵抗センサ１７０６は、（結晶の［０１０］に沿っており）軸１７１０に垂直である基板方位に関して＋４５°に向けられる長手方向感知軸１７１４を有するｙ法線応力センサである。このように、ピエゾ抵抗センサ１７０６は、機械的構造１７０２の軸１７１８に垂直である方向の法線応力を感知するように構成される。
図１８は、Ｒ９０°、Ｒ０°として示される二つのピエゾ抵抗器を含むものとしてピエゾ抵抗センサ１７０８を別個に示す。ピエゾ抵抗センサ１７０８は、基板方位に対して平行及び垂直であり、軸１７１０に対して＋／－４５°に向けられる抵抗器を有するせん断応力センサである。或る例において、ピエゾ抵抗センサ１７０８は、基板方位に関しておよそ９０°及び０°、並びに、軸１７１０に関して＋／－４５°、すなわちＩＣ１７００の基板の［０１０］及び［１００］に沿って向けられる、Ｒ０°、Ｒ９０°として示されるピエゾ抵抗器を含む。
図１７及び図１８の例において、ＩＣ１７００の基板上の結晶軸１７１０は、示されるように（図１５及び１６と比較して）ＩＣ１７００を４５°回転させることによって、機械的構造１７０２の縦軸１７１８に平行に整合される。ＩＣ１７００の回転の結果、ピエゾ抵抗器１７０４の感知軸１７１２は機械的構造１７０２の縦軸１７１８に平行となり、ピエゾ抵抗器１７０６の感知軸１７１４は、機械的構造１７０２の縦軸１７１８と垂直となる。また、ピエゾ抵抗センサ１７０８の感知軸１７１６は、機械的構造１７０２の縦軸１７１８に関して±４５°に向けられる。このようにピエゾ抵抗器１７０４、１７０６は、法線力を測定するように構成され、ピエゾ抵抗センサ１７０８は、機械的構造１７０２に沿ってせん断力を測定するように構成される。
図１９は、ＩＣ１９０２を含む例示の応力感知システム１９００を図示する。或る例において、ＩＣ１９０２は、基板と、センサ１０８、１１２、１１６など又はその他の方式で本願で説明される、ピエゾ抵抗センサの配置とを含む。ＩＣ１９０２は、垂直感知軸に沿った法線応力及びせん断応力を含め、複数の方向に沿って応力を測定するように構成され得る。それゆえ、応力感知システム１９００はトルクセンサシステムと呼ばれ得る。
図１９の例において、トルクセンサシステム１９００は、相互接続（例えば、はんだボール）１９０８を介してＩＣ１９０２の搭載表面１９０６に結合される印刷回路基板（ＰＣＢ）１９０４を含む。トルクセンサシステム１９００は、ＩＣ１９０２のコンタクト表面１９１２に結合されるカップリング（金属）層１９１０を含み得、カップリング層１９１０は、機械的構造に結合されるように適合される。代替として、コンタクト表面１９１２は、接着剤、クランプ、金属継手、シャチ継手などによって機械的構造に直接取り付けるように適合され得る。通信デバイス（例えば、トランスポンダーコイル）１９１４が、ＰＣＢ１９０４の反対側に取り付けられ、ＩＣ１９０２と外部電子回路要素との間で電力及びデータを伝送するために、ワイヤレスインターフェースを提供するように構成される。また、システム１９００は、ＰＣＢ１９０４の反対側に取り付けられるマイクロコントローラ（例えば、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ、ＦＰＧＡなどの一つ又は複数）１９１６を含み得る。例えば、マイクロコントローラは、（ピエゾ抵抗センサからの）抵抗の測定された変化を、それぞれの応力及び／又はトルク測定値に変換するための読み出し回路として機能するように構成される。さらにまた、マイクロコントローラ１９１６は、例えば、付加的な温度補償を実装するため、又は、システム１９００が結合される機械的構造の状況を判定するために、ＩＣからの信号を処理し得る。また、マイクロコントローラ１９１６は、例えば、有線を介して又はワイヤレス通信プロトコル（例えば、ＮＦＣ、ＺｉｇＢｅｅ、ブルートゥース等）を介してＩＣ１９０２及び外部回路要素間でセンサデータなどを通信するように、通信デバイス１９１４を制御し得る。
図２０及び図２１は、機械的構造２０００に結合される図１９のトルクセンサシステム１９００の例示の応用例を図示する。機械的構造２０００は、一方の端部に固定の支持２００２、及び反対の端部に可撓性の支持２００４を含む。或る代替の例において、機械的構造２０００の両端が固定される。金属ビームカンチレバー２００６が、固定の支持２００２に固定される固定の端部２００８と、可撓性の支持２００４に配置される可動端部２０１０とを有する。代替として、金属ビーム２００６は、機械的構造２０００の側部表面に沿って固定され得る。トルクセンサシステム１９００は、本願で説明されるように、カップリング層１９１０を介して金属ビームカンチレバー２００６の表面に結合される。ＩＣ１９０２は、カンチレバー２００６の固定の端部２００２の近傍のカンチレバー表面上に置かれる。或る例において、法線力ＮＦが機械的構造２０００に印加されるとき、金属ビームカンチレバー２００６の可動端部２０１０が図２１に示すように偏向される。この偏向が金属ビームカンチレバー２００６を曲げ、それにより、この曲げに応答して、トルクセンサシステム１９００のＩＣ１９０２のコンタクト表面上に応力が与えられる。上述したように、応力は、トルクセンサシステム１９００のＩＣ１９０２上に実装されるピエゾ抵抗器の抵抗の変化を測定することによって判定され得る。
図２２、図２３、及び図２４は、別の機械的構造２２００に結合される図１９のトルクセンサシステム１９００の別の例示の応用例を図示する。図２２及び図２３に示すように、トルクセンサシステム１９００は、機械的構造２２００の切り欠きエリア２２０２に搭載され、それぞれの感知軸（例えば、図１４～図１８を参照）に沿って応力を検出するために向けられる。機械的構造２２００は、可動シャフト２２０４と、一方の端部の固定された支持２２０６と、反対の端部の可撓性の支持２２０８とを含む。金属ビームカンチレバー２２１０が、固定の支持２２０６に固定される固定の端部２２１２と、シャフト２２０４に印加されるトルクに応答して移動可能な可撓性の支持２２０８に配置される別の端部２２１４とを有する。トルクセンサシステム１９００は、カップリング層１９１０を介して金属ビームカンチレバー２２１０に結合される。図２３に示すように、トルク力ＴＦ（図２３を参照）が機械的構造２２００に印加されるとき、トルク力はシャフト２２０４をその縦軸を中心にねじる。シャフト２２０４の半径方向に沿って延在するようにセンサトルクシステム１９００を設置すると（例えば、図１４を参照）、トルクは、図２０及び図２１の例における金属ビームカンチレバーに対する応力に類似するそれぞれの応力成分に変換される。例えば、トルク力ＴＦに応答して、金属ビームカンチレバー２２１０の端部２２１４が撓み、これが金属ビームカンチレバー２２１６を曲げて、それにより、カンチレバーに結合されたＩＣ基板の表面上に応力が加わる。上述したように、応力は、トルクセンサシステム１９００におけるＩＣ１９０２上に実装されるピエゾ抵抗器の抵抗の変化を測定することによって判定され得る。
図２４は、トルクセンサシステム１９００及び外部システム間のワイヤレス通信の例を図示する。例えば、トランスミッタコイル（例えば、アンテナ）２２１６が、可動シャフト２２０４のハウジング２２１８の周りに巻かれる。そのため、ハウジング２２１８は、可動シャフト２２０４と比較して、可動シャフト２２０４に印加される力に対して静止したままである。電界２２２０が、通信デバイス（例えば、トランスポンダーコイル）１９１４によって生成され、電界２２２０がデータ信号２２２２をトランスミッタコイル２２１６に伝送し、トランスミッタコイル２２１６は外部読取りシステムに通信する。また、外部回路要素が、通信デバイス１９１４によって受信される、トランスミッタコイル２２１６に提供され得るワイヤレス電力信号を提供するように構成され得る。受信された電力信号は、それを、ＰＣＢ１９０４上に実装されるバッテリー（又は他のエネルギー蓄積要素）に蓄積するための電気エネルギーに変換することなどによって収集され得る。代替として、通信デバイス（例えば、トランスポンダーコイル）１９１４は、可動シャフト２２０４の周りに巻かれ得、トランスミッタコイル２２１６は、シャフトハウジング２２１８上に置かれ得る。さらに別の構成において、通信デバイス（例えば、トランスポンダーコイル）１９１４は、可動シャフト２２０４の周りに巻かれ得、トランスミッタコイル２２１６は、シャフトハウジング２２１８の周りに巻かれ得る。また、ワイヤレス通信システムは、複数のアンテナ（例えば、シャフトハウジング上のシャフト軸に対して９０°の方位に静止して置かれる４つのトランスミッタアンテナと、シャフト上で自由に回転する一つのトランスポンダーアンテナ、又は逆の場合も同様）を含み得る。さらにまた、ハウジング内部のシャフト上に置かれる複数のトランスミッタ及びトランスポンダーアンテナが在ってもよい。アンテナは、シャフト或いはシャフトハウジングの周りに完全に巻かれる必要はない。
図２５及び図２６は、本願で説明されるＩＣ１００などのＩＣを含む別の例示のトルクセンサシステム２５００を図示する。トルクセンサシステム２５００は、センサエリア２５０４を有する基板２５０２を含み、センサエリア２５０４は、本願で説明されるようなピエゾ抵抗センサの配置を含む。図２５及び図２６の例において、基板２５０２（例えば、モノリシック単結晶基板）は、機械的構造においてキャリア（すなわち、上記の例における金属ビーム）として機能する。また、システム２５００は、相互接続（例えば、はんだボール）２５１０を介して基板２５０２の搭載表面２５０８に取り付けられる印刷回路基板（ＰＣＢ）２５０６を含み得る。基板２５０２の表面に対してＰＣＢ２５０６の均一の高さを保つために、ポリマーピラー２５１２が、ＰＣＢ２５０６と基板２５０２との間に提供される。カップリング層（例えば、リードフレーム）２５１４が、基板２５０２のコンタクト表面２５１６に取り付けられる。カップリング層２５１４は、基板２５０２を機械的構造に結合する。図２５及び図２６の例において、通信デバイス（例えば、トランスポンダー／電力コイル）２５１８がＰＣＢ２５０６の反対側に結合され、システム２５００と外部回路要素との間で電力及び／又はデータを伝送するためのインターフェースを提供する。また、マイクロコントローラ２５２０が、ＰＣＢ２５０６の反対側に結合され得る。説明されるように、マイクロコントローラは、読み出し回路として機能するように、さらに感知信号を処理するように、及び／又は、ワイヤレスプロトコルを介するシステム２５００と外部回路要素と間の通信を制御し得るように構成され得る。別の例において、ＰＣＢ２５０６に結合される回路要素のいくつか又は全てがＩＣにおいて実装され得、又はＳｏＣにおけるＩＣにその他の方式で結合され得る。
図２７は、機械的構造２７００に結合される図２５のトルクセンサシステム２５００の例示の応用例を図示する。機械的構造２７００はハウジング２７０２を含む。ハウジング２７０２は、ハウジング２７０２の一方の端部に固定の支持２７０６を含み、固定の支持２７０６は、カップリング層２５１４と基板２５０２の一方の端部とを固定する。また、ハウジング２７０２は、ハウジング２７０２の反対の端部に非固定の支持２７０８を含む。カップリング層２５１４と基板２５０２の反対の端部とが、非固定の支持２７０８内に配置される。非固定の支持２７０８は、基板２５０２の平面に垂直の方向ではなく、推力方向ＴＤの、キャリア（すなわち、基板２５０２）の移動を可能にする。このように、トルクセンサ２５００は、推力方向に基板２５０２を変位させる任意の力に応答して応力を測定するように構成され得る。
図２８は、例示の基準ピエゾ抵抗器２８００の断面図である。ピエゾ抵抗器２８００は、図１Ｂに示される基準ピエゾ抵抗器１３０の有用な例である。ピエゾ抵抗器２８００は、半導体基板を形成するために用いられるドーパントのタイプに応じて、ｎ型抵抗器、又は代替としてｐ型抵抗器であり得る。ディープウェル２８０１が、反対の導電型のドーパントで、ドープされた基板２８０２内に注入される。基板２８０２は、エピタキシャル層（特に図示せず）を含み得る。ディープウェル２８０１は、埋め込み層を形成しており、電流の流れを促進し低抵抗を示すように高度にドープされる。トレンチ２８０４が、ディープウェル２８０１の両端部に接する、側壁をドープしたディープトレンチであり、水平の電流の流れのために高度にドープされ、垂直の電流の流れのために低くドープされる。これにより、トレンチ２８０４が、横方向の電流の流れのための第１のピエゾ抵抗係数と、垂直方向の電流の流れのための、第２の一層高いピエゾ抵抗係数とを有するようになる。
図２８をさらに参照すると、ウェル２８０６がトレンチ２８０４に接するように基板２８０２の表面内に注入され、その後、第２の反対の導電性を有するウェル２８０８の注入が続く。その後、誘電体層２８１０が、基板２８０２の表面を覆うように形成される。第１の導電型（例えば、Ｎ型）を有するコンタクト２８１２が、ウェル２８０６（例えば、Ｎウェル）に注入され、第２の反対の導電性（例えば、Ｐ型）を有するコンタクト２８１４が、第２の導電性を有するウェル２８０８に注入される。中間誘電体層２８１６が誘電体層２８１０の上に堆積され、ビア２８１８が、中間誘電体層２８１６を介して、コンタクト２８１２及びコンタクト２８１４まで形成される。メタライゼーション層２８２０がビア２８１８の上に形成される。動作の間、図２８に示すように、電流２８２２が、一方のウェル２８０６から、トレンチ２８０４及びディープウェル２８０１を介して及び他方のウェル２８０６を介して上方に流れる。
図２９は、例示の感知ピエゾ抵抗器２９００の断面図である。ピエゾ抵抗器２９００は、図１Ｂに示される感知ピエゾ抵抗器１２４の抵抗器要素の有用な例である。例えば、一つ又は複数の感知ピエゾ抵抗器２９００が、感知ピエゾ抵抗器１２４を実装するために用いられ得、ピエゾ抵抗センサを形成するためにピエゾ抵抗器２８００と組み合わされ得る。
図２９の例において、感知ピエゾ抵抗器２９００は、基板２８０１上（例えば、ピエゾ抵抗器２８００と同じ基板上）に形成される。感知ピエゾ抵抗器２９００は、基板の頂部表面上にＰ型又はＮ型拡散抵抗器として形成され得、或る特定の結晶軸に向けられ得る（例えば、［１００］、［０１０］、又は［１１０］に沿って向けられ得る）。埋め込み層２９０４が、基板２８０１上又は基板２８０１内に形成される。例えば、埋め込み層２９０４は、第１の導電型のドーパント（例えば、Ｎ型又はＰ型ドーパント）を注入することによって形成される。エピタキシャル層２９０６が、埋め込み層２９０４の上に形成される。別の埋め込み層２９０８が、エピタキシャル層２９０６内に形成される。例えば、埋め込み層２９０８は、埋め込み層２９０４とは反対の導電型を有するドーパントを注入することによって形成される。ドープされたウェル領域２９１０が、そこに形成される埋め込み層２９０８と同じ導電型を有するドーパントなどを注入することによって、埋め込み層２９０８内に形成される。付加的なドープされたウェル領域２９１２が、ウェル領域２９１０の反対側に形成される。このウェル領域は、ウェル領域２９１０とは反対の導電性を有するドーパントを注入することによって形成され、そのため、それぞれのウェル領域２９１２及び２９１０間にそれぞれの接合を形成する。例えば、Ｎ型ピエゾ抵抗器が、ウェル２９１２を形成するためにＮ型ドーパントを及びウェル２９１０のためにＰ型ドーパントを注入することによって形成され得る。
シャロートレンチアイソレーション構造２９１４が、ウェル領域２９１２の周りに形成され得る。それぞれのｎ‐コンタクト２９１８を含む誘電体層２９１６が、ウェル領域２９１２の上に形成される。ビア２９２０が、誘電体層２９１６を介してそれぞれのコンタクト２９１８まで形成される。メタライゼーション層２９２２が、ビア２９２０の上に形成される。電流２９２４が、誘電体層２９１６の一方の端部のｎ‐コンタクト２９１８から、層２９１０及び２９１２間の接合に沿って、ピエゾ抵抗器２９００の反対の端部の他方のｎ‐コンタクト２９１８へ流れる。
本願で説明される例において、法線ピエゾ抵抗センサ（例えば、センサ１０８及び／又は１１２）が、基板２８０１の搭載表面に平行の横方向面に形成される感知抵抗器２９００の配置を含む。感知抵抗器からの抵抗は、横方向面に垂直の垂直方向にある基準抵抗器２８００からの抵抗と比較される。基準抵抗器は、感知抵抗器を同じ基板内に、実質的に同じドーピング濃度で形成することによって、関連する感知抵抗器２９００と同じ温度依存性を有し得る。これが、感知及び基準抵抗器が同じ温度係数を有すること及び実質的に同じ方式で温度変化に応答することを保証し、感知抵抗器への実際の応力に対する異なる温度応答の混乱を防止する。
図３０は、機械的構造（例えば、シャフト、ビーム等）３００６の表面３００４に取り付けられるＩＣ３００２を含む例示の搭載アセンブリ３０００の斜視図である。ＩＣ３００２は、基板３００８と、基板３００８の搭載表面３０１０上に配置される、センサ１０８、１１２、１１６などの又はその他の方式で本願で説明されるピエゾ抵抗センサの配置とを含む。相互接続３０１２が、基板３００８のコンタクト表面（搭載表面３０１０の反対の表面）と機械的構造３００６の表面３００４との間に配置される。ＩＣ３００２及び機械的構造３００６間の相互接続を向上させるために、相互接続３０１２の配置の前に、一方又は両方の表面が加工を介して処理され得る。それぞれの表面を処理するために用いられる処理のタイプは、表面の材料特性及び粘着性相互接続３０１２の形態に応じて変化し得る。処理技法は、テクスチャリング、パターン形成、クリーニング、ストライピング等、又はそれらの任意の組み合わせを含み得る。
基板３００８と機械的構造３００６との間の相互接続３０１２の一例が、粘着性相互接続である。粘着性相互接続は、二つの材料（例えば、金属）間の相互接続であり、二つの材料は本質的に一つの統合された継手となる。粘着性相互接続３０１２のいくつかの異なるタイプの例は、接着剤（例えば、エポキシ）、ナノワイヤ、溶接（例えば、スポット溶接、超音波溶接、又はレーザー溶接など、溶接プロセスによって形成されるもの）、及び焼結（例えば、銅又は銀焼結）を含む。
相互接続３０１２の別の例は、形状嵌合（form fit）相互接続を含み、この場合、二つの接続部材の連結が押し込み接続をつくる。形状嵌合接続は厳しい公差を有し、接続部材がはずれるおそれがない。形状嵌合相互接続の例には、ねじ、クランプ、圧入フック／ボルト、さねはぎなどが含まれる。
相互接続３０１２のさらに別の例は、牽引又は摩擦接続を含み、この場合、二つの接続部材の隣り合う表面間の静止摩擦が、二つの接続部材間の移動を防止する。例えば、二つの接続部材の相互の変位は、接続部材間の静止摩擦によって生じる反対力が上回らない限り、防止される。
上述の搭載方法のいくつかの例は、誘導加熱によるシリコン－金属（例えば、スチール）間結合を含み得る。誘導加熱の場合、相互接続３０１２は、基板のコンタクト表面及び／又は機械的構造の処理された表面に付加されるはんだを含み得る。機械的構造の表面の数マイクロメートル下の絶縁されたエリアに熱が生成される。その後、例えば金、銀、又はニッケルの接着層を備える低温共晶はんだによって、結合が形成される。
別の例が、レーザー微細溶接を含み、例えばこの場合、ＩＣのリードフレームが、機械的構造（例えば、ステンレススチールシャフト）に溶接される。この例では、ＩＣは、機械的構造に溶接され得る材料によって部分的に封入され、或いは、相互接続３０１２を形成するために機械的構造に溶接され得るカップリング層（例えば、金属ベース層）を有する。
相互接続３０１２のさらに別の例が、平坦な（例えば、パターン形成されていない）又はパターン形成された金属の塑性変形及び冷間金属溶接を含む。この例では、基板（又はカップリング層）のコンタクト表面と機械的構造の処理された表面の両方が、結合を高めるためにパターン形成される。より具体的には、封止リングが、コンタクト表面と処理された表面の両方の上でパターン形成される。取り付けられるとき、金属リングが重なり合い、塑性変形を受ける。金属リングは、金属間結合及びそれぞれのパーツ間の封止をつくるために冷間溶接され得る。
相互接続３０１２の別の例が超音波溶接を含み、この場合、高周波超音波音響振動が、製作品に局所的に印加され、製作品が圧力を受けて結合されて固体溶接をつくる。これは、一般にプラスチック及び金属に、特に異種の材料を接合するために用いられる。超音波溶接では、材料を互いに結合するために必要な接続ボルト、釘、はんだ材料、又は接着剤がない。金属に適用される場合、超音波溶接の注目すべき特性は、温度が、関与する材料の融点を充分に下回ったままであり、それゆえ、そうした材料の高温暴露から生じ得る望ましくない特性又は反応を防止することである。
本願で説明される例示の相互接続３０１２の各々について、ＩＣを機械的構造に取り付けるとき、隣接した表面（すなわち、基板のコンタクト表面と、機械的構造の処理された表面）間の相互接続の物理的（例えば、電気的、機械的、及び／又は熱的）特性が、ＩＣセンサの応用例に基づいて構成され得る。例えば、機械的特性に関して、接合表面間の機械的接続は、応用例に基づいて、一層強い接続又は一層弱い接続として構成され得る。強力な継手接続が、一層多くの応力を、機械的構造の表面からセンサに伝送することによって、センサの感度を向上させる。その結果、感度が重要である応用例などにおいて、一層強力な機械的接続が、応力の伝送を増加させ得る。逆に、一層弱い機械的接続が、センサに対する応力伝送の量を低減させ得、この結果、センサの感度が低下する。
また、相互接続３０１２の機械的特性は、等方性又は異方性であるように構成され得る。異方性相互接続の例の場合、相互接続３０１２は、一つ又は複数の特定の方向に沿ってセンサに応力を伝送するように構成され、そのため、センサは、他の方向に関連して、それぞれの方向の応力に対して一層感度がある。対照的に、等方性相互接続３０１２は、全ての方向からの応力を機械的構造からセンサに均一に伝送し得る。
また、相互接続３０１２の電気的特性が構成可能であり得る。例えば、相互接続は、導電性材料、電気的絶縁材料から形成され得、又は、応用例に基づいて構成される抵抗率又は誘電率を有し得る。
また、相互接続３０１２の熱特性が構成可能であり得る。例えば、相互接続は、二つの接合表面間の熱移動を制御するための熱伝導率を有する材料から形成され得る。相互接続３０１２は、（例えば、ＩＣ又はＳｏＣもまた温度センサを含むときに）機械的構造の温度にＩＣを晒すことが望ましい応用例の場合、高い熱伝導率を有し得る。逆に、相互接続３０１２は、センサが取り付けられる機械的構造の温度からセンサを隔離することが望ましい応用例の場合、低い熱伝導率を有する材料から形成され得る。熱伝導率に加えて、相互接続３０１２、基板、及び機械的構造が、同じ又は同様の熱膨張係数を有する材料から形成され得る。これは、基板が、及びそれゆえＩＣが、機械的構造と同様の割合で膨張及び収縮することを保証する。
この応用例において、「結合する」という用語は、間接的或いは直接的な接続を意味する。そのため、第１のデバイスが第２のデバイスに結合する場合、そうした接続は、直接的な接続を介するもの、又は、他のデバイス及び接続を介した間接的な接続を介するものであり得る。例えば、デバイスＡが、或るアクションを実施するためにデバイスＢを制御するための信号を生成する場合、第１の例ではデバイスＡはデバイスＢに結合され、又は第２の例では、デバイスＡは、介在構成要素ＣがデバイスＡとデバイスＢとの間の機能的関係を実質的に変更しない場合に介在構成要素Ｃを介してデバイスＢに結合され、デバイスＢは、デバイスＡによって生成される制御信号を介してデバイスＡによって制御される。
本記載において、「～に基づく」という記載は、「～に少なくとも部分的に基づく」ことを意味する。そのため、ＸがＹに基づく場合、Ｘは、Ｙ及び任意の数のその他の要因の関数であり得る。
特許請求の範囲内で、説明される実施例における改変が可能であり、他の実施例が可能である。

Claims (25)

  1. 集積回路（ＩＣ）であって、
    半導体基板と、
    前記半導体基板上又は前記半導体基板内の第１のピエゾ抵抗センサであって、前記半導体基板の表面に平行な第１の方向に延在する第１の感知軸を有し、第１のシリコン抵抗器と第２のシリコ抵抗器とを含む、前記第１のピエゾ抵抗センサと、
    前記半導体基板上又は前記半導体基板内の第２のピエゾ抵抗センサであって、前記半導体基板の表面に平行であって前記第１の方向に垂直な第２の方向に延在する第２の感知軸を有し、第１のシリコン抵抗器と第２のシリコン抵抗器とを含む、前記第２のピエゾ抵抗センサと、
    前記半導体基板上又は前記半導体基板内の第３のピエゾ抵抗センサであって、前記半導体基板の表面に平行であって前記第１及び第２の方向に平行でも垂直でもない第３の方向に延在する第３の感知軸を有し、第１のシリコン抵抗器と第２のシリコン抵抗器とを含む、前記第３のピエゾ抵抗センサと、
    を含み、
    前記第１のピエゾ抵抗センサの第１のシリコン抵抗器が、
    前記第１の感知軸に平行なそれぞれの感知軸を有する感知ピエゾ抵抗器要素と、
    感知軸を有する補償ピエゾ抵抗器要素であって、前記補償ピエゾ抵抗器要素の抵抗における変化が、前記第１の感知軸に対する横断の応力に起因する前記感知ピエゾ抵抗器要素の抵抗における変化を相殺する、前記補償ピエゾ抵抗器要素と、
    を含む、ＩＣ。
  2. 請求項１に記載のＩＣであって、
    前記半導体基板が、前記第１又は第２の方向の一方に平行である方向に結晶方位を有するモノリシックシリコン基板を含む、ＩＣ。
  3. 請求項２に記載のＩＣであって、
    前記第１、第２及び第３のピエゾ抵抗センサの各々の第１のシリコン抵抗器の第１の端子に結合される第１の入力と、前記第１、第２及び第３のピエゾ抵抗センサの各々の第２のシリコン抵抗器の第１の端子に結合される第２の入力と、出力とを有する感知回路を更に含む、ＩＣ。
  4. 請求項３に記載のＩＣであって、
    前記第１及び第２のピエゾ抵抗センサの第１のシリコン抵抗器が、前記半導体基板の変形に応答して変化する抵抗を有し、前記第１及び第２のピエゾ抵抗センサの少なくとも一方の第２のシリコン抵抗器が、前記半導体基板の変形に応答して一定のままである抵抗を有する、ＩＣ。
  5. 請求項４に記載のＩＣであって、
    前記第１のピエゾ抵抗センサの第１及び第２のシリコン抵抗器が、前記結晶方位の方向に平行なそれぞれの感知軸を有し、前記感知回路が、その出力において第１の感知信号を提供するように構成され、前記第１の感知信号が、前記結晶方位の方向に平行に前記半導体基板に印加される応力に応答して前記第１のピエゾ抵抗センサの第１及び第２のシリコン抵抗器の間の抵抗の差を表し、
    前記第２のピエゾ抵抗センサの第１及び第２のシリコン抵抗器が、前記結晶方位の方向に垂直なそれぞれの感知軸を有し、前記感知回路が、その出力において第２の感知信号を提供するように更に構成され、前記第２の感知信号が、前記結晶方位の方向に垂直に前記半導体基板に印加される力に応答して前記第２のピエゾ抵抗センサの第１及び第２のシリコン抵抗器の間の抵抗の差を表す、ＩＣ。
  6. 請求項５に記載のＩＣであって、
    前記第３のピエゾ抵抗センサの第１及び第２のシリコン抵抗器が、前記半導体基板の結晶方位の方向に対して＋４５度及び－４５度に向けられるそれぞれの感知軸を有し、前記感知回路が、前記半導体基板に印加されるせん断力を表すそれぞれの感知信号を提供するように更に構成される、ＩＣ。
  7. 請求項４に記載のＩＣであって、
    前記感知ピエゾ抵抗器要素が、前記第１の感知軸に対して横断のそれぞれの感知軸を有する複数の補償ピエゾ抵抗器要素であって、前記複数の補償ピエゾ抵抗器要素の抵抗における変化が、前記第１の感知軸に対する横断の応力に起因する前記感知ピエゾ抵抗器要素の抵抗における変化を相殺するように構成される、前記複数の補償ピエゾ抵抗器要素を含む、ＩＣ。
  8. 請求項３に記載のＩＣであって、
    前記感知回路がそれぞれの感知信号を提供するように構成され、前記感知信号が、前記半導体基板の変形に応答する前記それぞれの第１、第２及び第３のピエゾ抵抗センサの抵抗における変化を表し、
    前記ＩＣが、前記半導体基板上又は前記半導体基板内の温度センサであって、基板の温度を表す温度信号を提供するように構成される、前記温度センサを更に含み、
    前記ＩＣが、前記温度信号に応答して温度に関して前記感知信号を補償するように構成される、ＩＣ。
  9. 請求項１に記載のＩＣであって、
    前記半導体基板が、コンタクト表面と、前記コンタクト表面から離間される対向する表面とを含み、前記コンタクト表面が、前記コンタクト表面に取り付けられるカップリング層によって前記ＩＣを機械的構造に結合するように適合される、ＩＣ。
  10. 感知システムに実装される請求項９に記載のＩＣであって、
    前記感知システムが、
    前記対向する表面に取り付けられる通信デバイスであって、前記ＩＣと外部読取りデバイスとの間でセンサデータを通信するように構成される、前記通信デバイスと、
    前記対向する表面に取り付けられ、前記通信デバイスに結合されるコントローラと、
    を含む、ＩＣ。
  11. 請求項１０に記載の感知システムであって、
    前記通信デバイスが、有線接続或いはワイヤレス接続を介して通信する、感知システム。
  12. システムオンチップ（ＳｏＣ）として実装される請求項１０に記載の感知システムであって、
    前記ＳｏＣが、前記ＩＣと、前記通信デバイスと前記コントローラとの少なくとも１つとを封入するパッケージング材料を含む、感知システム。
  13. 請求項１２に記載の感知システムであって、
    前記ＩＣが第１のＩＣであり、
    前記ＳｏＣが、同じく前記パッケージング材料内に封入されるマルチチップモジュールの一部としての第２のＩＣであって、状態機械とマイクロコントローラとマイクロプロセッサとの少なくとも１つを含むコントローラを含む、前記第２のＩＣを更に含む、感知システム。
  14. システムであって、
    集積回路（ＩＣ）であって、
    或る結晶方位を有する半導体基板と、
    前記半導体基板上又は前記半導体基板内の第１のピエゾ抵抗センサであって、前記半導体基板の表面に平行な第１の方向に延在する第１の感知軸を有し、第１のシリコン抵抗器と第２のシリコン抵抗器とを含む、前記第１のピエゾ抵抗センサと、
    前記半導体基板上又は前記半導体基板内の第２のピエゾ抵抗センサであって、前記半導体基板の表面に平行であって前記第１の方向と異なる第２の方に延在する第２の感知軸を有し、第１のシリコン抵抗器と第２のシリコン抵抗器とを含む、前記第２のピエゾ抵抗センサと、
    前記半導体基板上又は前記半導体基板内の第３のピエゾ抵抗センサであって、前記半導体基板の表面に平行であって前記第１及び第２の方向に平行でも垂直でもない第３の方向に延在する第３の感知軸を有し、第１のシリコン抵抗器と第２のシリコン抵抗器とを含む、前記第３のピエゾ抵抗センサと、
    を含む、前記ＩＣと、
    前記ＩＣに結合される通信デバイスであって、前記抵抗の変化に応答して前記半導体基板の変形を表すデータをワイヤレスに通信するように構成される、前記通信デバイスと、
    前記ＩＣと前記通信デバイスとに結合されるコントローラであって、前記通信デバイスとの通信を制御するように構成される、前記コントローラと、
    を含み、
    前記第１のピエゾ抵抗センサの第１のシリコン抵抗器が、
    前記第１の感知軸に平行なそれぞれの感知軸を有する感知ピエゾ抵抗器要素と、
    感知軸を有する補償ピエゾ抵抗器要素であって、前記補償ピエゾ抵抗器要素の抵抗における変化が、前記第１の感知軸に対する横断の応力に起因する前記感知ピエゾ抵抗器要素の抵抗における変化を相殺する、前記補償ピエゾ抵抗器要素と、
    を含む、システム。
  15. 請求項１４に記載のシステムであって、
    前記感知回路が、前記第１、第２及び第３のピエゾ抵抗センサに結合され、前記半導体基板の変形に応答して前記第１、第２及び第３のピエゾ抵抗センサの各々の抵抗における変化を表す感知信号を提供するように構成される、システム。
  16. 請求項１５に記載のシステムであって、
    各第１のシリコン抵抗器が、前記半導体基板の変形に応答して変化する抵抗を有し、各第２のシリコン抵抗器が、前記半導体基板の変形に応答して一定のままである抵抗を有する、システム。
  17. 請求項１６に記載のシステムであって、
    前記第１のピエゾ抵抗センサの第１及び第２のシリコン抵抗器が、前記結晶方位に平行なそれぞれの感知軸を有し、前記感知回路が、その第１の出力において第１の感知信号を提供するように構成され、前記第１の感知信号が、前記結晶方位に平行に前記半導体基板に印加される法線応力に応答して前記第１のピエゾ抵抗センサの第１及び第２のシリコン抵抗器の間の抵抗の差を表し、
    前記第２のピエゾ抵抗センサの第１及び第２のシリコン抵抗器が、前記結晶方位に垂直なそれぞれの感知軸を有し、前記感知回路が、その第２の出力において第２の感知信号を提供するように更に構成され、前記第２の感知信号が、前記結晶方位に垂直に前記半導体基板に印加される法線応力に応答して前記第２のピエゾ抵抗センサの第１及び第２のシリコン抵抗器の間の抵抗の差を表す、システム。
  18. 請求項１７に記載のシステムであって、
    前記第３のピエゾ抵抗センサの第１及び第２のシリコン抵抗器が、前記半導体基板の結晶方位の方向に対して＋４５度及び－４５度に向けられるそれぞれの感知軸を有し、前記感知回路が、前記半導体基板に印加されるせん断力を表すそれぞれの感知信号を提供するように更に構成される、システム。
  19. 請求項１５に記載のシステムであって、
    前記ＩＣが、前記半導体基板の表面上又は前記表面内の温度センサであって、前記半導体基板の温度を表す温度信号を提供するように構成される、前記温度センサを更に含み、
    前記コントローラが、前記温度信号に応答して前記感知信号を補償するように更に構成される、システム。
  20. システムオンチップ（ＳｏＣ）として実装される請求項１４に記載のシステムであって、
    前記ＳｏＣが、前記ＩＣと、前記通信デバイスと前記コントローラとの少なくとも１つとを封入するパッケージング材料を含む、システム。
  21. 請求項２０に記載のシステムであって、
    前記ＩＣが、第１のＩＣであり、
    前記ＳｏＣが、前記パッケージング材料内に同じく封入されるマルチチップモジュールの一部としての第２のＩＣを更に含む、システム。
  22. 集積回路（ＩＣ）であって、
    或る結晶方位を有する半導体基板上又は前記半導体基板内の歪み感知センサであって、
    前記半導体基板の表面と前記半導体基板の結晶方位に平行な第１の方向に延在する第１の感知軸を有する第１のピエゾ抵抗センサであって、第１のシリコン抵抗器と第２のシリコン抵抗器とを含み、前記第１のシリコン抵抗器が、
    前記第１の感知軸に平行なそれぞれの感知軸を有する感知ピエゾ抵抗器要素と、
    感知軸を有する補償ピエゾ抵抗器要素であって、前記補償ピエゾ抵抗器要素の抵抗における変化が、前記第１の感知軸に対する横断の応力に起因する前記感知ピエゾ抵抗器要素の抵抗における変化を相殺する、前記補償ピエゾ抵抗器要素と、
    を含む、前記第１のピエゾ抵抗センサと、
    前記半導体基板の結晶方位に対して横断であって前記半導体基板の表面に平行である第２の方向に延在する第２の感知軸を有する第２のピエゾ抵抗センサであって、第１のシリコン抵抗器と第２のシリコン抵抗器とを含み、前記第２の方向が前記第１の方向に垂直である、前記第２のピエゾ抵抗センサと、
    前記半導体基板の表面に平行であって前記第１及び第２の方向に平行でも垂直でもない第３の方向に延在する第３の感知軸を有する第３のピエゾ抵抗センサであって、第１のシリコン抵抗器と第２のシリコン抵抗器とを含む、前記第３のピエゾ抵抗センサと、
    を含む、前記歪み感知センサと、
    前記第１、第２及び第３のシリコン抵抗センサの各々に結合される感知回路であって、それぞれの感知信号を提供するように構成され、前記感知信号が、前記半導体基板の変形に応答して前記それぞれの第１、第２及び第３のピエゾ抵抗センサの抵抗の変化を表す、前記感知回路と、
    を含む、ＩＣ。
  23. 請求項２２に記載のＩＣであって、
    各第１のシリコン抵抗器が、前記半導体基板の変形に応答して変化する抵抗を有し、各第２のシリコン抵抗器が、前記半導体基板の変形に応答して一定のままである抵抗を有する、ＩＣ。
  24. 請求項２３に記載のＩＣであって、
    前記補償ピエゾ抵抗抵抗器要素が、前記第１の方向に対して横断のそれぞれの感知軸を有する複数の補償ピエゾ抵抗器要素であって、前記複数の補償ピエゾ抵抗器要素の抵抗における変化が、前記第１の方向に対する横断の応力に起因する前記感知ピエゾ抵抗器要素の抵抗における変化を相殺するように構成される、前記複数の補償ピエゾ抵抗器要素を含む、ＩＣ。
  25. 請求項２３に記載のＩＣであって、
    前記第３のピエゾ抵抗センサの第１及び第２のシリコン抵抗器が、前記半導体基板の結晶方位の方向に対して＋４５度及び－４５度に向けられるそれぞれの感知軸を有し、
    前記感知回路が、前記半導体基板に印加されるせん断力を表すそれぞれの感知信号を提供するように更に構成される、ＩＣ。
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