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TWI624669B - 積體式慣性感測器及形成其之方法、迴轉儀、及判定行動裝置之旋轉角速率的方法 - Google Patents

積體式慣性感測器及形成其之方法、迴轉儀、及判定行動裝置之旋轉角速率的方法 Download PDF

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TWI624669B
TWI624669B TW102142051A TW102142051A TWI624669B TW I624669 B TWI624669 B TW I624669B TW 102142051 A TW102142051 A TW 102142051A TW 102142051 A TW102142051 A TW 102142051A TW I624669 B TWI624669 B TW I624669B
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喬安娜Ｍ 史旺
鄭榮宏
維魯利Ｒ 拉歐
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英特爾公司
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Abstract

本發明係關於使用一磁性驅動及/或感測架構的電感式慣性感測器。在實施例中，平移迴轉儀利用一導電線圈，該導電線圈被製作成在存在一磁場的情況下依據經驅動通過該線圈的一時變電流在一第一維度上振動。感測線圈記錄依據一第二維度上之一角速度而變化的一電感。在實施例中，該振動線圈使得該等感測線圈中之第一及第二互感依據該角速度而彼此偏離。在實施例中，與一對蜿蜒線圈相關聯的自感依據一第二維度上的一角速度而變化。在實施例中，將封裝增層用以製造該等電感式慣性感測器，從而允許實現在諸如行動裝置的小形狀因數計算平台中有利的封裝層級積體式慣性感測。

Description

積體式慣性感測器及形成其之方法、迴轉儀、及判定行動裝置之旋轉角速率的方法 發明領域
本發明大體上係關於積體式慣性感測器，且更特定而言係關於電感式迴轉儀。
發明背景
慣性感測器在諸如消費型行動裝置(例如，智慧型手機、遊戲控制器等)的許多裝置中係有用的。迴轉儀被用作對由可移動本體之旋轉產生之角速度或角加速度的感測器，且可使用通常利用半導體製造技術的MEMS製造程序來形成。MEMS迴轉儀可包括懸浮的保證質量，其經驅動以在迴轉儀(安置於行動裝置中)經歷旋轉時相對於支架而在第一維度上機械地振動，其中科氏效應將來自振動質量的能量耦合至正交(所感測)維度。可接著判定旋轉速率(例如，弧度/秒)。一或多個此類迴轉儀在嵌入於行動裝置內時就可被用以特徵化關於三維軸線(例如，橫搖、縱搖、滾動)的旋轉角度。
許多MEMS迴轉儀依賴於保證質量與支架之間的由科氏力產生的電容改變，該電容改變係例如藉由將電容的量值轉換成電壓來量測。因而，需要藉由使保證質量及支架之表面之間的實體間距最小化來使得懸浮保證質量與支架之間的電容性耦合為大的。舉例而言，為了獲得較大感測器敏感性，懸浮保證質量及支架之電容耦合面之間的間隙間距可為大約數奈米。然而，此類尺寸依賴於進階的薄膜技術(例如，保形沈積、各向異性電漿蝕刻等)，從而使得有必要將此等慣性感測器製造成為通常使用矽(例如，MEMS)晶片的離散裝置，該矽晶片與行動裝置中之處理器或處置邏輯功能之其他積體電路(IC)晶片分離。因此，慣性感測器與其他IC的整合通常係板層級的。
能以不要求封裝具有相較於其原本的厚度顯著更大的厚度之方式與IC一起整合於同一封裝內的慣性感測器因此為有利的，特別是對於行動裝置形狀因數而言。
依據本發明之一實施例，係特地提出一種迴轉儀，其包含：一基體，包括一磁體；一驅動線圈，其安置於該基體之上且在該磁體的一磁場內，以做為通過該驅動線圈的一時變電流之一函數來在一第一維度上相對於該基體振動，至少一感測線圈，其安置於該基體之上且相對於該驅動線圈定位以記錄一電感，該電感做為在正交於該第一維度的一第二維度上的一角速度之一函數而變化。
101、102、103、201‧‧‧電感式迴轉儀
104、409‧‧‧基體
105、205‧‧‧驅動線圈
105A、105B、105C、105D‧‧‧正交區段
108A、108B、108C、108D、208A、208B、208C、208D‧‧‧導電固定器
110、150、410‧‧‧磁體
111‧‧‧磁(B)場
112‧‧‧磁力
120‧‧‧驅動信號產生器
125A、125B、125C、125D、165A、165B、175A、175B1、175B2、175B3‧‧‧感測線圈
130、130A、130B、230‧‧‧科氏力
176‧‧‧第二金屬化層級
205A、205B、205C、205D‧‧‧線圈區段
209‧‧‧示範性多彈簧固定器
209A、209B‧‧‧部件
220‧‧‧產生器
280‧‧‧電容器
301‧‧‧BBUL方法
340‧‧‧選擇性蝕刻操作
350、360、505、510、515、605、610、615、620‧‧‧操作
405‧‧‧IC晶片
407‧‧‧固持架
415、425‧‧‧味之素增層膜
420‧‧‧金屬化層
420A‧‧‧線圈結構
420B‧‧‧固定器/介層孔
420C‧‧‧互連件
420D‧‧‧重新分佈層(RDL)跡線
430‧‧‧保護網狀結構
433‧‧‧凸塊/焊球墊
435‧‧‧抗蝕劑層
450‧‧‧介電膜
455‧‧‧空腔
500‧‧‧仲介層
501、601‧‧‧方法
700‧‧‧計算裝置平台
705‧‧‧顯示螢幕
710‧‧‧積體式微電子裝置/積體式裝置
711‧‧‧控制器
713‧‧‧電池
715‧‧‧電源管理積體電路(PMIC)
721‧‧‧示意圖/放大圖
725‧‧‧RF(無線)積體電路(RFIC)
730、731‧‧‧圖形處理器核心
732‧‧‧積體式慣性感測器
1000‧‧‧計算裝置
1002‧‧‧板
1004‧‧‧處理器
1006‧‧‧通訊晶片
L 2、L 1‧‧‧y-維度長度
L 3‧‧‧較小尺寸
L‧‧‧長度
W‧‧‧寬度
Ω‧‧‧角速度
在隨附圖式的諸圖中以實例方式且並非限制地說明本發明之實施例，其中：圖1A為根據本發明之實施例的電感式迴轉儀之平面示意圖；圖1B為根據本發明之實施例的電感式迴轉儀之平面示意圖；圖1C為根據本發明之實施例的電感式迴轉儀之平面示意圖；圖1D為根據本發明之實施例的圖1C中之電感式迴轉儀的橫截面圖；圖1E為根據本發明之實施例的示範性電感式迴轉儀感測線圈架構之平面示意圖；圖2A為根據本發明之實施例的電感式迴轉儀之平面示意圖；圖2B為根據本發明之實施例的圖2A之電感式迴轉儀中的線圈之固定器中的彈簧區段的放大視圖；圖2C為根據本發明之實施例的圖2A之電感式迴轉儀之線圈之示範性多彈簧固定器的平面示意圖；圖3為根據本發明之實施例的說明在IC封裝增層中製造電感式迴轉儀之方法的流程圖；圖4A、圖4B、圖4C、圖4D、圖4E、圖4F、圖4G、圖4H及圖4I為根據實施例的當遵循說明於圖3中之方法將慣性感測器與IC整合時結構的橫截面示意圖；圖5及圖6為根據本發明之實施例的說明藉由電感式迴轉儀判定旋轉角速率的方法之流程圖； 圖7說明根據實施例的包括電感式慣性感測器之行動計算平台的等角視圖及放大視圖；及圖8說明根據本發明之一個實施的計算裝置。
較佳實施例之詳細說明
本文中描述使用可在封裝增層中製造的磁性驅動及/或感測架構之電感式迴轉儀的實施例。在以下描述中，闡述眾多細節，然而，對於熟習此項技術者將為顯而易見的是，可在無此等特定細節之情況下實踐本發明。在一些個例中，熟知方法及裝置以方塊圖形式展示而非詳細地展示，以避免使本發明混淆。貫穿本說明書對「一實施例」或「在一個實施例中」之提及意謂：結合實施例描述之特定特徵、結構、功能或特性包括於本發明之至少一實施例中。因此，片語「在一實施例中」在貫穿本說明書的各種地方的出現不一定指本發明的同一實施例，或僅一個實施例。此外，可在一或多個實施例中以任何合適方式來組合特定特徵、結構、功能或特性。舉例而言，在並未具體地將第一實施例及第二實施例表明為相互排斥之處，該兩個實施例可進行組合。
術語「經耦接」在本文中用以描述組件之間的功能或結構關係。「經耦接」可用以指示兩個或兩個以上元件彼此直接或間接地(其間有其他介入元件，或經由介質)機械、聲學、光學或電接觸，及/或兩個或兩個以上元件彼此協作或相互作用(例如，如在因果關係中)。
如本文中所使用之術語「在……之上」、「在……下」、「在……之間」及「在……上」指一個組件或材料層相對於其他組件或層的相對位置，其中此等實體關係對於在裝配件之情形下或在微型機械加工堆疊之材料層的情形下的機械組件係值得注意的。安置於另一層(組件)之上或下的一個層(組件)可與另一層(組件)直接接觸，或可具有一或多個介入層(組件)。此外，安置於兩個層(組件)之間的一個層(組件)可與兩個層(組件)直接接觸，或可具有一或多個介入層(組件)。相對照地，在第二層(組件)上之第一層(組件)係與該第二層(組件)直接接觸。
除非另有具體陳述，否則如自以下論述顯而易見地是，應瞭解，貫穿說明書的利用諸如「處理」、「計算」、「運算」、「判定」或其類似者的術語的論述指電腦或計算系統或類似電子計算裝置之動作及/或程序，該等動作及/或程序將表示為計算系統之暫存器及/記憶體內之物理(諸如，電子)量的資料操控及/或變換成類似地表示為計算系統之記憶體、暫存器或其他此類資訊儲存器、傳輸或顯示裝置內的物理量的其他資料。
本文中所描述之迴轉儀的實施例使用磁性驅動及/或感測架構，該架構並不需要使用電容式驅動及/或感測架構之迴轉儀的典型次微型特徵大小。如本文中所使用，「磁性驅動」要求在主線圈內誘發時變電流，該主線圈以一方式錨定以准許主線圈由於電流在穿過磁場的線圈中通過的受控定向振動。「磁性感測」要求感測由於由角速度誘發 之線圈位移而變化之互感或自感。因而，主線圈充當可移動保證質量，且亦起到攜載一或多個時變電流通過一或多個磁場的額外功能。
發明人已發現，可藉由顯著大於電容式驅動/感測設計所需之彼等關鍵特徵大小的關鍵特徵大小來實施電感式慣性感測器架構，同時達成足夠用於許多消費型產品的旋轉量測敏感度。因而，諸如(但不限於)用於IC晶片之封裝(例如，有機介電增層)之技術的製造技術可用於感測器之製造，使得感測器可在封裝層級與IC整合以達成在電容式感測/驅動系統的情況下為不可能的超小型形狀因數。此外，本文中所描述之電感式迴轉儀之實施例已被發現需要極少電力。舉例而言，在一個實施例中，可在大約為供應至行動消費型裝置之彼等典型電壓的驅動電壓(例如，1.5至3.3V)下藉由大約1至10mA的電流來驅動主線圈。
圖1A為根據本發明之實施例的電感式迴轉儀101之平面示意圖。如圖所示，驅動線圈105安置於基體104之上。驅動線圈105係諸如金屬化層(例如，Cu)的導電材料，其藉由導電固定器108A、108B、108C及108D(例如，Cu介層孔)錨定至基體104。在所說明實施例中，驅動線圈105實質上平行於基體104的平面。基體104可為微機電系統(MEMS)或微電子封裝之技術領域中的任何習知材料，諸如(但不限於)薄矽、玻璃、環氧樹脂、金屬、介電膜、有機膜等。在示範性實施例中，驅動線圈105與平行於基體104之平面的平面實質上共面。示範性驅動線圈105 包括四個實質上正交區段105A、105B、105C及105D，從而形成一個連續導電跡線迴路。
驅動線圈105安置於磁體110之上，在磁體110的磁(B)場111內。在示範性實施例中，磁體110係安置於基體104之上的永久磁體。在示範性實施例中，磁體110係離散之塊體磁性材料，諸如(但不限於)Co合金。對於電感式迴轉儀101，磁體110係使得磁場111垂直於基體104的平面，其中場111分別在北極處發射離開基體104且在南極處返回至基體104，如所說明。
因為驅動信號產生器120可能安置於或可能不安置於基體104上，故產生器120以虛線繪製於圖1A中。作為一個實例，如本文中在其他地方進一步描述，驅動信號產生器120可由安置於第二基體上但亦包含於用以形成電感式迴轉儀101的封裝層內之IC來提供。驅動信號產生器120係用以經由至少一對導電固定器108A、108B、108C及108D驅動時變電流(例如，正弦)通過驅動線圈105。在所說明實施例中，對應於第一維度之第一對導電固定器(例如，108A、108D)耦接至產生器120的兩個端子，而對應於第二正交維度之第二對導電固定器(例如，108B、108C)經類似地組配並與第一對平行。
在操作期間，線圈105傳導穿過磁場111的時變電流(例如，沿著驅動線圈區段105A及105C)，從而產生磁力112，該磁力112使得驅動線圈105相對於基體104在第一維度(例如，y-維度)上振動。在有利實施例中，線圈 105由電流以接近給定驅動功率下的最大科氏效應(力)之共振頻率的頻率來驅動。當沿著垂直於線圈105正振盪於之第一維度的第二維度圍繞旋轉軸線發生外部角旋轉時，科氏力使得振動之驅動線圈沿著正交於第一及第二維度的第三維度位移。因此，對於振盪平行於基體104(沿著面內維度y)之示範性電感式迴轉儀101，圍繞垂直於基體104之平面的軸線之外部旋轉(亦即，角速度Ω係在z-維度上)誘發科氏力130，其使得驅動線圈105在x-維度上移動。
在實施例中，一或多個感測線圈被用以記錄由驅動線圈105之位移誘發的互感。如圖1A中所展示，第一對感測線圈125A及125B安置於驅動線圈105的相反兩側上(例如，分別平行於驅動線圈區段105B及105D)。感測線圈125A、125B亦要求為金屬化跡線(例如，Cu)，且可與驅動線圈105共面，但貼附至基體104，或在其上方(亦即，並非經釋放結構)，且因此並不振動。在描繪於圖1A中之示範性實施例中，感測線圈125A及125B係與驅動線圈105在相同之平面(亦即，同一金屬化層級)內。
在感測線圈125A及125B分別具有實質上平行於驅動線圈區段105B及105D的區段的情況下，感測線圈125A及125B內的互感可做為在x及y維度兩者上的驅動線圈位移之函數而變化。因為感測線圈125A及125B在y-維度上相對於驅動線圈105的對稱性(例如，相同y-維度線圈長度、無外部旋轉的情況下驅動線圈與感測線圈之間的相同x-維度間距)，感測線圈125A及125B兩者將依據y- 維度上的驅動線圈位移而記錄大致相同之互感波動。然而，對於驅動線圈105在x-維度上的位移，感測線圈125A及125B將分別記錄依據角速度而彼此偏離的第一互感及第二互感。因而，在感測線圈125A、125B中回應於驅動線圈在x-維度上的位移而記錄之互感大於由感測線圈125A及125B回應於驅動線圈之y位移而記錄之任何微小互感差分。由具有角速度Ω的外部旋轉產生的線圈在x-維度上的位移產生跨越感測線圈125A及125B的時間相依通量，該通量又誘發與角速度Ω相關之跨越每一感測線圈125A及125B的電壓。經由信號處理，自藉由感測線圈125A及125B中之每一者記錄之電壓信號導出的差分信號接著被調節以用於感測及量化角速度Ω。
如圖1A中進一步展示，額外感測線圈125C及125D實質上平行於驅動線圈區段105A及105B安置。在磁體110之定向產生穿過驅動線圈區段105A及105B的磁力112之處，感測線圈125A及125B提供回應於科氏效應的不對稱性。然而，對於具有不同磁體定向之實施例，如圖1B中進一步說明，可結合感測線圈對125A、125B或作為感測線圈對125A、125B的替代來利用第二對感測線圈125C、125D。
圖1B為根據本發明之實施例的電感式迴轉儀102之平面示意圖。對於迴轉儀102，具有與迴轉儀101中之參考數字相同之參考數字的結構特徵表示在圖1A之情形下引入的相同組件或特徵。通常，迴轉儀102係按與針 對正交平移迴轉儀101描述之彼等原理相同之原理操作的騰翻(trampoline)迴轉儀。迴轉儀101及102之架構為實質上相同的，不同之處在於磁體150經定向以具有如圖1B中所說明的N-S磁極。磁場111因而平行於基體104之平面。
在磁場111沿著y-維度定向的情況下，在操作期間施加至驅動線圈105之正弦驅動電流(例如，在固定器108D與108A之間、跨越驅動線圈區段105A，且類似地在固定器108C與108B之間、跨越驅動線圈區段105C)導致磁力112垂直於基體104(離開平面)，且使驅動線圈105垂直於基體104之平面振動(亦即，在z-維度上的騰翻運動)。同樣對於此實施例，驅動線圈105以驅動線圈105之共振頻率或接近所述共振頻率進行振動係有利的。
雖然z-維度上之位移對於所有感測線圈係對稱的，但y-維度上之位移對於感測線圈125C及125D為不對稱的，而對於感測線圈125A、125B為對稱的，且x-維度上之位移對於感測線圈125A及125B為不對稱的，而對於感測線圈125C、125D係對稱的。因而，迴轉儀102對於y-維度及x-維度(亦即，面內維度)兩者上之角速度為敏感的。舉例而言，如圖1B中所展示，y-維度上之角速度(Ωy)誘發對應的科氏力130A，在該狀況下，在感測線圈125A與125B之間記錄互感差分。類似地，x-維度上之角速度(Ωx，為了清楚在圖中未展示)誘發對應的科氏力130B，在該狀況下，在感測線圈125C與125D之間記錄互感差分。因此，對於迴轉儀102，兩對感測線圈提供用於判定正交的 面內角速度的基礎，且當與同一基體104上之迴轉儀101組合時，如由圖1A及圖1B所說明，可感測並量化圍繞所有三個維度的旋轉/角速度。
雖然迴轉儀101及102對於許多應用提供足夠的量測敏感度(例如，至少0.5弧度/秒)，但可以各種方式來加強由描繪於圖1A及圖1B中之感測線圈產生的信號以得到更大敏感度(例如，~3x)，且示範性技術在圖1C至圖1E中予以說明。圖1C為根據本發明之實施例的電感式迴轉儀103的平面示意圖。大體上，迴轉儀103實質上等同於迴轉儀101(其中相同組件的參考數字被沿用)，不同之處在於感測線圈安置於驅動線圈105之平面外。根據本發明之實施例，此特徵進一步說明於圖1D中，圖1D係電感式迴轉儀103的沿著在圖1C中可見之A-A'獲得的橫截面圖。如圖1C及圖1D中所展示，感測線圈165A及165B直接安置於基體104上，其中驅動線圈105(例如，區段105B及105D)安置於感測線圈165A、165B之平面之上。在感測線圈在平行於基體104之平面中但並非在與驅動線圈105相同之平面中具有一或多個匝時，感測線圈可在驅動線圈下(或之上)在x維度及y維度兩者上居中。因而，驅動線圈之兩個側上的所誘發磁通量應相等且相反，使得驅動線圈之一個側上的所誘發之正電動勢(EMF)抵銷驅動線圈之另一側上的所誘發之負EMF，此係因為當不存在角速度時在對稱解決方案中不誘發淨EMF。角速度之存在使驅動線圈位移，且打破對稱，此情形導致可被感測到的淨EMF。因而，所 感測信號係角速度之較強函數。對於此等實施例，可簡化感測信號之處理，且可達成較大量測敏感度。顯著地，雖然迴轉儀103在正交平移之情形下說明此技術，但其同樣適用於騰翻迴轉儀(例如，迴轉儀102)。
圖1E為根據本發明之實施例的示範性電感式迴轉儀感測線圈架構之平面示意圖。感測線圈結構可應用至本文中所描述之電感式迴轉儀實施例中的任一者(例如，圖1A至圖1D)。如本文中在其他地方所描述，驅動線圈105安置於實質上平行於基體104之平面中。在說明於圖1E中之實施例中，感測線圈具有複數個匝。在具有複數個匝的情況下，匝比起作用以逐步增加在感測線圈中誘發的電壓。在示範性螺旋線圈實施例中，在單一金屬化層級(平面)內達成三個匝。第二金屬化層級176因而僅用以在螺旋物之上(下)佈線。在其他實施例中，平行於驅動線圈之區段的感測線圈區段之長度可被增加(最大化)。舉例而言，感測線圈175A具有y-維度長度L 2，其係驅動線圈105之y-維度長度L 1的至少90%。在亦由圖1E說明之另一實施例中，具有較小尺寸(例如，L 3)之複數個感測線圈(例如，175B1、175B2及175B3)沿著驅動線圈105之長度(例如，L 1)安置。感測線圈175B1、175B2及175B3可接著被串列連接。值得注意地，可組合在圖1C至圖1E之情形下描述之架構中的兩者或兩者以上。舉例而言，螺旋感測線圈可安置於驅動線圈之平面外，使得僅佈線跨接線與驅動線圈在相同的平面中。
在實施例中，自感而非互感被用於角速度的判定。圖2A為根據本發明之實施例的電感式迴轉儀201的平面示意圖。如圖2A中所展示，導電線圈205藉由導電固定器208A、208B、208C及208D而錨定至基體104。線圈205之幾何形狀可實質上如針對線圈105所描述(例如，平行於基體104之平面等)。實質上如針對迴轉儀101所描述，線圈205安置於磁體110之上，其中磁場再次垂直於基體之平面(在接近線圈區段205A處離開平面，且在接近線圈區段205C處進入平面)。經由第一對固定器208C及208D來施加正弦驅動信號(例如，由產生器220供應)，固定器208C及208D界定與線圈205相關聯之驅動電路的端子。驅動信號導致y-維度上之磁力112，從而使得線圈205在y-維度上振動。
並非像迴轉儀101及102那樣使用次級線圈，在迴轉儀201中，將連接至固定器208A、208B之第二對導電線圈用作感測電路中的線圈，該感測電路進一步包括線圈205的安置於錨定件208A、208B之間的部分(例如，在圖2A中由分離陰影線識別的區段205B的大部分)。係脫離線圈205之分接頭的固定器208A及208B連接至狹窄矩形彈簧區，以促進歸因於科氏力230的線圈延伸及壓縮。在所展示之實例中，回應於z維度上之角速度(Ω)，類似於科氏力，延伸及壓縮係在x維度上。如所說明，彈簧具有具y-維度上之長度L的至少兩個區段，該兩個區段由具x維度上之寬度W的第三區段接合。彈簧因此自身係能夠記錄 自感的線圈。隨著狹窄矩形彈簧區壓縮並延伸以適應線圈205歸因於科氏力230的位移，彼等自感依據線圈之幾何形狀的改變而變化。彈簧變形進一步描繪於圖2B中，圖2B係根據本發明之實施例的連接至固定器208B之彈簧區段的放大視圖。因而，感測電路線圈之自感依據z-維度上之角速度(Ω)而變化。
如圖2A中進一步說明，電容器280被連接跨越固定器208A及208B，且與彈簧一起形成LC迴路，該LC迴路具有做為該自感之函數而變化的共振頻率。在電容器280具有固定之預定值(例如，大約1nF)的情況下，跨越端子208A及208B產生信號，且該信號可被感測以判定LC電路的共振頻率，該共振頻率直接與歸因於彈簧區壓縮及延伸的自感變化相關。
類似於描繪於圖1E中的多匝感測線圈，迴轉儀201中之固定器線圈可具有複數個平行彈簧區段。舉例而言，圖2C係根據本發明之實施例的示範性多彈簧固定器209的平面示意圖。舉例而言，為了改良電感與關聯於部件209A、209B中之應變的△d(如圖2B中所說明)之間的線性，多彈簧固定器209可用於迴轉儀201之實施例中。
通常，可使用包括基於半導體之前端製程(諸如，奈米微影)及薄膜氣相沈積等之任何習知微電子處理技術來製造在圖1A至圖2E之情形下描述的迴轉儀實施例。雖然此等技術在MEMS技術中為普遍存在的，且將允許高敏感度感測器之任何次微米特徵尺寸(例如，線圈之間的間 隙)，但在示範性實施例中，利用諸如膜層壓及電鍍的基於封裝的後端製程。增層技術有利地使得迴轉儀能夠整合於主機IC之封裝中，該等主機IC諸如(但不限於)感測信號處理器，及/或感測信號放大器，及/或驅動信號產生器。因為由所描述之實施例例證的磁性驅動/感測架構可藉由相較於電容性迴轉儀架構可能允許之距離更大的距離隔開之線圈來操作，所以可利用基於封裝之後端製程，而電容性設計僅在按照在前端半導體晶片處理中可能實現之間隙尺寸製造時才提供敏感度。在一個有利實施例中，諸如(但不限於)本文中在其他地方詳細描述之彼等迴轉儀的電感式迴轉儀可藉由無凸塊增層(BBUL)或一般基體處理技術來製造。BBUL及基體處理技術通常使用層壓在一起的味之素(Ajinomoto)增層膜(ABF)層(或其他類似有機介電材料)，在該等層之間有電鍍銅平面。歸因於在封裝內BBUL的晶粒嵌入本質(其消除Si晶片之z高度預算消耗)，BBUL嵌入式封裝技術對於行動晶片封裝技術以及需要最小形狀因數的其他應用為特別有利的。因此，藉由本文中所描述之示範性方法，可保持BBUL的超薄形狀因數，且可避免與分離地製造並裝配之慣性感測器相關聯的成本。
圖3為根據本發明之實施例的說明用於在IC封裝增層中製造電感式迴轉儀之BBUL方法301的流程圖。圖4A、圖4B、圖4C、圖4D、圖4E、圖4F、圖4G、圖4H及圖4I為根據實施例的當遵循方法301將慣性迴轉儀與IC整合時的結構的橫截面示意圖。
方法301以在操作305處接收IC晶片開始。IC晶片可包括以下各者中的一或多者：用以放大慣性感測信號(例如，由一對感測線圈產生之差分電壓信號)的電路；用以以其他方式處理慣性感測信號的電路(例如，PLL電路、ADC電路等)；用以產生驅動信號的電路(例如，AC參考產生器等)；或用以基於慣性感測信號計算旋轉的電路(例如，邏輯處理器，其經組配以計算與橫搖、縱搖及滾動中之至少一者相關的歐拉(Euler)角)。
在操作310處，將IC晶片置放於適合在膜層壓期間作為支架的固持架上，例如在圖4A中，將IC晶片405置放於固持架407上。通常，固持架407為臨時把手，且可為金屬，諸如(但不限於)Cu。IC晶片405可以此項技術中已知之數種方式中的任一者(例如，黏著劑等)貼附至固持架407。又，在操作310處，將經薄化至一厚度的薄基體409(諸如(但不限於)矽基體)安置於固持架407上，該厚度將用來使安置於基體409上之結構與IC晶片405之頂面共面。接著將磁體410安置於基體409上。替代地，可將磁體410預裝配於基體409上。
繼續方法301，在操作315處，將諸如ABF或類似於ABF之有機介電膜之介電增層層壓於磁體及IC晶片之上。如在圖4B中進一步描繪，將ABF 415層壓於磁體410及IC晶片405之上，從而將該兩者內嵌。方法301以操作320繼續，其中將特徵圖案化至介電增層中。舉例而言，使用此項技術中已知之習知BBUL技術來圖案化介 層孔開口。接著使用諸如(但不限於)電鍍之任何習知沈積技術將諸如(但不限於)Cu之第一金屬化層沈積於介層孔中。如圖4C中進一步展示，金屬化層420包括線圈結構420A、作為固定器420B的介層孔、固定器420B與IC 405之間的互連件420C，以及重新分佈層(RDL)跡線420D。
返回至圖3，方法301以在操作325處將另一介電增層層壓於第一金屬化層之上繼續。在展示於圖4D中之示範性實施例中，將ABF 425層壓於以下各者中之每一者之上：線圈結構420A、固定器420B、固定器420B與IC 405之間的互連件420C，以及重新分佈層(RDL)跡線420D。方法301在操作330處繼續，將保護金屬化結構電鍍於線圈結構之上。如圖4E中進一步展示，將第二金屬化層級用以形成保護網狀結構430(在未被線圈結構420A佔用之許多位置處經錨定)。同一金屬化形成連接至RDL跡線420D的凸塊或焊球墊433。
在操作335處，接著塗覆且圖案化(例如，使用遮罩)抗蝕劑層以曝露保護金屬化(及線圈)區，且如圖4F中進一步描繪，抗蝕劑層435在保護網狀結構430之上開放。接著在操作340處使用蝕刻製程(圖4)，諸如(但不限於)基於氧電漿之蝕刻(灰化)以釋放至少一線圈結構(例如，圍繞驅動線圈形成空腔)。圖4G進一步說明，線圈結構420A、固定器420B及磁體410皆藉由選擇性蝕刻操作340來曝露。接著剝離抗蝕劑(如圖4H中所展示)，且方法301以將介電膜450層壓於經釋放線圈之上的操作350繼續，其中 保護金屬化確保圍繞線圈結構420A、固定器420B、磁體410等形成空腔455。在IC晶片405及電感式迴轉儀組件兩者現在完全由增層內嵌的情況下，現可在操作360處移除固持架，如圖4I中進一步說明。方法301可接著以習知處理繼續以完成積體式慣性感測器之裝配(例如，藉由焊球附接製程等)。
本發明之實施例包括電感式迴轉儀的操作。圖5及圖6為根據本發明之實施例的說明用電感式迴轉儀判定旋轉角速率的方法501及601的流程圖。在某些此等實施例中，方法501及601中的操作由包含至少一IC晶片及電感式迴轉儀的積體式慣性感測器來執行。在其他實施例中，如本文中在其他地方所描述，積體式慣性感測器可設在一個BBUL封裝內。
對於方法501，在操作505處，驅動時變電流通過安置於磁體之上且自其基體釋放的線圈，以便使線圈相對於該線圈安置於之IC封裝在第一維度上振動。驅動電流之源可係來自與線圈在同一IC封裝內的IC，或由外部源來提供，例如經由該線圈安置於之IC封裝中的RDL而佈線至線圈。在操作510處，藉由一對感測線圈經由互感自振動線圈產生第一及第二時變電壓信號。第一及第二線圈與振動線圈安置在同一IC封裝內，且可進一步例如以圖1A至圖1B中所描述之方式相對於振動線圈來定位，使得時變信號依據由IC封裝經歷的角速度而彼此偏離(例如，在正交於第一維度的第二維度上)。在操作515處，基於自第一 及第二線圈輸出的時變電壓信號來判定經封裝IC(且因此經封裝IC安置於之行動裝置)之橫搖、縱搖或滾動中的至少一者。在實施例中，判定橫搖、縱搖或滾動之旋轉計算器電路被安置於與振動線圈之IC封裝相同的IC封裝內的IC上。
方法501可進一步包括基於第三及第四時變信號來判定橫搖、縱搖或滾動中的第二者，其中經封裝IC進一步包括額外對之線圈及定向於第二維度上的第二磁體，如本文中在其他地方所描述。類似地，方法501可進一步包括基於第五及第六時變信號來判定橫搖、縱搖或滾動中的第三者，其中經封裝IC進一步包括額外對之線圈及相對於第一及第二磁體定向的第三磁體，如本文中在其他地方所描述。
現參看圖6，方法601以操作605開始，類似於操作505，操作605要求驅動時變電流通過安置於磁體之上且自其基體釋放的線圈，以便使線圈相對於該線圈安置於之IC封裝在第一維度上振動。驅動電流之源可係來自與線圈在同一IC封裝內的IC，或由外部源來提供，例如經由線圈安置於之IC封裝中的RDL佈線至線圈。在操作610處，跨越LC迴路中的第二對導電線圈固定器產生信號，該LC迴路由振動線圈之一部分及跨越第二對線圈固定器耦接之電容器形成，例如，如圖2A之情形下所描述。此信號經感測，且其頻率經量測以判定LC電路的共振頻率。在操作615處，自共振頻率來判定第二對線圈固定器內之彈簧的自 感(或其改變)，且在操作620處，根據自感判定來判定角速度。在一個實施例中，自感判定及角速度判定由與振動線圈安置於相同之IC封裝內的IC來執行。根據自感判定，可進一步判定對應於所判定之自感的在第二固定器內之彈簧的壓縮或延伸。可接著自彈簧壓縮或延伸之量來判定角速度。方法601可接著進一步包括基於共振頻率及/或彈簧壓縮或延伸及/或角速度中的一或多者來判定經封裝IC(且因此經封裝IC安置於之行動裝置)之橫搖、縱搖或滾動中的至少一者。
圖7說明根據本發明之實施例的計算裝置平台700之等角視圖，及由平台使用之微電子裝置710的示意圖721。計算平台700可係經組配用於電子資料顯示、電子資料處理及無線電子資料傳輸中之每一者的任何可攜式裝置。對於示範性行動實施例，計算平台700可為平板電腦、智慧型手機、膝上型電腦或輕量級筆記型電腦等中的任一者，且包括可為觸控式螢幕(電容式、電感式、電阻式等)之顯示螢幕705、晶片級(SoC)或封裝級積體式微電子裝置710，及電池713。
進一步以放大圖721來說明積體式裝置710。在示範性實施例中，裝置710包括至少一記憶體晶片及至少一處理器晶片(例如，多核心微處理器及/或圖形處理器核心730、731)。在實施例中，包括例如如本文中在其他地方更詳細地描述(例如，圖1A、圖1B、圖2A等)之電感式迴轉儀的積體式慣性感測器732被整合至裝置710中。裝置710 進一步連同以下各者中的一或多者而耦接至板、基體或仲介層(interposer)500：電源管理積體電路(PMIC)715；RF(無線)積體電路(RFIC)725，其包括寬頻RF(無線)傳輸器及/或接收器(例如，包括數位基頻，及進一步包含傳輸路徑上之功率放大器及接收路徑上的低雜訊放大器的類比前端模組)，及其控制器711。在功能上，PMIC 715執行電池電力調節、DC至DC轉換等，且因此具有耦接至電池713的輸入端，且輸出端將電流供應提供至所有其他功能模組。如進一步說明，在示範性實施例中，RFIC 725具有耦接至天線之輸出端以提供從而實施許多無線標準或協定中之任一者，該等無線標準或協定包括(但不限於)Wi-Fi(IEEE 802.11系列)、WiMAX(IEEE 802.16系列)、IEEE 802.20、長期演進(LTE)、Ev-DO、HSPA+、HSDPA+、HSUPA+、EDGE、GSM、GPRS、CDMA、TDMA、DECT、藍芽、其衍生物，以及被指定為3G、4G、5G及其他之任何其他無線協定。在實施中，此等模組中之每一者可整合於單一晶片上作為SoC、整合於耦接至經封裝裝置710之封裝基體的分離IC上，或在板層級被整合。
圖8為根據本發明之一個實施例之計算裝置1000的功能方塊圖。可例如在平台700內找到計算裝置1000，且其進一步包括裝載諸如(但不限於)處理器1004(例如，應用程式處理器)及至少一通訊晶片1006的許多組件的板1002。在實施例中，至少將處理器1004與根據本文中其他地方所描述之實施例的慣性感測器整合(例如，封裝 內)。處理器1004實體且電氣地耦接至板1002。處理器1004包括封裝於處理器內之積體電路晶粒，其中術語「處理器」可指處理來自暫存器及/或記憶體之電子資料以將該電子資料變換成可儲存於暫存器及/或記憶體中的其他電子資料的任何裝置或裝置之一部分。
在一些實施中，至少一個通訊晶片1006亦實體且電氣地耦接至板1002。在其他實施中，通訊晶片1006係處理器1004之部分。視其應用而定，計算裝置1000可包括可或可不實體且電氣地耦接至板1002的其他組件。此等其他組件包括(但不限於)依電性記憶體(例如，DRAM)、呈快閃記憶體或STTM等之形式的非依電性記憶體(例如，RAM或ROM)、圖形處理器、數位信號處理器、密碼編譯處理器、晶片集、天線、觸控式螢幕顯示器、觸控式螢幕控制器、電池、音訊編碼解碼器、視訊編碼解碼器、功率放大器、全球定位系統(GPS)裝置、積體式慣性感測器、加速度計、揚聲器、攝影機及大容量儲存裝置(諸如，硬碟機、固態硬碟(SSD)、緊密光碟(CD)、數位影音光碟(DVD)等等)。
通訊晶片1006中之至少一者允許實現無線通訊以將資料傳送至計算裝置1000且自計算裝置1000傳送資料。術語「無線」及其衍生詞語可用以描述可經由使用經由非固態媒體之經調變電磁輻射傳達資料的電路、裝置、系統、方法、技術、通訊頻道等。術語並不暗示相關聯裝置不含有任何導線，儘管在一些實施例中相關聯裝置可能不含有導線。通訊晶片1006可實施許多無線標準或協定中 的任一者，包括(但不限於)本文中其他地方所描述之彼等標準或協定。計算裝置1000可包括複數個通訊晶片1006。舉例而言，第一通訊晶片1006可專用於諸如Wi-Fi及藍芽之較短距離無線通訊，且第二通訊晶片1006可專用於諸如GPS、EDGE、GPRS、CDMA、WiMAX、LTE、Ev-DO及其他的較長距離無線通訊。
應理解，以上描述內容意欲為例示性的，而非限制性的。舉例而言，雖然諸圖中之流程圖展示由本發明之某些實施例執行的操作之特定次序，但應理解，不一定需要此次序(例如，替代性實施例可以不同次序來執行操作，組合某些操作，使某些操作重疊等)。此外，對於熟習此項技術者而言，在閱讀且理解以上描述內容之後許多其他實施例將為顯而易見的。儘管已參看特定示範性實施例描述了本發明，但應認識到，本發明不限於所描述之實施例，而是可藉由在附加申請專利範圍之精神及範疇內的修改及更改來實踐。因此，應參考附加申請專利範圍連同此申請專利範圍之等效物之全部範疇來判定本發明之範疇。

Claims (27)

  1. 一種迴轉儀，其包含：一基體，包括一磁體；一驅動線圈，其安置於該基體之上且係在該磁體的一磁場內，以作為通過該驅動線圈的一時變電流之一函數來在一第一維度上相對於該基體振動，至少一感測線圈，其安置於該基體之上且相對於該驅動線圈定位以記錄一電感，該電感作為在正交於該第一維度的一第二維度上的一角速度之一函數而變化，其中該第一維度係垂直於該基體之一平面，其中該磁場及該角速度係平行於該基體的該平面。
  2. 如請求項1之迴轉儀，其中該至少一感測線圈包含一對感測線圈以記錄作為該角速度之一函數的彼此偏離的一第一及第二互感。
  3. 如請求項2之迴轉儀，其中該等感測線圈相對於該驅動線圈被安置以回應於該驅動線圈在不同於該第一維度的一維度上之一位移而記錄該等感測線圈之互感的一差分，該差分大於回應於該驅動線圈在該第一維度上之位移所記錄的一互感差分。
  4. 如請求項3之迴轉儀，其中該驅動線圈在平行於該基體的一平面內平坦，且包含具有複數個導電固定器的四個實質正交區段，且該等導電固定器中之至少一對提供藉以將該時變電流施加至該驅動線圈的端子。
  5. 如請求項4之迴轉儀，其中該等感測線圈進一步包含一第一對感測線圈，該第一對感測線圈具有平行於在該驅動線圈之相對側上的沿著一第一面內維度延伸之數個區段的線圈長度，以回應於該驅動線圈在正交於該第一面內維度之一第二面內維度上的一位移而記錄互感的一差分。
  6. 如請求項5之迴轉儀，其中該等感測線圈進一步包含一第二對感測線圈，其具有平行於在該驅動線圈之相對側上的沿著該第二面內維度延伸之數個區段的線圈長度，該第二對用以回應於該驅動線圈在該第一面內維度上的一位移而記錄互感的一差分。
  7. 如請求項2之迴轉儀，其中該對感測線圈中的每一者包含以下各者中的至少一者：具有複數個匝的一螺旋物，其被製造成在平行於該基體的一同一平面內；或複數個線圈，其沿著該驅動線圈之一長度安置，且經串列地連接；或在平行於該基體之一平面內但並非在與該驅動線圈相同之平面內的一或多個匝，該一或多個匝對稱地安置在該驅動線圈之一區段之上。
  8. 一種迴轉儀，其包含：一基體，包括一磁體；一驅動線圈，其安置於該基體之上且係在該磁體的一磁場內，以作為通過該驅動線圈的一時變電流之一函數來在一第一維度上相對於該基體振動，至少一感測線圈，其安置於該基體之上且相對於該驅動線圈定位以記錄一電感，該電感作為在正交於該第一維度的一第二維度上的一角速度之一函數而變化，其中該時變電流被驅動通過一第一對導電線圈固定器，且其中該等感測線圈包括一第二對導電線圈固定器及安置於該第二對導電線圈固定器之間的該線圈的一部分，該第二對線圈固定器記錄作為在正交於該第一維度之一第二維度上的一角速度之一函數而變化的自感，且其中一共振頻率作為該自感及跨越該第二對線圈固定器而耦接的一電容器之電容之一函數而變化，其中該第一維度係平行於該基體之該平面，其中該磁場及該角速度係垂直於該基體的該平面，且其中該第二對固定器包含用以按一改變其自感的方式沿著該第二維度壓縮及延伸之彈簧。
  9. 如請求項8之迴轉儀，其中該等彈簧為具有至少一對導體區段的矩形彈簧，該等導體區段在該第一維度上延伸且在一個末端處由在該第二維度上延伸的一短區段接合。
  10. 一種積體式慣性感測器，其包含：如請求項8之迴轉儀；以及在該等感測線圈之下游的一放大器或旋轉計算器中的至少一者，該放大器用以放大由該對感測線圈記錄的一電壓差分，且該旋轉計算器用以基於由該對感測線圈記錄的該電壓差分來判定一旋轉。
  11. 如請求項10之積體式慣性感測器，其中該放大器或旋轉計算器包含在與該迴轉儀安置於一同一封裝內的一積體電路(IC)晶片上的電路。
  12. 如請求項10之積體式慣性感測器，其中該驅動線圈及感測線圈包含安置於該封裝之有機介電增層內的至少一金屬化層。
  13. 一種判定一行動裝置之一旋轉角速率的方法，該行動裝置包括一封裝積體電路(IC)，該方法包含：驅動一時變電流通過安置於一第一磁體之一第一磁場內的一第一線圈以使該第一線圈相對於該IC封裝在一第一維度上振動，該第一磁體連同該第一線圈一起嵌入於該IC封裝介電質內；藉由一對感測線圈經由回應於該第一線圈之位移的互感而產生第一及第二時變電壓信號，該第一及第二時變電壓信號作為在正交於該第一維度的一第二維度上的一角速度之一函數而彼此偏離；以及基於該第一及第二時變電壓信號來判定該行動裝置之一橫搖、縱搖或滾動中的一第一者，其中該第一線圈在平行於該基體之一平面的一平面內平坦，且該第一線圈包含具有複數個導電固定器的四個實質正交區段，且其中該時變電流被驅動通過該等導電固定器中的至少一對。
  14. 如請求項13之方法，其進一步包含以下步驟：驅動一時變電流通過安置於正交於該第一磁場之一第二磁場內的一第二線圈以使該第二線圈在該第一維度上振動；藉由一對感測線圈經由回應於該第二線圈之位移的互感而產生第三及第四時變電壓信號，該第三及第四時變電壓信號作為在正交於該第二維度的一維度上的一角速度之一函數而彼此偏離；以及基於該第三及第四時變電壓信號來判定該行動裝置的一橫搖、縱搖或滾動中的一第二者。
  15. 一種積體式慣性感測器，其包含：如請求項8之迴轉儀；以及在該等感測線圈下游的一旋轉計算器，該旋轉計算器用以基於共振頻率來判定一旋轉。
  16. 如請求項15之積體式慣性感測器，其中該旋轉計算器包含在連同該迴轉儀一起安置於一同一封裝內的一積體電路(IC)晶片上的電路。
  17. 如請求項15之積體式慣性感測器，其中該線圈包含安置於該封裝之有機介電增層內的至少一金屬化層。
  18. 一種判定一行動裝置之一旋轉角速率的方法，該行動裝置包括一封裝積體電路(IC)，該方法包含：經由第一對導電固定器驅動一時變電流通過一線圈，該線圈安置於一磁體的一磁場內以使該線圈相對於該IC封裝在一第一維度內振動，該磁體連同該線圈一起嵌入於該IC封裝內，量測跨越一第二對導電線圈固定器之一信號以判定一LC迴路的一共振頻率，該LC迴路包含該線圈的一部分及跨越該第二對線圈固定器而耦接的一電容器，其中該第二對線圈固定器記錄作為在正交於該第一維度的一第二維度上之一角速度之一函數而變化的自感；以及基於該共振頻率來判定該行動裝置的一橫搖、縱搖或滾動。
  19. 如請求項18之方法，該判定一橫搖、縱搖或滾動進一步包含：判定與該共振頻率相關聯的一自感；以及判定在連接至該等第二固定器中之一者的一彈簧之該第二維度上的一壓縮或延伸，該壓縮或延伸對應於該所判定之自感。
  20. 一種積體式慣性感測器，其包含：一積體電路(IC)晶片；一磁體；及包含一導電線圈的一電感式迴轉儀，該導電線圈安置於該磁體之上或下，且可操作以在形成於一或多個封裝增層內的一空腔內振動，該一或多個封裝增層安置於該迴轉儀及IC晶片之上。
  21. 如請求項20之積體式慣性感測器，其中該IC晶片藉由嵌入於該一或多個封裝增層內之一金屬化層級而電連接至該迴轉儀的至少一導電線圈。
  22. 如請求項20之積體式慣性感測器，其中將該線圈連接至該IC之該金屬化係與藉以形成該至少一導電線圈的金屬化層級相同的一金屬化層級。
  23. 如請求項20之積體式慣性感測器，其進一步包含安置於該空腔之上之一導電網狀結構，該導電網狀結構係處於與由一重新分佈層使用之金屬化層級相同的金屬化層級，該重新分佈層在該IC與一經設定尺寸以收納一凸塊或焊球中的至少一者的焊墊之間佈線導電跡線。
  24. 如請求項20之積體式慣性感測器，其進一步包含該磁體安置於上面的一薄基體，該薄基體及該晶片之一背側形成該積體式慣性感測器的一平坦背側。
  25. 如請求項20之積體式慣性感測器，其中該IC晶片包含一信號處理器、一信號放大器或旋轉計算器中的至少一者。
  26. 一種形成一積體式慣性感測器的方法，該方法包含：將一IC晶片及磁體置放於一固持架上；將一介電膜層壓於該IC晶片及磁體之上；將特徵圖案化至該介電膜中；將一第一金屬化層沈積於該等特徵中以形成接近該磁體安置的一或多個導電線圈；將一介電膜層壓於該第一金屬化層之上；將一第二金屬化層沈積於該一或多個線圈之上；選擇性地移除該介電膜以釋放該一或多個線圈中的至少一者；將一介電膜層壓於該第二金屬化層之上；以及移除該固持架。
  27. 如請求項26之方法，其中將該第一金屬化層沉積於該等特徵中進一步包含使該IC與該一或多個線圈中的至少一者互連，形成一驅動線圈及與該驅動線圈實體地分離的至少一對感測線圈，且其中選擇性地移除該介電膜以釋放該一或多個線圈中之至少一者進一步包含釋放該驅動線圈。
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