CN104380041B - 叠层封装的感应式惯性传感器的架构和制造 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及使用磁驱动和/或感测架构的感应式惯性传感器。实施例中，平移陀螺仪利用作为在磁场存在时驱动穿过线圈的时变电流的函数而使得在第一维度振动的导电线圈。感测线圈记录作为第二维度的角速度的函数而变化的电感。在实施例中，振动线圈导致感测线圈中的第一和第二互感作为角速度的函数而彼此偏离。在实施例中，与一对曲折线圈关联的自感作为第二维度的角速度的函数而变化。在实施例中，利用封装叠层来制造感应式惯性传感器，使封装级集成惯性传感在小形状因子的计算平台、如移动装置中处于优势。

Description

叠层封装的感应式惯性传感器的架构和制造
技术领域
本发明大体上涉及集成惯性传感器，尤其涉及感应式陀螺仪(inductivegyroscope)。
背景技术
惯性传感器在许多装置、诸如消费者的移动装置(如，智能手机、游戏控制器等)中是有用的。陀螺仪被用作由移动体旋转产生的角速度或角加速度的传感器，并且可以使用MEMS制造工艺来形成，MEMS制造工艺通常利用半导体制造技术。MEMS陀螺仪可包括悬挂检测质量块(proof mass)，其被驱动以在相对于支撑的第一维度机械振动且其中的科里奥利(Coriolis)效应将来自振动质量块(vibrating mass)的能量耦合至正交(感测的)维度(当陀螺仪(设置在移动装置上)经历旋转时)。然后可确定旋转速率(如，弧度/秒(rad/sec))。当被嵌入在移动装置中，一个或多个这样的陀螺仪可用于表征关于三维轴的旋转角度(如，偏航、俯仰、摇摆(roll))。
许多MEMS陀螺仪依靠科里奥利力所导致的检测质量块和支撑之间的电容变化，例如，通过将电容的量值转换为电压而测得该科里奥利力。照此，最好是通过最小化检测质量块和支撑的表面之间的物理间隔，以将悬挂的检测质量块和支撑之间实现大的电容耦合。例如，悬挂的检测质量块和支撑的电容耦合面之间的间隙间隔可以是纳米级的，以便获得更高的传感器灵敏度。然而，这样的尺寸依赖于先进的薄膜技术(例如，保形沉积、各向异性等离子体蚀刻，等)，因此需要将这样的惯性传感器制造为分立装置，通常使用硅(例如，MEMS)芯片，该芯片与移动装置中的处理器或其他处理逻辑功能的集成电路(IC)芯片分离。因此，惯性传感器与其他IC的集成通常是板级(board-level)的。
因此特别地，对于移动装置形状因子(form factor)有利的是，惯性传感器能够与IC集成在相同封装内且其中该封装不需要厚度明显大于其他方式。
附图说明
在附图所示的图中，本发明的实施例将通过举例而非限制地被说明，其中：
图1A是根据本发明一实施例的感应式陀螺仪的平面示意图；
图1B是根据本发明一实施例的感应式陀螺仪的平面示意图；
图1C是根据本发明一实施例的感应式陀螺仪的平面示意图；
图1D是根据本发明一实施例的图1C中感应式陀螺仪的横截面图；
图1E是根据本发明一实施例的示例性感应式陀螺仪感测线圈架构的平面示意图；
图2A是根据本发明一实施例的感应式陀螺仪的平面示意图；
图2B是根据本发明一实施例的图2A中的感应式陀螺仪中的线圈的锚中的弹簧段展开图；
图2C是根据本发明一实施例的图2A中的感应式陀螺仪的线圈的示例性多弹簧锚的平面示意图；
图3是说明根据本发明实施例的在IC封装叠层中制造感应式陀螺仪的方法的流程图；
图4A、4B、4C、4D、4E、4F、4G、4H和4I是根据一实施例的依照图3所示的方法集成在IC中惯性传感器的结构的横截面图；
图5和6是说明根据本发明实施例的确定感应式陀螺仪的旋转角速率的方法的流程图；
图7示出了根据一实施例的包括感应式惯性传感器的移动计算平台的等距扩展图；以及
图8示出了根据本发明一种实现的计算装置。
具体实施方式
本文描述了使用磁驱动和/或感应架构的适合于制造在封装叠层中的感应式陀螺仪的实施例。以下的说明中，将揭示许多细节，然而，对本领域的技术人员而言，很明显地，没有这些具体的细节，本发明依然可以实施。在某些例子中，众所周知的方法和装置以方框图的形式呈现，而不是详细说明，以免模糊了本发明的重点。本说明书通篇引用的“实施例”或“一实施例中”意指与该实施例有关的所描述的特定特征、结构、功能或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书通篇的许多地方出现的“一实施例中”的术语，未必指的是必是本发明的同一实施例，或唯一实施例。此外，该特定特征、结构、功能或特性可以在一个或多个实施例中以任何一种合适的方式加以结合。例如，第一实施例与第二实施例在这两个实施例在没有特别说明是互相排斥的任何情况下可以结合。
术语“耦合”在本文用于描述组件之间的功能关系或结构关系。“耦合”可用于表示两个或多个元件相互形成直接或间接的(在他们之间有其他的中间元件或通过媒介)机械的、声学的、光学的或电气的接触，和/或该两个或多个元件彼此之间合作或相互影响(例如，如同有因果关系)。
文中使用的术语“在......上面”、“在......之下”、“在......之间”以及“在......上”指的是一个组件或材料层相对于其它组件或层的相对位置，其中在组装的情况下或在微机械堆积的材料层的情况下，对于机械组件这种物理关系是值得注意的。被配置在另一层(组件)之上或之下的一层(组件)可直接地与该另一层(组件)接触，或可具有一个或多个中间层(组件)。此外，被设置在两个层(组件)之间的一层(组件)可以直接地与这两个层(组件)接触，或可具有一个或多个中间层(组件)。相对地，“在第二层(组件)之上”的第一层(组件)是与该第二层(组件)直接接触。
除非另外具体说明，否则从以下描述中显而易见，可以理解在整个说明书中，采用例如“处理”、“计算”、“运算”、“确定”或诸如此类的术语的论述指的是计算机或计算系统或类似的电子计算装置的动作和/或过程，它们操纵表示为计算系统的寄存器和/或存储器中的物理(如，电子)量的数据和/或将其转换为类似地表示为计算系统的存储器、寄存器或者其它这种信息存储、传输或显示装置中的物理量的其它数据。
文中描述的陀螺仪的实施例采用了磁驱动和/或感测架构，其不需要采用电容驱动和/或感测架构的典型陀螺仪的亚微米特征尺寸。文中使用的“磁驱动”需要感生主线圈中的时变电流，该主线圈以允许由于通过磁场的线圈中电流通过而产生的主线圈的可控方向振动的方式来锚定。“磁感测”需要感测互感或自感，该互感或自感由于由角速度引起的线圈位移而变化。同样，主线圈用作可移动的检测质量块并提供承载通过一个或多个磁场的一个或多个时变电流的辅助功能。
发明人已经发现，为了达到满足众多消费产品的旋转测量灵敏度，感应式惯性传感器架构可采用明显大于电容驱动/感测设计所需的关键特性尺寸来实现。正因为如此，制造技术、例如但不限于在IC芯片的封装中使用的技术(例如，有机电介质叠层)可用于传感器的制造，使他们可与IC在封装级集成以实现电容式感测/驱动系统不可能实现的超紧凑形状因子。此外，文中描述的感应式陀螺仪实施例被发现需要极少的功率。例如，在一实施例中，主线圈可由1-10mA量级的电流驱动，其驱动电压处于典型的提供给移动用户设备的量级(例如，1.5-3.3V)。
图1是根据本发明一实施例的感应式陀螺仪101的平面示意图。如图所示，驱动线圈105被设置在基底104上。驱动线圈105是导电材料，诸如金属化层(例如，铜)，通过导电锚108A、108B、108C和108D(例如，铜通孔)锚定于基底104。在示意性实施例中，驱动线圈105基本平行于基底104的平面。基底104可以是现有技术中微电子机械系统(MEMS)或微电子封装的任意常规材料，诸如但不局限于薄硅、玻璃、环氧树脂、金属、电介质膜、有机膜等。在示例性实施例中，驱动线圈105基本上与平行于基底104平面的平面在同一平面。示例性驱动线圈105包括基本上正交的段105A、105B、105C和105D，这些段形成一个连续的导电迹线环。
驱动线圈105设置在磁体110上，以位于磁体110的磁(B)场111中。在示例性实施例中，磁体110是设置在基底104上的永磁体。在示例性实施例中，磁体110是分立的磁性块材料，诸如但不局限于钴合金。对于感应式陀螺仪101，磁体110是使得磁场111垂直于基底104的平面，如图所示，磁场111分别从南北两极离开和回到基底104。
驱动信号产生器120在图1A中以虚线画出，认识到产生器120可以，或者可以不设置在基底104上。举一个例子来说，驱动信号产生器120可由设置在第二基底上的IC提供，但也包含在用于形成感应式陀螺仪101的封装层中，正如本文在其他处进一步描述的。驱动信号产生器120通过至少一对导电锚108A、108B、108C和108D来驱动通过驱动线圈105的时变电流(例如，正弦)。在示意性实施例中，与第一维度相对应的第一对导电锚(例如，108A、108D)耦合到产生器120的两个端子，而与第二正交维度相对应的第二对导电锚(例如108B、108C)类似地配置，并与第一对平行。
在操作中，线圈105传导穿过磁场111的时变电流(例如，沿着驱动线圈段105A和105C)，产生导致驱动线圈105在相对于基底104的第一维度(例如，y维)振动的磁力112。在有利的实施例中，线圈105由电流驱动，该电流处于给定驱动功率下的最大的科里奥利效应(力)的谐振频率附近的频率。当外部角旋转围绕沿着第二维度(垂直于线圈105振荡所沿的第一维度)的旋转轴发生时，科里奥利力导致振动驱动线圈位沿正交于第一和第二维度的第三维度移位。因此，对于示例性的感应式陀螺仪101，其振荡平行于基底104(沿着平面内维度y)，围绕垂直于基底104平面的轴线的外部旋转(即，z维上的角速度Ω)，感生了导致驱动线圈105在x维中移动的科里奥利力130。
实施例中，一个或多个感测线圈用于记录由驱动线圈105的位移所引起的互感。如图1A所示，第一对感测线圈125A和125B设置在驱动线圈105的相对侧(例如，分别平行于驱动线圈段105B和105D)。感测线圈125A、125B还需要金属化迹线(例如，铜)，并且可以与驱动线圈105在同一平面，但被固定到基底104，或位于之上(即，非松开结构)，这样就不会振动。在图1A所示的示例性实施例中，感测线圈125A和125B与驱动线圈105位于相同的平面(即，同一层的金属化)。
由于感测线圈125A和125B具有分别基本平行于驱动线圈段105B和105D的段，感测线圈125A和125B内的互感可作为驱动线圈在x维和y维的位移的函数而变化。由于感测线圈125A和125B相对于驱动线圈105在y维的对称性(例如，相同的y维线圈长度、在不存在外旋转时驱动线圈和感测线圈之间相同的x维间隔)，感测线圈125A和125B均记录近乎相同的互感波动作为驱动线圈在y维的位移的函数。然而，对于驱动线圈105在x维的位移，感测线圈125A和125B将分别记录作为角速度的函数而彼此偏离的第一和第二互感。照此，响应于驱动线圈在x维的位移所记录的感测线圈125A、125B中的互感大于响应于驱动线圈y-位移而由感测线圈125A和125B所记录的任何微小的互感差别。由具有角速度Ω的外部旋转导致的线圈在x维的位移产生了与时间有关的跨感测线圈125A和125B的通量，其进而导致与角速度Ω相关的跨每个感测线圈125A和125B的电压。通过信号处理，由每个感测线圈125A和125B记录的电压信号所得来的差分信号然后被调节以用于角速度Ω的感测和量化。
如图1A进一步所示，附加的感测线圈125C和125D与驱动线圈段105A和105B基本上平行地设置。当磁体110的取向通过驱动线圈段105A和105B产生磁力112，感测线圈125A和125B响应于科里奥利效应而提供不对称性。然而，如图1B进一步所示，对于具有不同磁体取向的实施例，第二对感测线圈125C、125D可用于与感测线圈对125A、125B结合，或替代感测线圈对125A、125B。
图1B是根据本发明一实施例的感应式陀螺仪102的平面示意图。对于陀螺仪102，具有与陀螺仪101相同附图标记的结构特征代表了图1A的上下文中介绍相同的组件或特征。通常，陀螺仪102是蹦床(trampoline)陀螺仪，其以所描述的正交平移陀螺仪101的原理相同原理操作。陀螺仪101和102的架构基本上相同，不同的是，磁体150被定向为具有如图1B所示的N-S极。磁场111然后平行于基底104的平面。
由于磁场111沿着y维取向，在操作时加到驱动线圈105的正弦驱动电流(例如，锚108D和108A之间，跨驱动线圈段105A，以及类似的，锚108C和108B之间，跨驱动线圈段105C)产生磁力112，其垂直于基底104(出平面)，以及使驱动线圈105垂直于基底104的平面进行振动(即，在z维蹦床运动)。同样在该实施例中，驱动线圈105处于或接近于驱动线圈105的谐振频率的振动是有利的。
尽管z维的位移对所有感测线圈都是对称的，y维的位移对感测线圈125C和125D是不对称而对感测线圈125A、125B是对称的，x维的位移对感测线圈125A和125B是不对称而对感测线圈125C、125D是对称的。照此，陀螺仪102在y维和x维(即，平面内维度)上都对角速度敏感。例如，如图1B所示，y维上的角速度(Ωy)引起相应的科里奥利力130A，这种情况下，记录感测线圈125A和125B之间的互感差别。相似的，x维上的角速度(Ωx，为清楚起见，图中未示出)引起相应的科里奥利力130B，这种情况下，记录感测线圈125C和125D之间的互感差别。因此对于陀螺仪102，两对感测线圈提供了确定平面内正交角速度的基础，且当与相同基底104上的陀螺仪101结合时，如图1A和1B所示，关于所有三维的旋转/角速度可被感测和量化。
尽管陀螺仪101和102为许多应用提供了足够的测量敏感度(例如，至少0.5弧度/秒)，由图1A和1B描述的感测线圈产生的信号可通过多种方式加强以达到更强的敏感度(例如，～3x)，图1C-1E示出了示例性技术。图1C是根据本发明的一实施例的感应式陀螺仪103的平面示意图。一般情况下，陀螺仪103与陀螺仪101基本相同(相似组件沿用附图标记)，不同的是，感测线圈设置成不与驱动线圈105在同一平面。这一特征进一步在图1D中说明，其是根据本发明一实施例的感应式陀螺仪103沿着图1C中可见的线条A-A’的横截面图。如图1C和1D所示，感测线圈165A和165B直接设置在基底104上，驱动线圈105(例如，段105B和105D)设置在感测线圈165A、165B的平面之上。由于感测线圈在与基底104平行的平面上具有一个或多个匝，但不是在与驱动线圈105相同的平面，感测线圈可在驱动线圈之下(或之上)在x维和y维这两维居中。照此，当不存在角速度时，驱动线圈两侧感生的磁通量应该相等但相反，使得驱动线圈一侧的正感应EMF抵消了驱动线圈另一侧的负感应EMF，从而达到对称方案中不存在净感应的EMF。角速度的存在移动了驱动线圈，同时破坏了对称性，导致净EMF可被感测。照此，感测到的信号是角速度的更强函数。对于这些实施例，感测信号的处理可以简化，并且达到更大的测量敏感度。尤其，当陀螺仪103在正交平移的上下文中说明了该技术，其也可以等同地应用于蹦床(trampoline)陀螺仪(例如，陀螺仪102)。
图1E是根据本发明实施例的示例性感应式陀螺仪感测线圈架构的平面示意图。感测线圈结构可应用于文中描述的任一个感应式陀螺仪的实施例(例如，图1A-1D)。正如文中其他处所描述的，驱动线圈105设置在与基底104基本平行的平面上。在图1E示出的实施例中，感测线圈具有多个匝。由于具有多个匝，匝数比用于升高感测线圈中感生的电压。在示例性螺旋线圈的实施例中，在单个金属化层(平面)内达到3匝。第二金属化层176然后仅被用于在螺旋上(下)路由。在进一步实施例中，平行于驱动线圈段的感测线圈段的长度可被增加(最大化)。例如，感测线圈175A具有y维长度L2，其至少是驱动线圈105的y维长度L1的90％。在图1E中也示出的另一实施例中，较小尺寸(例如，L3)的多个感测线圈(例如，175B1，175B2和175B3)沿着驱动线圈105的长度(如，L1)设置。感测线圈175B1，175B2和175B3然后可串联。尤其，两个或多个图1C-1E的上下文中描述的架构可被结合。例如，螺旋感测线圈可被设置成不与驱动线圈在同一平面，使得仅路由跨接线(routing jumper)与驱动线圈在同一平面。
在实施例中，自感而不是互感被用于确定角速度。图2A是根据本发明一实施例的感应式陀螺仪201的平面示意图。如图2A所示，导电线圈205通过导电锚208A、208B、208C和208D锚定于基底104。线圈205的几何形状可以基本上如线圈105的描述(例如，平行于基底104的平面，等等)。线圈205设置在磁体110之上，基本上如同对陀螺仪101的描述，磁场再次垂直于基底平面(靠近线圈段205A从平面离开，靠近线圈段205C从平面进入)。正弦驱动信号(例如，由产生器220提供)通过限定与线圈205关联的驱动电路的端子的第一对锚208C和208D来施加。驱动信号产生使线圈205在y维振动的y维上的磁力112。
不像陀螺仪101和102中使用二次线圈，陀螺仪201中，连接至锚208A、208B的第二对导电线圈被当做感测电路中的线圈，该感测电路进一步包括线圈205设置在锚208A、208B之间的部分(例如，图2A中用单独的阴影线标识的段205B的大部分)。从线圈205抽出的锚208A和208B被连接到窄的矩形弹簧区域以促使由于科里奥利力230引起的线圈伸展和压缩。在所示的例子中，像科里奥利力的伸展和压缩在x维，其响应于z维度的角速度(Ω)。如图所示，弹簧在y维具有至少两个长度为L的段，它们通过在x维宽度为W的第三段联接。因此，弹簧本身是能够记录自感的线圈。随着窄矩形弹簧区域压缩以及伸展以适应线圈205的位移(由于科里奥利力230)，这些自感作为线圈几何形状变化的函数而变化。图2B进一步描述了弹簧的变形，其是根据本发明一实施例的连接至锚208B的弹簧段的展开图。照此，感测电路线圈的自感作为z维角速度(Ω)的函数而变化。
如图2A进一步所示，电容器280跨锚208A和208B连接，并且与弹簧一起形成具有作为自感的函数而变化的谐振频率的LC回路。由于电容器280是固定的预定值(例如，1nF的数量级)，跨端子208A和208B产生信号，其可被感测，以确定LC电路的谐振频率，其直接与由于弹簧区域的压缩和伸展引起的自感变化相关。
类似于图1E中描述的多匝感测线圈，陀螺仪201中的锚线圈可具有多个平行弹簧段。例如，图2C是根据本发明一实施例的示例性多弹簧锚209的平面示意图。例如，多弹簧锚209可用于陀螺仪201的实施例中，用于提高感应系数(inductance)和与元件209A、209B中应变相关联的Δd(如图2B所示)之间的线性度。
一般情况下，图1A-2E上下文中描述的陀螺仪实施例可使用任意常规的微电子加工技术来制造，包括基于前端半导体的工艺，如纳米光刻，以及薄膜汽相沉积等。尽管这样的技术在MEMS工艺中是普遍存在的，并且为了高灵敏度的传感器将会实现亚微米特征尺寸(例如，线圈间的间隙)，在示例性实施例中，使用基于后端封装的工艺，例如膜层压和镀层。叠层技术有利地使得陀螺仪被集成到主机IC的封装，该主机IC例如但不局限于，感测信号处理器，和/或感测信号放大器，和/或驱动信号产生器。由于与电容式陀螺仪架构的可能性相比，实施例举例描述的磁驱动/感测架构采用分开更大距离的线圈来操作，因此基于后端封装的工艺可被利用，而电容式的设计仅当采用前端半导体芯片工艺中可能的间隙尺寸来制造时才提供灵敏度。在一个有利的实施例中，感应式陀螺仪，例如但不局限于文中其他处详细描述的那些，可使用无凸块叠加层(BBUL)或一般基底加工工艺来制造。BBUL和基底加工技术一般使用Ajinomoto叠加膜(ABF)层(或其他类似的有机介电材料)，其层压在一起且他们之间具有电镀铜平面。BBUL嵌入式封装技术对于移动芯片封装技术以及要求最小形状因子(由于在封装中BBUL晶片嵌入特性)的其他应用尤其有利(消除了硅芯片的z维高度预算消耗)。因此，采用文中描述的示例性方法，BBUL的超薄形状因子得以保留，与单独制造和组装的惯性传感器有关的花费得以避免。
图3是说明根据本发明实施例的在IC封装叠层中制造感应式陀螺仪的BBUL方法301的流程图。图4A、4B、4C、4D、4E、4F、4G、4H和4I是根据一实施例的依照方法301与IC集成的感应式陀螺仪的结构的横截面图。
方法301开始于在操作305接收IC芯片。IC芯片可包括以下的一个或多个：放大惯性感测信号的电路(例如，由一对感测线圈产生的差分电压信号)；另外处理惯性感测信号的电路(例如，PLL电路、ADC电路等)；产生驱动信号的电路(例如，AC基准产生器等)；或基于惯性感测信号计算旋转的电路(例如，配置为计算关于偏航、俯仰以及摇摆中至少之一的欧拉角的逻辑处理器)。
在操作310，在膜层压时，IC芯片设置在适于作为支撑的底座上，例如图4A中，IC芯片405设置在底座407上。通常，底座407是临时的把手(handle)并且可以是金属，例如但不局限于铜。IC芯片405可以本领域已知的多种方法中的任一种(例如，粘合剂，等)固定到底座407。同样在操作310，薄基底409，例如但不局限于硅基底，布置在底座407上，该薄基底409被减薄到一定厚度，其用于关于IC芯片405的顶表面来平面化布置在基底409上的结构。磁体410然后布置在基底409上。替代地，磁体410可以预组装在基底409上。
继续方法301，在操作315，电介质叠层，例如ABF，或ABF类有机电介质膜层压在磁体和IC芯片上。图4B中进一步描述了，ABF 415层压在磁体410和IC芯片405上，将他们二者嵌入。方法301前进到操作320，其中在电介质叠层中图案化特征。例如，使用现有技术中已知的常规BBUL技术图案化通孔开口。第一金属化层，例如但不局限于铜，然后使用任何常规沉积技术、例如但不局限于电镀而沉积到通孔中。如图4C进一步所示，金属化层420包括线圈结构420A、通孔(作为锚420B)、锚420B和IC405之间的互连420C，以及再分布层(RDL)迹线420D。
回到图3，方法301在操作325继续层压另一电介质叠层到第一金属化层之上。在如图4D所示的示例性实施例中，ABF 425层压到线圈结构420A、锚420B、锚420B和IC405之间的互连420C，以及再分布层(RDL)迹线420D中的每一个上。方法301继续到操作330，防护金属化结构被镀到线圈结构上。如图4E进一步所示，第二层金属化用于形成防护网430(锚定在不被线圈结构420A占用的多个位置)。同样的金属化形成了连接到RDL迹线420D的凸块(bump)或焊球焊盘(solder ball pads)433。
在操作335，抗蚀剂层然后被施加以及图案化(例如，使用掩模)以露出防护金属化(和线圈)区域，如图4F中进一步描述，其中抗蚀剂层435在防护网430上开口。然后在操作340使用蚀刻工艺(图4)，例如但不局限于，等离子体氧基蚀刻(灰分)，以释放至少一个线圈结构(例如，形成围绕驱动线圈的空腔)。图4G进一步示出了线圈结构420A、锚420B和磁体410全部通过所选择的蚀刻操作340而露出。如图4H所示，抗蚀层然后被剥去，方法301继续到操作350，其中电介质膜450采用防护金属化而层压到释放的线圈上，确保线圈结构420A、锚420B、磁体410等的周围形成空腔455。随着IC芯片405和感应式陀螺仪的组件现在都完全采用叠层来嵌入，底座现在可在操作360被移除，如图4I进一步所示。方法301然后可继续用常规工艺完成集成惯性传感器的装配(例如，使用焊球贴合工艺等)。
本发明的实施例包括感应式陀螺仪的操作。图5和6是示出了根据本发明实施例的，确定感应式陀螺仪的旋转角速率的方法501和601的流程图。在某些这类实施例中，方法501和601中的操作由包括至少一个IC芯片和感应式陀螺仪的集成惯性传感器执行。在进一步实施例中，集成惯性传感器可在一个BBUL封装内提供，如文中其它处描述。
对于方法501，在操作505，通过线圈驱动时变电流，采用使得在相对于设置线圈的IC封装的第一维度振动这样的方式将该线圈设置在磁体上以及从基底上释放。驱动电流的来源可来自与线圈相同的IC封装内的IC，或由外部源提供，例如通过设置线圈的IC封装中的RDL路由至线圈。在操作510，第一和第二时变电压信号由具有一对感测线圈的振动线圈通过互感而产生。第一和第二线圈与振动线圈布置在相同的IC封装中，以及可进一步相对于振动线圈以图1A-1B中描述的方式定位，例如，因此时变信号作为IC封装所经历的角速度的函数(例如，在正交于第一维度的第二维度)彼此偏离。在操作515，基于从第一和第二线圈中输出的时变电压信号确定封装的IC(以及因此布置封装的IC的移动装置)的偏航、俯仰或摇摆中的至少一个。在实施例中，确定偏航、俯仰或摇摆的旋转计算电路布置在与振动线圈相同的IC封装内的IC上。
方法501可进一步包括，基于第三和第四时变信号确定偏航、俯仰或摇摆中的第二个，其中封装IC进一步包括附加的一对线圈以及取向在第二维度的第二磁体，如文中其它处描述的。类似的，方法501可进一步包括，基于第五和第六时变信号确定偏航、俯仰或摇摆中的第三个，其中封装IC进一步包括附加的一对线圈以及相对于第一和第二磁体来取向的第三磁体，如文中其它处描述的。
现在如图6所示，方法601开始于操作605，与操作505相似，需要通过线圈驱动时变电流，采用使得相对于设置线圈的IC封装的第一维度振动这样的方式，将该线圈设置在磁体上以及从基底上释放。驱动电流的来源可来自与线圈相同的IC封装内的IC，或由外部源提供，例如通过设置线圈的IC封装中的RDL路由至线圈。在操作610，跨由振动线圈的一部分和跨接第二对线圈锚而耦合的电容器形成的LC回路中的该第二对导电线圈锚产生信号，例如在图2A上下文中所描述的。该信号被感测且其频率被测量以确定LC电路的谐振频率。在操作615，第二对线圈锚中的弹簧自感(或其变化)从谐振频率中被确定，以及在操作620，角速度从确定的自感中被确定。在一个实施例中，自感确定和角速度确定由设置在与振动线圈相同的IC封装内的IC执行。根据自感确定，与确定的自感对应的第二锚中的弹簧的压缩或伸展可进一步被确定。然后角速度可根据弹簧的压缩或伸展量来确定。方法601然后可进一步包括基于谐振频率、和/或弹簧压缩或伸展、和/或角速度中的一个或多个确定封装IC(以及因此设置封装IC的移动装置)的偏航、俯仰或摇摆中的至少一个。
图7示出了根据本发明一实施例的计算装置平台700的等距视图以及平台使用的微电子装置710的示意图721。计算平台700可以是配置为电子数据显示器、电子数据处理、以及无线电子数据传输中各个的任一便携式装置。对于示例性移动实施例，计算平台700可以是手写板、智能手机、笔记本电脑或超级计算机等中任何一个，并且包括可以是触摸屏(电容式、感应式、电阻式等)的显示屏705、芯片级(SoC)或封装级集成的微电子装置710，以及电池713。
集成装置710在展开图721中进一步示出。在示例性实施例中，装置710包括至少一个存储器芯片和至少一个处理器芯片(例如，多核微处理器和/或图形处理器核730、731)。在实施例中，集成惯性传感器732包括集成到装置710的感应式陀螺仪，例如如文中其它处更详细描述的(如，图1A、1B、2A等)。装置710进一步耦合到板、基底或插入装置500，以及以下各项中的一个或多个：电源管理集成电路(PMIC)715、包括宽带RF(无线)发射机和/或接收机的RF(无线)集成电路(RFIC)725(例如，包括数字基带和模拟前端模块，其进一步包括发射路径上的功率放大器和接收路径上的低噪声放大器)，以及它的控制器711。
可操作地，PMIC 715执行电池电源调节、DC到DC转换等，并因此具有耦合到电池713的输入以及向所有其他功能模块提供电流供应的输出。如进一步所示，在示例性实施例中，RFIC 725具有耦合到天线的输出以用于实现任何许多无线标准或协议，例如但不局限于Wi-Fi(IEEE802.11系列)、WiMAX(IEEE 802.16系列)、IEEE 802.20、长期演进(LTE)、Ev-DO、HSPA+、HSDPA+、HSUPA+、EDGE、GSM、GPRS、CDMA、TDMA、DECT、蓝牙及其派生，以及其他任何指定为3G、4G、5G和下一代的无线协议。在实现中，这些模块中的每一个可集成到例如SoC的单独芯片上，或集成到耦合于封装装置710的封装基底的独立IC芯片上，或是板级的。
图8是根据本发明一实施例的计算装置1000的功能框图。计算装置1000可应用在平台700内，例如，并进一步包括含有多个组件的板1002，例如但不局限于处理器1004(例如，应用处理器)以及至少一个通信芯片1006。在实施例中，至少该处理器1004与根据文中其它处描述的实施例的惯性传感器集成(例如，在封装中)。处理器1004物理上以及在电方面耦合到板1002。处理器1004包括封装到处理器中的集成电路晶片，其中术语“处理器”可以指处理来自寄存器和/或存储器的电子数据，以将该电子数据转换为可以存储在寄存器和/或存储器中的其他电子数据的任何装置或装置的一部分。
在一些实现中，该至少一个通信芯片1006也在物理上以及电方面耦合到板1002。在进一步实现中，通信芯片1006是处理器1004的一部分。取决于其应用，计算装置1000可包括其他组件，其可以或可以不在物理上和电方面耦合到板1002。这些其他组件包括，但不局限于，易失存储器(例如，DRAM)、闪存或STTM等形式的非易失存储器(例如，RAM或ROM)、图形处理器、数字信号处理器、加密处理器、芯片集、天线、触摸屏显示器、触摸屏控制器、电池、音频编码解码器(audio codec)、视频编码解码器、功率放大器、全球定位系统(GPS)装置、集成惯性传感器、加速度计、扬声器、拍摄装置以及大容量存储器(例如硬盘驱动器、固态驱动机(SSD)、压缩盘(CD)、数字多功能盘(DVD)，等等)。
至少一个通信芯片1006实现无线通信以用于数据传输往返计算装置1000。术语“无线”及其派生词可用来描述可以使用调制的电磁辐射通过非固态介质来传送数据的电路、装置、系统、方法、技术、通信信道等。该术语并不意味着相关的装置不包含任何导线，但在一些实施例中它们可能不包含导线。通信芯片1006可实现任何许多无线标准或协议，包括但不局限于文中其它处所描述的。计算装置1000可包括多个通信芯片1006。例如，第一通信芯片1006可专用于短距离无线通信，例如Wi-Fi和蓝牙，第二通信芯片1006可专用于长距离无线通信，例如GPS、EDGE、GPRS、CDMA、WiMAX、LTE、Ev-DO及其他。
可以理解的是，上述描述意在作为示例而非限制。举例来说，当附图中的流程图示出本发明某些实施例中所执行的特殊顺序的操作时，应当理解为这样的顺序并不是必需的(例如，替代实施例可以用不同的顺序、结合某些操作、重复某些步骤等的方式执行操作)。此外，对读过并了解以上说明的本领域技术人员而言，其他许多实施例都是显而易见的。虽然本发明是参考具体示范性实施例说明的，但是应认识到，本发明并不限于所记载的实施例，而可以在所附权利要求的精神和范围内的修改和变动来实施。本发明的范围因此应当以所附的权利要求连同赋予这些权利要求的完整范围的等同来确定。

Claims (19)

1.一种微电子机械系统（MEMS）陀螺仪，包括：
基底，包含磁体；
驱动线圈，设置在所述基底上且位于所述磁体的磁场内以作为通过所述驱动线圈的时变电流的函数而在相对于所述基底的第一维度振动，
至少一个感测线圈，设置在所述基底上且相对于所述驱动线圈设置，以记录作为正交于所述第一维度的第二维度的角速度的函数而变化的电感。
2.如权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其中所述至少一个感测线圈包括一对感测线圈，用于记录响应于所述驱动线圈在不同于所述第一维度的维度上的位移的其互感的差别，所述互感的差别大于响应于所述驱动线圈在所述第一维度的位移而记录的互感差别。
3.如权利要求2所述的MEMS陀螺仪，其中所述驱动线圈在平行于所述基底的平面呈平面状，所述驱动线圈包括四个基本正交的具有多个导电锚的段，且至少一对所述导电锚提供端子，通过所述端子来对所述驱动线圈施加所述时变电流。
4.如权利要求3所述的MEMS陀螺仪，其中所述第一维度平行于所述基底的平面；
其中所述磁场和所述角速度垂直于所述基底的平面；
以及
其中所述感测线圈进一步包括：第一对感测线圈，其具有平行于沿着第一平面内维度延伸的所述驱动线圈的相对侧上的段的线圈长度，用于记录响应于所述驱动线圈在第二平面内维度的位移的互感差别，所述第二平面内维度正交于所述第一平面内维度；以及第二对感测线圈，其具有平行于沿着第二平面内维度延伸的所述驱动线圈的相对侧上的段的线圈长度，所述第二对感测线圈用于记录响应于所述驱动线圈在所述第一平面内维度的位移的互感差别。
5.如权利要求3所述的MEMS陀螺仪，其中所述第一维度正交于所述基底的所述平面，其中所述磁场和所述角速度平行于所述基底的所述平面。
6.如权利要求2所述的MEMS陀螺仪，其中所述一对感测线圈中的每个包括以下中的至少一个：
螺旋件，其具有制造在平行于所述基底的相同平面内的多个匝；或
多个线圈，沿着所述驱动线圈的长度设置且串联；或
一个或多个匝，位于平行于所述基底但与所述驱动线圈不同平面的平面，所述一个或多个匝对称地设置在所述驱动线圈的一段上。
7.如权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其中所述时变电流通过第一对导电线圈锚来驱动，其中所述感测线圈包括第二对导电线圈锚以及设置在所述第二对导电线圈锚之间的所述感测线圈的一部分，所述第二对导电线圈锚记录作为正交于所述第一维度的第二维度的角速度的函数而变化的自感，其中谐振频率作为自感和跨接所述第二对导电线圈锚而耦合的电容器的电容的函数而变化。
8.如权利要求7所述的MEMS陀螺仪，其中所述第一维度平行于所述基底的平面，其中所述磁场和所述角速度垂直于所述基底的平面，其中所述第二对导电线圈锚包括沿着所述第二维度以改变其自感的方式压缩以及伸展的弹簧。
9.一种确定包含封装集成电路（IC）的移动装置的旋转角速率的方法，该方法包括：
驱动通过第一线圈的时变电流，所述第一线圈设置在第一磁体的第一磁场中，所述第一磁体沿着所述第一线圈嵌入到IC封装电介质中，用于使所述第一线圈在相对于所述IC封装的第一维度振动；
采用一对感测线圈通过响应于所述第一线圈的位移的互感而产生第一和第二时变电压信号，所述第一和第二时变电压信号作为第二维度的角速度的函数而彼此偏离，所述第二维度正交于所述第一维度；以及
基于所述第一和第二时变电压信号来确定所述移动装置的偏航、俯仰或摇摆中的第一个。
10.如权利要求9所述的方法，进一步包括：
驱动通过第二线圈的时变电流，所述第二线圈设置在正交于所述第一磁场的第二磁场中，用于使所述第二线圈在所述第一维度振动；
采用一对感测线圈通过响应于所述第二线圈的位移的互感而产生第三和第四时变电压信号，所述第三和第四时变电压信号作为在正交于所述第二维度的维度的角速度的函数而彼此偏离；以及
基于所述第三和第四时变电压信号来确定所述移动装置的偏航、俯仰或摇摆中的第二个。
11.一种集成微电子机械系统（MEMS）惯性传感器，包括：
如权利要求7所述的陀螺仪，以及
位于所述感测线圈的下游的旋转计算器，所述旋转计算器用于基于所述谐振频率确定旋转。
12.如权利要求11所述的集成微电子机械系统（MEMS）惯性传感器，其中所述旋转计算器包括与所述陀螺仪一起设置在相同封装内的集成电路（IC）芯片上的电路，其中所述感测线圈或者所述驱动线圈包括至少一个设置在所述封装的有机电介质叠层内的金属化结构层。
13.一种集成微电子机械系统（MEMS）惯性传感器，包括：
集成电路IC芯片；
磁体；以及
感应式微电子机械系统（MEMS）陀螺仪，包括设置在所述磁体之上或之下的导电线圈，可操作成在设置在所述陀螺仪和所述IC芯片之上的一个或多个封装叠层中形成的空腔中振动。
14.如权利要求13所述的集成微电子机械系统（MEMS）惯性传感器，其中所述IC芯片通过嵌入在所述一个或多个封装叠层中的金属化结构层电连接到所述陀螺仪的至少一个导电线圈，
其中连接所述线圈到所述IC芯片的金属化结构是与形成所述至少一个导电线圈的同一层的金属化结构；
进一步包括设置在所述空腔上的导电网，所述导电网位于与再分布层所采用的相同的金属化结构层，所述再分布层在所述IC芯片和焊盘之间路由导电迹线，所述焊盘尺寸化成收容凸块或焊料球至少其中之一。
15.一种形成集成微电子机械系统（MEMS）惯性传感器的方法，该方法包括：
在底座上设置IC芯片和磁体；
在所述IC芯片和磁体上层压电介质膜；
在所述电介质膜中图案化特征；
在所述特征中沉积第一金属化结构层，以形成一个或多个靠近所述磁体设置的导电线圈；
在所述第一金属化结构层上层压电介质膜；
在所述一个或多个导电线圈上沉积第二金属化结构层；
选择性地移除所述电介质膜以释放所述一个或多个线圈中的至少一个；
在所述第二金属化结构层上层压电介质膜；以及
移除所述底座。
16.如权利要求15所述的方法，其中在所述特征中沉积所述第一金属化结构层进一步包括使所述IC和所述一个或多个线圈中的至少一个互连，形成驱动线圈和至少一对与所述驱动线圈物理上分离的感测线圈，其中选择性地移除所述电介质膜以释放所述一个或多个线圈中的至少一个进一步包括释放所述驱动线圈。
17.一种确定包含封装集成电路（IC）的移动装置的旋转角速率的装置，该装置包括：
用于驱动通过第一线圈的时变电流的部件，所述第一线圈设置在第一磁体的第一磁场中，所述第一磁体沿着所述第一线圈嵌入到IC封装电介质中，用于使所述第一线圈在相对于所述IC封装的第一维度振动；
用于采用一对感测线圈通过响应于所述第一线圈的位移的互感而产生第一和第二时变电压信号的部件，所述第一和第二时变电压信号作为第二维度的角速度的函数而彼此偏离，所述第二维度正交于所述第一维度；以及
用于基于所述第一和第二时变电压信号来确定所述移动装置的偏航、俯仰或摇摆中的第一个的部件。
18.如权利要求17所述的装置，进一步包括：
用于驱动通过第二线圈的时变电流的部件，所述第二线圈设置在正交于所述第一磁场的第二磁场中，用于使所述第二线圈在所述第一维度振动；
用于采用一对感测线圈通过响应于所述第二线圈的位移的互感而产生第三和第四时变电压信号的部件，所述第三和第四时变电压信号作为在正交于所述第二维度的维度的角速度的函数而彼此偏离；以及
用于基于所述第三和第四时变电压信号来确定所述移动装置的偏航、俯仰或摇摆中的第二个的部件。
19.一种计算机可读介质，具有存储在其上的指令，所述指令在处理器上执行时促使所述处理器执行如权利要求9-10中任一项所述的方法。
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