DE112013000325T5

DE112013000325T5 - Architektur und Herstellung von induktiven Inertialsensoren in Verpackungsaufbauschichten

Info

Publication number: DE112013000325T5
Application number: DE112013000325.2T
Authority: DE
Inventors: Qing Ma; Kevin L. Lin; Johanna M. Swan; Weng Hong Teh; Valluri R. Rao; Feras Eid
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2012-12-19
Filing date: 2013-06-19
Publication date: 2014-08-21
Anticipated expiration: 2033-06-20
Also published as: JP6073375B2; KR20140096167A; GB201411224D0; GB2514022A; GB2514022B; US20140165723A1; CN104380041A; TW201432266A; US9429427B2; CN104380041B; DE112013000325B4; JP2015509585A; KR101682991B1; WO2014098985A1; TWI624669B

Abstract

Diese Erfindung betrifft induktive Inertialsensoren, die einen Magnetantrieb und/oder eine Lesearchitektur verwenden. In Ausführungsformen verwenden translative Gyroskope eine leitfähige Spule zum Schwingen in einer ersten Dimension in Abhängigkeit von zeitveränderlichem Strom, der in Gegenwart eines Magnetfeldes durch die Spule geleitet wird. Lesespulen verzeichnen eine Induktivität, die in Abhängigkeit von einer Winkelgeschwindigkeit in einer zweiten Dimension variiert. In Ausführungsformen bringt die vibrierende Spule erste und zweite wechselseitige Induktivitäten in den Lesespulen dazu, in Abhängigkeit von der Winkelgeschwindigkeit voneinander abzuweichen. In Ausführungsformen variieren die Eigeninduktivitäten in Verbindung mit einem Paar mäanderförmiger Windungen in Abhängigkeit von einer Winkelgeschwindigkeit in einer zweiten Dimension. In Ausführungsformen werden Verpackungsaufbauschichten verwendet, um die induktiven Inertialsensoren herzustellen und integrierte Inertialermittlung auf Verpackungsebene zu ermöglichen, was in kleinen Formfaktor-Rechnerplattformen wie z. B. Mobilgeräten von Vorteil ist.

Description

TECHNISCHER BEREICH
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen integrierte Inertialsensoren und insbesondere induktive Gyroskope.
HINTERGRUND
Inertialsensoren sind in vielen Geräten wie Verbraucher-Mobilgeräten (z. B. Smartphones, Game-Controller, usw.) enthalten. Gyroskope werden als Sensoren für Winkelgeschwindigkeit oder Winkelbeschleunigung verwendet, die durch Rotation eines beweglichen Körpers erzeugt wird und kann unter Verwendung von MEMS-Herstellungsverfahren gebildet werden, die in der Regel Herstellungstechniken für Halbleiter verwenden. MEMS-Gyroskope können eine suspendiert Prüfmasse enthalten, die angetrieben wird, um mechanisch in einer ersten Dimension im Verhältnis zu einem Träger mit der Kopplungsenergie der Corioliskraft der schwingenden Masse in eine orthogonale (abgetastete) Dimension zu vibrieren, wenn das Gyroskop (das in dem mobilen Gerät angeordnet ist) eine Drehung erhält. Eine Rotationsgeschwindigkeit (z. B. rad/Sek.) kann dann bestimmt werden. Eine oder mehrere solcher Gyroskope können dann verwendet werden, um Rotationswinkel über eine dreidimensionale Achse (z. B. Gieren, Nicken, Rollen) zu bestimmen, wenn sie in einer mobilen Vorrichtung eingebettet sind.
Viele MEMS-Gyroskope basieren auf einer Änderung der Kapazität der Prüfmasse und dem Träger aufgrund der Coriolis-Kraft, die beispielsweise durch Umwandeln des Wertes der Kapazität in eine Spannung entsteht. Deshalb ist es wünschenswert, die kapazitive Kopplung zwischen der suspendierten Prüfmasse und dem Träger durch Minimieren des physikalischen Abstands zwischen den Oberflächen der Prüfmasse und dem Träger breit zu gestalten. Zum Beispiel kann der Spaltabstand zwischen kapazitiv gekoppelten Flächen einer suspendierten Prüfmasse und dem Träger a aus Gründen der größeren Sensorempfindlichkeit im Nanometerbereich liegen. Jedoch beruhen solche Abmessungen auf fortschrittlichen Dünnfilm-Techniken (z. B., konformen Abscheidungen, anisotropen Plasmaätzungen, usw.), die die Herstellung solcher Inertialsensoren als einzelne Bauelemente erfordern und normalerweise ein Silizium (z. B. MEMS)-Chip verwenden, der von einem Prozessor oder anderen verarbeitenden Logikfunktionen integrierter Schaltungs(IC)-Chips in dem mobilen Endgerät getrennt ist. Somit erfolgt die Integration von Inertialsensoren mit anderen ICs in der Regel auf der Platine.
Inertialsensoren, die mit ICs in einer gleichen Verpackung auf eine Weise integriert werden können, dass die Verpackung nicht wesentlich größer sein muss als normalerweise, sind daher vorteilhaft, insbesondere für die Bauformen von mobilen Endgeräten.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind beispielhaft und nicht einschränkend in den Abbildungen der beigefügten Zeichnungen veranschaulicht, in denen:
eine schematische Draufsicht eines induktiven Gyroskops, in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung ist;
eine schematische Draufsicht eines induktiven Gyroskops, in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung ist;
eine schematische Draufsicht eines induktiven Gyroskops, in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung ist;
eine Querschnittsansicht des induktiven Gyroskops in , in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung ist;
eine schematische Draufsicht beispielhafter Architekturen induktiver Gyroskoplesespulen, in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der Erfindung ist;
eine schematische Draufsicht eines induktiven Gyroskops, in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung ist;
eine erweiterte Ansicht von Federsegmenten in einer Befestigung einer Spule im induktiven Gyroskop von in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung ist;
ist eine schematische Draufsicht einer beispielhaften Mehrfederbefestigung einer Spule für das induktive Gyroskop von in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung ist;
ein Flussdiagramm ist, das ein Verfahren der Herstellung eines induktiven Gyroskops in IC-Gehäuse-Aufbauschichten, in Übereinstimmung mit Ausführungen der Erfindung darstellt;
, , , , , , , und Querschnittszeichnungen von Strukturen der Integration eines Inertialsensors mit einem IC nach dem in dargestellten Verfahren in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform sind;
und sind Flussdiagramme, die Verfahren der Bestimmung einer Winkeldrehgeschwindigkeit mit einem induktiven Gyroskop in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der Erfindung sind;
isometrische und erweiterte Ansichten einer mobilen EDV-Plattform mit einem induktiven Inertialsensor in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform darstellt; und
ein EDV-Gerät nach einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Hier sind Ausführungsformen induktiver Gyroskope beschrieben, die einen Magnetantrieb und/oder eine Tastarchitektur verwenden, die für die Herstellung in Verpackungsaufbauschichten zugänglich ist. In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche Details dargelegt, jedoch ist es für einen Fachmann auf dem Gebiet offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung ohne diese spezifischen Details praktiziert werden kann. In einigen Fällen sind gut bekannte Verfahren und Vorrichtungen in Blockdiagrammform anstatt im Detail dargestellt, um eine Verschleierung der vorliegenden Erfindung zu vermeiden. Die Bezugnahme in dieser Beschreibung auf ”eine Ausführungsform” oder ”in einer Ausführungsform” bedeutet, dass ein bestimmtes Merkmal, eine Struktur, Funktion oder Eigenschaft, die in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben ist, in mindestens einer Ausführungsform der Erfindung enthalten ist. Somit bezieht sich der Ausdruck ”in einer Ausführungsform” an verschiedenen Stellen dieser Beschreibung nicht notwendigerweise auf dieselbe Ausführungsform der Erfindung oder auf nur ein Ausführungsbeispiel. Weiterhin können die bestimmten Merkmale, Strukturen, Funktionen oder Eigenschaften in jeder geeigneten Weise in einer oder mehreren Ausführungsformen kombiniert werden. Zum Beispiel kann eine erste Ausführungsform mit einer zweiten Ausführungsform überall da kombiniert werden, wo die beiden Ausführungsformen nicht speziell als sich gegenseitig ausschließend bezeichnet sind.
Der Ausdruck ”gekoppelt” wird hier verwendet, um funktionelle oder strukturelle Beziehungen zwischen Komponenten zu beschreiben. ”Gekoppelt” kann verwendet werden, um anzuzeigen, dass zwei oder mehr Elemente entweder in direktem oder indirektem (mit anderen dazwischen liegende Elemente zwischen ihnen oder durch das Medium) mechanischen, akustischen, optischen oder elektrischen Kontakt miteinander sind und/oder dass die zwei oder mehr Elemente zusammenwirken oder miteinander interagieren (z. B. wie in einer Ursache-Wirkung-Beziehung).
Die Begriffe ”über”, ”unter”, ”zwischen” und ”auf”, wie hierin verwendet, beziehen sich auf eine relative Position einer Komponente oder Materialschicht in Bezug auf andere Komponenten oder Schichten, in denen solche physikalischen Zusammenhänge für mechanische Komponenten in einer Baugruppe oder im Rahmen von Materialschichten eines mikrobearbeiteten Stapel von Bedeutung sind. Eine Schicht (Komponente), die über oder unter einer anderen Schicht (Komponente) angeordnet ist, kann direkt in Kontakt mit der anderen Schicht (Komponente) sein oder eine oder mehrere Zwischenschichten (Komponenten) haben. Darüber hinaus kann eine zwischen zwei Schichten (Komponenten) angeordnete Schicht (Komponente) direkt in Kontakt mit den beiden Schichten (Komponenten) sein oder eine oder mehrere Zwischenschichten (Komponenten) haben. Im Gegensatz dazu ist eine erste Schicht (Komponente) ”auf” einer zweiten Schicht (Komponente) in direktem Kontakt mit dieser zweiten Schicht (Komponente).
Wenn nicht anders angegeben, wie aus den folgenden Diskussionen ersichtlich ist, versteht es sich, dass sich in den gesamten Spezifikationsbesprechungen die Begriffe wie ”Verarbeitung”, ”Datenverarbeitung”, ”Berechnung”, ”Bestimmung” oder dergleichen auf die Tätigkeit und/oder Prozesse eines Computers oder Rechensystems oder einer ähnlichen elektronischen Rechenvorrichtung beziehen, die als physikalische, wie beispielsweise elektronische Mengen dargestellte Daten innerhalb der Register des Computersystems und/Speichern in andere Daten verarbeiten/umwandeln, die ähnlich als physikalische Größen innerhalb der Speicher, Register des Computersystem oder Informationsspeicher-Übertragungs- oder Anzeigegeräten dargestellt sind.
Ausführungsformen der hier beschriebenen Gyroskope verwenden einen Magnetantrieb und/oder eine Tastarchitektur, die die für Gyroskope mit kapazitivem Antrieb und/oder Tastarchitektur üblichen Submikrometer-Strukturgrößen nicht erfordern. Wie hierin verwendet, beinhaltet ein ”Magnetantrieb” die Induktion von zeitlich variierendem Strom in eine Hauptspule, die so verankert ist, dass eine gesteuerte Richtungsschwingung der Hauptspule aufgrund des Durchgangs des Stroms in der Spule durch ein magnetisches Feld möglich ist. Ein ”Magnetsinn” bedeutet das Erfassen einer wechselseitigen oder Eigeninduktivität, die als Folge der Verschiebung der Spule durch eine Winkelgeschwindigkeit variiert. Als solches dient die Hauptspule als beweglicher Prüfmasse und dient zudem der zusätzlichen Funktion des Tragens eines oder mehrerer zeitlich variierender Ströme durch ein oder mehrere Magnetfelder.
Die Erfinder befanden, dass induktive Inertialsensorarchitekturen mit kritischen Strukturbreiten deutlich größer sein können als die für kapazitive Treiber-/Abtastformen erforderlichen und gleichzeitig eine Rotationsmessempfindlichkeit erreichen, die für viele Verbraucherprodukte ausreichend ist. Somit können Herstellungstechniken, wie z. B. Techniken, die in der Verpackung eines IC-Chips (z. B. organische dielektrische Aufbauschichten) eingesetzt werden, für die Herstellung der Sensoren verwendet werden, so dass sie bei der Verpackung mit dem IC integriert werden können, um einen ultrakompakten Formfaktor zu erzielen, der bei kapazitiven Tast-/Antriebssystemen nicht möglich ist. Weiterhin wurden Ausführungsformen der hier beschriebenen induktiven Gyroskope sich als sehr wenig Leistung erfordernd herausgestellt. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform eine Hauptspule mit einer Stromstärke im Bereich von 1–10 mA bei einer Antriebsspannung in der Größenordnung, mit der normalerweise mobile Endgeräten versorgt werden (z. B. 1,5 bis 3,3 V), betrieben werden.
1A ist eine schematische Draufsicht für ein induktives Gyroskop 101, in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung. Wie gezeigt, ist eine Antriebsspule 105 über einem Substrat 104 angeordnet. Die Antriebsspule 105 ist ein leitfähiges Material, wie z. B. eine Metallisierungsschicht (z. B. Cu), das auf dem Substrat 104 durch leitende Befestigungen 108A, 108B, 108C und 108D (zB Cu Vias) verankert ist. In der dargestellten Ausführungsform wird die Antriebsspule 105 im Wesentlichen parallel zur Ebene des Substrats 104. Das Substrat 104 kann jedes herkömmliche Material auf dem Gebiet der mikroelektromechanischen Systeme (MEMS) oder der Mikroelektronik-Verpackung sein, wie beispielsweise dünnen Silicium, Gläser, Epoxide, Metalle, dielektrische Folien, organische Folien, usw. Im Ausführungsbeispiel ist die Antriebsspule 105 im Wesentlichen planar zu der Ebene, die parallel zu einer Ebene des Substrats 104 verläuft. Die beispielhafte Antriebsspule 105 umfasst für vier wesentliche orthogonale Segmente 105A, 105B, 105C und 105D, die eine kontinuierliche leitende Spurschleife bilden.
Die Antriebsspule 105 ist über einem Magnet 110 angeordnet, um in einem Magnetfeld (B) 111 des Magneten 110 zu liegen. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Magnet 110 ein Permanentmagnet, der über dem Substrat 104 angeordnet ist. Im Ausführungsbeispiel ist der Magnet 110 ist ein getrenntes, massives magnetisches Material, wie beispielsweise Co-Legierungen. Für das induktive Gyroskop 101 ist der Magnet 110 so, dass das magnetische Feld 111 senkrecht zu der Ebene des Substrats 104 liegt, wobei das Feld 111 davon abgeht und jeweils an den Nord- und Südpolen zum Substrat 104 zurückkehrt, wie dargestellt.
Ein Treibersignalgenerator 120 ist in gestrichelter Linie in dazu dargestellt, dass der Generator 120 auf dem Substrat 104 angeordnet sein kann oder auch nicht. Als ein Beispiel kann der Treibersignalgenerator 120 von einem IC ausgehen, dass auf einem zweiten Substrat angeordnet ist, aber auch innerhalb der Verpackungsschichten enthalten sein, um das induktive Gyroskop 101 zu bilden, wie hier an anderer Stelle beschriebenen ist. Der Treibersignalgenerator 120 dient dem Antrieb eines zeitlich variierenden Stroms (z. B. sinusförmig) durch die Antriebsspule 105 über mindestens ein Paar der leitfähigen Befestigungen 108A, 108B, 108C und 108D. In der dargestellten Ausführungsform ist ein erstes Paar der leitfähigen Befestigungen (z. B. 108A, 108D), die einer ersten Dimension entsprechen, mit den beiden Anschlüssen des Generators 120 verbunden, während ein zweites Paar der leitenden Befestigungen (z. B. 108B, 108C), die einer zweiten, orthogonalen Dimension entsprechen, ähnlich konfiguriert und parallel zu dem ersten Paar sind.
Im Betrieb führt die Spule 105 führt den zeitlich variierenden Strom, der durch das Magnetfeld 111 verläuft (z. B. entlang der Antriebsspulensegmente 105A und 105C), was eine magnetische Kraft 112 erzeugt, die bewirkt, dass die Antriebsspule 105 in einer ersten Dimension (z. B. die y-Dimension) im Verhältnis zum Substrat 104 vibriert. In vorteilhaften Ausführungsformen wird die Spule 105 durch einen Strom bei einer Frequenz nahe der Resonanzfrequenz für den größten Coriolis-Effekt (Kraft) bei einer gegebenen Antriebsleistung angetrieben. Erfolgt eine externe Winkelrotation an einer Rotationsachse entlang einer zweiten Dimension, senkrecht zur ersten Dimension an der die Spule 105 oszilliert, wird die schwingende Antriebsspule durch die Corioliskraft auf einer dritten Dimension, die orthogonal zu der ersten und zweiten Dimension verläuft, verschoben. Somit erzeugt für das beispielhafte induktive Gyroskop 101, wo die Schwingung parallel zu dem Substrat 104 verläuft (entlang der Dimension y auf gleicher Ebene), eine externe Rotation um eine senkrechte Achse zur Ebene des Substrates 104 (d. h., eine Winkelgeschwindigkeit Ω ist in der z-Dimension), eine Corioliskraft 130, die die Antriebsspule 105 in der X-Dimension verschiebt.
In Ausführungsformen werden eine oder mehrere Lesespulen eingesetzt, um eine wechselseitige Induktivität durch Verschiebung der Antriebsspule 105 zu registrieren. Wie in dargestellt, ist ein erstes Paar von Lesespulen 125A und 125B auf gegenüberliegenden Seiten der Antriebsspule 105 angeordnet (z. B. jeweils parallel zu den Antriebsspulensegmenten 105B und 105D). Die Lesespulen 125A, 125B beinhalten auch metallisierte Leiterbahnen (z. B. Cu), und können planar mit der Antriebsspule 105 sein, sind jedoch an dem Substrat 104 oder darüber befestigt (d. h. nicht freigegebenen Strukturen), und vibrieren daher nicht. In einer beispielhaften Ausführungsform, die in dargestellt ist, sind die Lesespulen 125A und 125B in der gleichen Ebene wie die Antriebsspule 105 (d. h. der gleiche Grad der Metallisierung).
Bei den Lesespulen 125A und 125B, die jeweils im Wesentlichen parallele Segmente zu den Antriebsspulensegmente 105B und 105D haben, kann die wechselseitige Induktivität in den Lesespulen 125A und 125B entsprechend der Verschiebung der Antriebsspulen in der x- und y-Dimension abweichen. Wegen der Symmetrie der Lesespulen 125A und 125B in Bezug auf die Antriebsspule 105 in der y-Dimension (z. B. gleiche Spulenlängen in der y-Dimension, gleicher Abstand in der x-Dimension zwischen den Antriebs- und Lesespulen in Abwesenheit von externer Rotation), weisen beide Lesespulen 125A und 125B in etwa die gleiche wechselseitige Induktivitätsschwankung entsprechend der Antriebsspulenverschiebung in der y-Dimension auf. Allerdings weisen die Lesespulen 125A und 125B für Verschiebungen der Antriebsspule 105 in der x-Dimension jeweils erste und zweite wechselseitige Induktivitäten auf, die in Abhängigkeit von der Winkelgeschwindigkeit voneinander abweichen. Somit ist die gegenseitige Induktivität der Lesespulen 125A, 125B, die als Reaktion auf eine Verschiebung der Antriebsspule in der x-Dimension verzeichnet wird, größer ist als jede kleinste wechselseitige Induktivitätsdifferenz, die von den Lesespulen 125A und 125B in Reaktion auf eine y-Verschiebung der Antriebsspule verzeichnet wird. Die Verschiebung der Spule in der x-Dimension aufgrund der externen Rotation mit der Winkelgeschwindigkeit Ω erzeugt einen zeitabhängigen Fluss über die Lesespulen 125A und 125B, was wiederum eine Spannung über jede Lesespule 125A und 125B erzeugt, die mit der Winkelgeschwindigkeit Ω korreliert. Durch Signalverarbeitung wird ein Fehlersignal, das von den Spannungssignalen jeder der Lesespulen 125A und 125B abgeleitet wird, erzeugt, um die Winkelgeschwindigkeit Ω zu erfassen und zu quantifizieren.
Wie weiter in gezeigt, sind zusätzliche Lesespulen 125C und 125D im Wesentlichen parallel zu den Antriebslesesegmente 105A und 105B angeordnet. Dort wo die Ausrichtung des Magneten 110 die Magnetkraft 112 durch die Antriebsspulensegmenten 105A und 105B erzeugt, liefern die Lesespulen 125A und 125B die Asymmetrie in Reaktion auf die Coriolis-Kraft. Allerdings kann das zweite Paar der Lesespulen 125C, 125D in Kombination mit oder als Alternative zu dem Lesespulenpaar 125A, 125B für Ausführungsformen mit verschiedenen Magnetrichtung(en) verwendet werden, wie weiter in dargestellt ist.
ist eine schematische Draufsicht für ein induktives Gyroskop 102 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung. Für das Gyroskop 102 stellen strukturelle Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen wie in Gyroskop 101 die gleiche Komponente oder Funktion, die in Zusammenhang mit gezeigt ist, dar. Im Allgemeinen ist das Gyroskop 102 Trampolin-Gyroskop, das nach den gleichen Prinzipien wie die für das orthogonale translative Gyroskop 101 beschriebenen funktioniert. Der Aufbau der Gyroskope 101 und 102 ist im Wesentlichen gleich, mit der Ausnahme, dass die N-S-Pole des Magnets 150 wie in dargestellt ausgerichtet sind. Das Magnetfeld 111 ist dann parallel zu der Ebene des Substrats 104.
Wenn das Magnetfeld 111 entlang der y-Dimension ausgerichtet ist, führt ein während des Betriebs auf die Antriebsspule 105 angewendeter sinusförmiger Antriebsstrom (z. B. zwischen den Befestigungen 108D und 108A über dem Antriebsspulensegment 105A und ähnlich zwischen den Befestigungen 108C und 108B über dem Antriebsspulensegment 105C) zu einer senkrecht zum Substrat 104 (außerhalb der Ebene) verlaufenden Magnetkraft 112, die die Antriebsspule 105 senkrecht zu der Ebene des Substrats 104 (d. h. Trampolin-Bewegung in der z-Dimension) vibrieren lässt. Auch für diese Ausführungsform ist die Vibration der Antriebsspule 105 an oder nahe der Resonanzfrequenz der Antriebsspule 105 von Vorteil.
Während die Verschiebung in der z-Dimension symmetrisch für alle Lesespulen verläuft, ist die Verschiebung in der y-Dimension asymmetrisch zu den Lesespulen 125C und 125D, während sie symmetrisch zu den Lesespulen 125A, 125B ist, und die Verschiebung in der x-Dimension ist asymmetrisch zu den Lesespulen 125A und 125B, während sie symmetrisch zu den Lesespulen 125C, 125D ist. Somit reagiert das Gyroskop 102 empfindlich auf Winkelgeschwindigkeiten in der y-Dimension und x-Dimension (d. h. in Dimensionen auf gleicher Ebene). Zum Beispiel erzeugt, wie in dargestellt, eine Winkelgeschwindigkeit in der y-Dimension (Ω_y) eine entsprechende Corioliskraft 130A, in diesem Fall wird eine wechselseitige Induktivitätsdifferenz zwischen den Lesespulen 125A und 125B verzeichnet. Ebenso führt eine Winkelgeschwindigkeit in der x-Dimension (Ω_x, in der Abbildung aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt) zu einer entsprechende Corioliskraft 130B, in dem Fall wird eine wechselseitige Induktivitätsdifferenz zwischen den Lesespulen 125C und 125D verzeichnet. Daher bieten die beiden Lesespulenpaare für das Gyroskop 102 eine Grundlage der Bestimmung orthogonaler Winkelgeschwindigkeiten auf gleicher Ebene, und in Kombination mit dem Gyroskop 101 auf dem gleichen Substrat 104, wie in den und dargestellt, können die Rotations-/Winkelgeschwindigkeit über alle drei Dimensionen ermittelt und quantifiziert werden.
Während die Gyroskope 101 und 102 ausreichend Messempfindlichkeit für viele Anwendungen bieten (z. B. mindestens 0.5 rad/Sek.), kann das durch die Lesespulen, die in den und gezeigt sind, auf verschiedene Weise für höhere Empfindlichkeit (z. B. 3x) verstärkt werden und beispielhafte Techniken sind in den – dargestellt. ist eine schematische Draufsicht eines induktiven Gyroskops 103 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung. Im Allgemeinen ist das Gyroskop 103 im Wesentlichen identisch mit dem Gyroskop 101 (mit Referenznummern, die wie bei Komponenten fortlaufend sind), außer dass die Lesespulen außerhalb der Ebene der Lesespule 105 angeordnet sind. Diese Funktion ist in , die eine Querschnittsansicht des induktiven Gyroskops 103 entlang der A-A' – Linie ist, die in sichtbar ist, nach einer Ausführungsform der Erfindung. Wie in den und gezeigt, sind die Lesespulen 165A und 165B direkt auf dem Substrat 104 angeordnet, wobei die Antriebsspule 105 (z. B. Segmente 105B und 105D) über der Ebene der Lesespulen 165A, 165B. angeordnet ist. Da die Lesespulen eine oder mehrere Windungen in einer zum Substrat 104 parallelen Ebene durchführen, aber nicht in der gleichen Ebene wie die Antriebsspule 105, kann die Lesespule sowohl in der x-Dimension als auch der y-Dimension unter (oder über) der Antriebsspule zentriert werden. Somit sollte der induzierte Magnetfluss auf beiden Seiten der Antriebsspule gleich und entgegengesetzt sein, so dass positive induzierte EMK auf einer Seite der Antriebsspule die negative induzierte EMK auf der anderen Seite der Antriebsspule aufhebt, somit wird keine Netto-EMK in der symmetrischen Lösung induziert, wenn keine Winkelgeschwindigkeit vorhanden ist. Wenn eine Winkelgeschwindigkeit vorhanden ist, verschiebt sich die Antriebsspule und bricht die Symmetrie, was zu einer ermittelbaren Netto-EMK führt. Somit sind die erfassten Signale stärker von der Winkelgeschwindigkeit abhängig. Für diese Ausführungsformen kann die Verarbeitung des Lesesignals vereinfacht und eine größere Messempfindlichkeit erzielt werden. Bemerkenswert ist, dass, während das Gyroskop 103 diese Technik im Zusammenhang mit der orthogonalen Translation veranschaulicht, diese auch gleichermaßen auf das Trampolin-Gyroskop (z. B. Gyroskop 102) zutrifft.
ist eine schematische Draufsicht von beispielhaften Gyroskop-Lesespulen-Architekturen in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der Erfindung. Die Lesespulenstrukturen können beliebig auf jede der hierin beschriebenen induktiven Gyroskop-Ausführungsformen angewendet werden (z. B. – ). Wie an anderer Stelle hier beschrieben, ist die Antriebsspule 105 in einer im Wesentlichen zu dem Substrat 104 parallelen Ebene angeordnet. In den in dargestellten Ausführungsformen haben die Lesespulen eine Vielzahl von Windungen. Mit einer Vielzahl von Windungen erhöht das Windungsverhältnis die in die Lesespulen induzierte Spannung. In der beispielhaften Spiralspulenausführungsform werden auf einer einzigen Metallisierungsstufe (Ebene) drei Windungen erreicht. Eine zweite Metallisierungsebene 176 wird dann nur zur Über(Unter)führung der Spirale eingesetzt. In weiteren Ausführungsformen können die Längen der Lesespulensegmente parallel zu den Segmenten der Antriebsspule gesteigert (maximiert) werden. Zum Beispiel weist die Lesespule 175A ein Länge L₂ auf der y-Dimension auf, die mindestens 90% der Länge L₁ der y-Dimension der Antriebsspule 105 entspricht. In einer anderen, ebenfalls in dargestellten Ausführungsform ist eine Vielzahl von Lesespulen (z. B. 175B ₁, 175B ₂ und 175B₃) mit kleineren Abmessungen (z. B. L₃) entlang der Länge (z. B. L₁) der Antriebsspule 105 angeordnet. Die Lesespulen 175B ₁, 175 ₂ und 175B ₃ können dann in Reihen geschaltet werden. Insbesondere können zwei oder mehr der Architekturen. die im Zusammenhang mit den bis beschrieben sind, kombiniert werden. Beispielsweise können spiralförmig Lesespulen außerhalb der Ebene der Antriebsspule angeordnet werden, so dass sich nur der Führungs-Jumper in der gleichen Ebene wie die Antriebsspule befindet.
In Ausführungsformen wird eher die Eigeninduktivität anstatt die wechselseitige Induktivität zur Bestimmung einer Winkelgeschwindigkeit verwendet. ist eine schematische Draufsicht für ein induktives Gyroskop 201 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung. Wie in gezeigt, wird eine leitende Spule 205 durch leitende Befestigungen 208A, 208B, 208C und 208D am Substrat 104 verankert. Die Geometrie der Spule 205 kann im Wesentlichen wie für die Spule 105 beschrieben (z. B. parallel zu der Ebene des Substrats 104, usw.) aussehen. Die Spule 205 ist über dem Magneten 110 im Wesentlichen wie für das Gyroskop 101 beschrieben, angeordnet, wobei das Magnetfeld wieder senkrecht zur Ebene des Substrats liegt (außerhalb der Ebene in der Nähe des Spulensegments 205A und innerhalb der Ebene in der Nähe des Spulensegments 205C). Das sinusförmige Antriebssignal (z. B. Versorgung durch den Generator 220) wird durch ein erstes Paar von Befestigungen abgegeben, 208C und 208D bestimmen die Klemmen einer Treiberschaltung in Verbindung mit der Spule 205. Die Antriebssignals führt zu einer magnetischen Kraft 112 in der y-Dimension, was die Spule 205 in der y-Dimension zum vibrieren bringt.
Anstelle der Verwendung von Sekundärspulen, wie für die Gyroskope 101 und 102, wird das zweite Paar der an die Befestigungen 208A, 208B angeschlossenen leitenden Spulen in dem Gyroskop 201 als Spulen in einer Leseschaltung verwendet, die ferner den zwischen den Befestigungen 208A, 208B angeordneten Teil der Spule 205 enthält (z. B. Mehrheit des durch separate Schattenlinien in identifizierte Segment 205B). Die Befestigungen 208A und 208B, die Abzweigungen ab von Spule 205 sind, werden an schmale Rechteckfederbereiche angeschlossen, um eine Spulenverlängerung und Verdichtung durch die Coriolis-Kraft 230 zu erleichtern. In dem gezeigten Beispiel erfolgt die Verlängerung und Verdichtung wie die Coriolis-Kraft in der x-Dimension in Reaktion auf eine Winkelgeschwindigkeit in der z-Dimension (Ω). Wie dargestellt, haben die Federn zumindest zwei Segmente mit Länge L in der y-Dimension, die durch ein drittes Segment mit einer Breite W in der x-Dimension verbunden sind. Die Federn sind daher selbst Spulen, die Eigeninduktivitäten verzeichnen können. Diese Eigeninduktivitäten variieren entsprechend den Änderungen der Spulengeometrie, wenn sich der schmale Rechteckfederbereich verdichtet und verlängert, um die Verschiebung der Spule 205 aufgrund der Coriolis-Kraft 230 aufzunehmen. Die Federverformung ist in dargestellt, die eine erweiterte Ansicht der an die Befestigung 208B angeschlossenen Federsegmente dargestellt. Somit variieren Eigeninduktivitäten der Leseschaltungsspulen in Abhängigkeit von einer Winkelgeschwindigkeit in der z-Dimension (Ω).
Wie weiter in dargestellt, wird ein Kondensator 280 über die Befestigungen 208A und 208B angeschlossen und bildet zusammen mit den Federn eine LC-Schleife mit einer Resonanzfrequenz, die entsprechend der Eigeninduktivität variiert. Da der Kondensator 280 ein fester, vorbestimmter Wert ist (beispielsweise in der Größenordnung von 1nF), wird ein Signal an den Anschlüssen 208A und 208B erzeugt und kann gemessen werden, um die Resonanzfrequenz der LC-Schaltung zu bestimmen, die direkt mit der Änderung der Eigeninduktivität aufgrund der Verdichtung und Erweiterung des Federbereichs verbunden ist.
Ähnlich wie die in dargestellten Multiturn-Lesespulen können die Ankerspulen im Gyroskop 201 eine Vielzahl von parallelen Federsegmenten haben. Zum Beispiel ist eine schematische Draufsicht einer beispielhaften Mehrfeder-Befestigung 209 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung. Die Multifeder-Befestigung 209 kann in Ausführungsformen des Gyroskops 201 eingesetzt werden, zum Beispiel für eine verbesserte Linerarität zwischen Induktivität und Δd mit Spannung in den Bauteilen 209A, 209B (wie in dargestellt).
Im Allgemeinen können die im Zusammenhang mit den – beschriebenen Ausführungsformen des Gyroskops unter Verwendung aller herkömmlichen mikroelektronischen Verarbeitungstechniken einschließlich Front-End-Halbleiter-Prozessen wie Nanolithographie und Dünnschichtdampfabscheidung, usw. hergestellt werden. Während solche Techniken in der MEMS-Technologie allgegenwärtig sind und Submikron-Merkmalabmessungen (z. B. Lücken zwischen den Spulen) für hochempfindliche Sensoren möglich wären, werden in den Ausführungsbeispielen Backend-Verpackungsprozesse, wie Folienkaschierung und Metallisierung verwendet. Aufbautechniken ermöglichen es vorteilhaft, dass ein Gyroskop in die Verpackung eines Host-IC eingefügt wird, wie z. B. ein Lesesignalprozessor und/oder Lesesignalverstärker und/oder Treibersignalgenerator. Da der durch die Ausführungsformen beschriebene Magnetantrieb/die Lesearchitektur bei durch größere Abstände beabstandete Spulen als für kapazitative Gyroskop-Architekturen möglich, betriebsbereit ist, können Backend-Verpackungsprozesse genutzt werden, während kapazitive Ausführungen nur dann Empfindlichkeit bieten, wenn sie mit in Frontend-Halbleiterchipverarbeitung möglichen Spaltmaßen gefertigt werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform können induktive Gyroskope, wie z. B. u. a. die an anderer Stelle hierin beschriebenen, mit stoßfreier Aufbauschicht (BBUL) oder mit der allgemeinen Substratbearbeitungstechnologie hergestellt werden. BBUL und Substratverarbeitungstechnologie verwendet im Allgemeinen Ajinomoto-Aufbaufilm-(ABF) Schichten (oder ähnliche organische dielektrische Materialien), die mit dazwischen gelagerten verzinkten Kupferebenen beschichtet werden. Die eingebettete BBUL-Verpackungstechnik ist besonders für die Mobilchip-Verpackungstechnologie sowie für andere Anwendungen, bei denen der kleinste Formfaktor aufgrund der Art der Chip-Embedding von BBUL innerhalb der Verpackung (was den Budgetverbrauch der z-Höhe durch den Si-Chip beseitigt) besonders vorteilhaft. Somit kann mit den hier beschriebenen beispielhaften Ansätzen ein superdünner Formfaktor BBUL beibehalten und Kosten für einzeln hergestellte und zusammengebaute Inertialsensoren vermieden werden.
ist ein Flussdiagramm, das ein BBUL-Verfahren 301 zur Herstellung eines induktiven Gyroskops in IC-Verpackungsaufbauschichten in Übereinstimmung mit Ausführungen der Erfindung darstellt. Die , , , , , , , und sind Querschnittszeichnungen von Strukturen, da ein induktives Gyroskop mit einem IC nach dem Verfahren 301 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform integriert ist.
Das Verfahren 301 beginnt mit dem Empfang eines IC-Chips bei der Operation 305. Der IC-Chip kann einen oder mehrere der Folgenden enthalten: Schaltung zur Verstärkung Inertiallesesignal (z. B. ein von einem Paar Lesespulen erzeugtes Differentialspannungssignal); Schaltung, um ein Inertiallesesignal (z. B. PLL-Schaltung, ADC-Schaltung, usw.) anders zu verarbeiten; Schaltung, um ein Treibersignal (z. B. Wechselstromreferenzgenerator, usw.) zu erzeugen; oder Schaltung, um eine Drehung auf der Basis eines Inertiallesesignals zu berechnen (z. B. Logikprozessor, der für die Berechnung von Euler-Winkeln für mindestens eine der Gier-, Nick- und Rollbewegungen) konfiguriert ist.
Bei der Operation 310 wird der IC-Chip auf einem als Träger während der Folienkaschierung geeigneten Halter angebracht, zum Beispiel wird der IC-Chip 405 in auf einen Halter 407 gelegt. Im Allgemeinen ist der Halter 407 ist ein temporäres Griffstück und kann ein Metall, wie z. B. u. a. Cu sein. Der IC-Chip 405 kann an dem Halter 407 in einer beliebigen in der Branche bekannten Art und Weise befestigt werden (z. B. Klebstoff, usw). Auch bei der Operation 310 wird ein dünnes Substrat 409, wie z. B. ein Siliziumsubstrat, verdünnt auf eine Stärke, die der Ebnung von Strukturen dient, die auf dem Substrat 409 mit einer Deckfläche des IC-Chips 405 angeordnet werden, auf dem Halter 407 angeordnet. Dann wird ein Magnet 410 auf dem Substrat 409 angeordnet. Alternativ kann der Magnet 410 auf das Substrat 409 vormontiert werden.
Während des Verfahrens 301 wird bei der Operation 315 eine dielektrische Aufbauschicht, wie z. B. ABF oder ein ABF-artiger organischer dielektrischer Film über den Magnet und den IC-Chip aufgetragen. Wie weiterhin in gezeigt, wird ABF 415 über den Magnet 410 und den IC-Chip 405 gezogen und bettet beide ein. Das Verfahren 301 fährt mit der Operation 320 fort, wobei Merkmale in die dielektrische Aufbauschicht strukturiert werden. Beispielsweise werden über die Bohrungsöffnungen unter Verwendung herkömmlicher BBUL-Techniken strukturiert. Eine erste Metallisierungsschicht, wie z. B. Cu, wird dann unter Verwendung beliebiger herkömmlicher Abscheidungstechniken wie z. B. Galvanisierung in die Bohrungen abgeschieden. Wie ferner in gezeigt, enthält die Metallisierungsschicht 420 eine Spulenstruktur 420A, Bohrungen als Befestigungen 420B, Verbindungen 420C zwischen der Befestigung 420B und dem IC 405 sowie Umverteilungsschicht(RDL)-Spuren 420D.
Zurückkehrend zu wird das Verfahren 301 mit dem Überziehen einer weiteren dielektrischen Aufbauschicht über der ersten Metallisierungsschicht bei Operation 325 fort. In dem in gezeigten Ausführungsbeispiel wird der ABF 425 über jede Spulenstruktur 420A, die Befestigungen 420B, die Verbindungen 420C zwischen der Befestigung 420B und dem IC 405 sowie über die Umverteilungsschicht(RDL)-Spuren 420D gezogen. In der Fortsetzung des Verfahrens 301 bei der Operation 330 wird eine Schutzmetallisierungsstruktur auf der Spulenstruktur aufgetragen. Wie weiter in gezeigt, wird eine zweite Metallisierungsebene verwendet, um ein Schutzgitter 430 (an vielen Stellen, die nicht von der Spulenstruktur 420A belegt sind, befestigt) zu bilden. Die gleiche Metallisierung bildet Lötkugeln 433, die mit den RDL-Spuren 420D verbundenen sind.
Dann wird eine Lackschicht aufgebracht und strukturiert (beispielsweise unter Verwendung einer Maske), um Bereiche der Schutzmetallisierung (und Spule) bei Operation 335 und wie in dargestellt, mit der über dem Schutzgitter 430 geöffneten Lackschicht 435 freizulegen. Ein Ätzprozess wird dann bei der Operation 340 ( ) verwendet, wie z. B. eine Plasmasauerstoffätzung (Asche), um mindestens eine Spulenstruktur freizugeben (z. B. Bildung eines Hohlraums um eine Antriebsspule). zeigt ferner die Spulenstruktur 420A, die Befestigungen 420B und den Magnet 410, die alle durch den selektiven Ätzvorgang 340 freigelegt sind. Der Lack wird dann abgezogen, wie in gezeigt, und die Operation 301 fährt mit dem Vorgang 350 fortgesetzt, wobei eine dielektrische Schicht 450 mit der Schutzmetallisierung über die freigelegte Spule gezogen wird, was gewährleistet, dass ein Hohlraums 455 ist um die Spulenstruktur 420A, die Befestigungen 420B, den Magnet 410 usw. gebildet wird. Da beide IC-Chips 405 und die induktiven Gyroskop-Komponenten nun vollständig mit den Aufbauschichten eingebettet sind, kann der Halter nun bei Operation 360 entfernt werden, wie in weiter veranschaulicht. Das Verfahren 301 kann dann durch herkömmliche Verarbeitung bis zur vollständigen Montage des integrierten Inertialsensors abgeschlossen werden (z. B. mit Anschlussprozess Lötkugel, usw.).
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen den Betrieb von induktiven Gyroskopen. Die und sind Flussdiagramme, die die Verfahren 501 und 601 zum Bestimmen einer Winkelrotationsgeschwindigkeit mit einem induktiven Gyroskop in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der Erfindung darstellen. In bestimmten derartigen Ausführungsformen werden die Operationen in den Verfahren 501 und 601 durch einen integrierten Inertialsensor ausgeführt, der mindestens einen IC-Chip und ein induktives Gyroskop enthält. In weiteren Ausführungsformen kann der integrierte Inertialsensor innerhalb einer BBUL-Verpackung wie anderswo hierin beschrieben, bereitgestellt werden.
Für das Verfahren 501 bei der Operation 505 wird ein zeitlich variierender Strom durch eine über einen angetriebenen Magneten angeordnete Spule geleitet, die von ihrem Substrat in einer solchen Weise freigesetzt wird, dass sie in einer ersten Dimension im Verhältnis zur IC-Verpackung, in der die Spule angeordnet ist, vibriert. Die Quelle der Antriebsstrom kann aus einem IC innerhalb der gleichen IC-Verpackung wie die Spule stammen oder von einer externen Quelle, die beispielsweise durch RDL in die IC-Verpackung, in dem die Spule angeordnet ist, zu der Spule geleitet werden. Bei Operation 510 werden die ersten und zweiten zeitveränderlichen Spannungssignale von der vibrierenden Spule durch wechselseitige Induktion mit Paar Lesespulen erzeugt. Die erste und die zweite Spule sind in der gleichen IC-Verpackung wie die vibrierende Spule angeordnet, und können dann in Bezug auf die vibrierende Spule wie in 1A–1B beschriebenen angeordnet werden, beispielsweise so, dass die zeitlich variierenden Signale aufgrund einer Winkelgeschwindigkeit, der die IC-Verpackung (z. B. in einer zweiten Dimension orthogonal zur ersten) ausgesetzt ist, voneinander abweichen. Bei Operation 515 wird mindestens eine der Gier-, Nick- oder Rollbewegungen der verpackten IC (und damit das Mobilgerät, in dem der verpackte IC angeordnet ist) auf der Grundlage der zeitveränderlichen Spannungssignale, die von den ersten und zweiten Spulen ausgegeben werden, bestimmt. In Ausführungsformen wird Schaltung des Rotationsrechners zur Bestimmung der Gier-, Nick-Rollbewegung auf einem IC- in derselben IC-Verpackung wie die der vibrierenden Spule angeordnet.
Das Verfahren 501 kann ferner die Bestimmung einer zweiten Gier-, Nick- oder Rollbewegung aufgrund der dritten und vierten zeitveränderlichen Signale beinhalten, wobei der verpackte IC ferner ein zusätzliches Paar Spulen und einen zweiten Magnet umfasst, der in der zweiten Dimension ausgerichtet ist, wie an anderer Stelle hierin beschrieben. Ebenso kann das Verfahren 501 ferner die Bestimmung einer dritten Gier-, Nick- oder Rollbewegung auf der Basis der fünften und sechsten zeitveränderlichen Signale beinhalten, wobei der verpackte IC ferner ein zusätzliches Paar Spulen und einen dritten Magnet der an dem ersten und zweiten Magnet ausgerichtet ist, enthält, wie an anderer Stelle beschrieben.
Unter Bezugnahme auf beginnt das Verfahren 601 bei Operation 605, die wie Operation 505 das Leiten eines zeitlichveränderlichen Stroms durch eine über einen Magnet angeordnete Spule, die so von ihrem Substrat freigesetzt ist, dass sie in einer ersten Dimension in Bezug auf eine IC-Verpackung, in der die Spule angeordnet ist, vibriert. Die Quelle der Antriebsstrom kann aus einem IC innerhalb der gleichen IC-Verpackung wie die Spule stammen oder von einer externen Quelle, die beispielsweise durch RDL in die IC-Verpackung, in dem die Spule angeordnet ist, zu der Spule geleitet werden. Bei Operation 610 wird ein Signal über ein zweites Paar leitfähiger Spulenbefestigungen in der LC-Schleife erzeugt, die durch einen Teil der vibrierenden Spule und einen Kondensator gebildet wird, der über dem zweiten Paar von Spiralbefestigungen gekoppelt ist, beispielsweise wie in beschrieben. Dieses Signal wird erfasst und dessen Frequenz gemessen, um die Resonanzfrequenz des LC-Schaltkreises zu bestimmen. Bei der Operation 615 wird eine Eigeninduktivität (oder eine Veränderung dieser) von Federn innerhalb des zweiten Paars von Spulenbefestigungen aus der Resonanzfrequenz bestimmt und bei der Operation 620 wird eine Winkelgeschwindigkeit aus der Eigeninduktivitätsbestimmung bestimmt. In einer Ausführungsform werden die Eigeninduktivitätsbestimmung und die Bestimmungen der Winkelgeschwindigkeit durch einen IC durchgeführt, der in der gleichen IC-Verpackung wie die vibrierende Spule angeordnet ist. Aus der Eigeninduktivitätsbestimmung kann zudem eine Verdichtung oder Ausdehnung einer Feder in den zweiten Befestigungen entsprechend der bestimmten Selbstinduktivität bestimmt werden. Eine Winkelgeschwindigkeit kann dann aus der Höhe der Federverdichtung oder -Ausdehnung ermittelt werden. Das Verfahren 601 kann dann ferner eine Bestimmung von mindestens einer Gier-, Nick- oder Rollbewegung des verpackten IC (und damit des Mobilgeräts, in dem der verpackte IC angeordnet ist) basierend auf einer oder mehreren Resonanzfrequenzen und/oder der Verdichtung oder Ausdehnung der Feder und/oder der Winkelgeschwindigkeit beinhalten.
zeigt eine isometrische Ansicht einer Rechnerplattform 700 und eine schematische Ansicht 721 einer mikroelektronischen Vorrichtung 710, die in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung von der Plattform verwendet wird. Die Rechnerplattform 700 kann jedes tragbare Gerät sein, das für jede elektronische Datenanzeige, elektronische Datenverarbeitung und drahtlose elektronische Datenübertragung konfiguriert ist. Für beispielhaften mobilen Ausführungsformen kann die Rechenplattform 700 jedes Tablet, ein Smartphone, Laptop oder Ultrabook Computer usw. sein und beinhaltet einen Bildschirm 705, der eine Touchscreen (kapazitiv, induktiv, resistiv, usw) sein kann, eine auf Chip-Level-(SoC) oder Verpackungsebene integrierte mikroelektronische Vorrichtung 710, und eine Batterie 713.
Das integrierte Gerät 710 ist in der erweiterten Ansicht 721 besser veranschaulicht. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst das Gerät 710 mindestens einen Speicherchip und mindestens einen Prozessor-Chip (z. B. ein Mehrkern-Mikroprozessor und/oder Grafikprozessorkerne 730, 731). In Ausführungsformen wird ein integrierter Inertialsensor 732 mit einem induktiven Gyroskop, wie z. B. hierin an anderer Stelle genauer beschrieben (z. B. , , , usw.) in das Gerät 710 integriert. Das Gerät 710 ist ferner an die Platine, das Substrat oder den Interposer 500 zusammen mit einer oder mehren Power-Management-Inegrated Circuit (PMIC) 715, RF (drahtlos) integrierten Schaltung (RFIC) 725 mit einem Breitband-RF-(drahtlos-)Sender und/oder Empfänger (beispielsweise mit einem digitalen Basisband- und einem analogen Frontend-Modul, das einen Leistungsverstärker auf einem Sendepfad und einen rauscharmen Verstärker auf einem Empfangspfad enthält), und die entsprechende Steuereinheit 711 gekoppelt. Funktionell führt die PMIC 715 Batterieleistungsregelung, DC-zu-DC-Umwandlung, usw. durch und hat somit einen an die Batterie 713 gekoppelten Eingang und einem Ausgang, der eine Stromzufuhr zu allen anderen Funktionsmodulen gewährt. Wie weiter dargestellt, hat der RFIC 725 in der beispielhaften Ausführungsform einen mit einer Antenne gekoppelten Ausgang, um eine beliebige Anzahl von Drahtlos-Standards oder -Protokollen einschließlich u. a. Wi-Fi (IEEE 802.11-Gruppe), WiMAX (IEEE 802.16-Gruppe), IEEE 802.20, Long Term Evolution (LTE), EV-DO, HSPA+, HSDPA+, HSUPA+, EDGE, GSM, GPRS, CDMA, TDMA-, DECT, Bluetooth, deren Derivate, sowie alle anderen Wireless-Protokolle, die als 3G, 4G, 5G und darüber hinaus bezeichnet sind, zu liefern. In Umsetzungen kann jedes dieser Module auf einem einzelnen Chip als SoC integriert werden, auf separaten ICs gekoppelt an ein Verpackungssubstrat des verpackten Geräts 710 oder Ebene der Platine.
ist ein funktionelles Blockdiagramm einer Rechenvorrichtung 1000 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Rechenvorrichtung 1000 kann sich zum Beispiel innerhalb der Plattform 700 befinden, und umfasst ferner eine Platine 1002 mit einer Anzahl an Komponenten, wie z. B. einen Prozessor 1004 (z. B. einen Anwendungsprozessor) und mindestens einen Übertragungschip 1006. In Ausführungsformen ist zumindest der den Prozessor 1004 (beispielsweise in-package) in Übereinstimmung mit hierin an anderer Stelle beschriebenen Ausführungsformen in einen Inertialsensor integriert. Der Prozessor 1004 ist physikalisch und elektrisch an die Platine 1002 gekoppelt. Der Prozessor 1004 enthält einen integrierten Schaltkreis, der innerhalb des Prozessors verpackt ist, wobei der Begriff ”Prozessor” sich auf jedes Gerät oder Teil eines Gerätes beziehen kann, das elektronische Daten aus Verzeichnissen und/der Speicher verarbeitet, um diese elektronischen Daten in andere elektronische Daten umzuwandeln, die in Verzeichnissen und/oder Speichern gespeichert werden können.
In einigen Umsetzungen ist die mindestens ein Übertragungschip 1006 auch physikalisch und elektrisch mit der Platine 1002 gekoppelt. In weiteren Umsetzungen ist der Übertragungschip 1006 Teil des Prozessors 1004. Je nach Anwendungen kann das Rechengerät 1000 andere Komponenten enthalten, die nicht unbedingt physikalisch und elektrisch an die Platine 1002 gekoppelt sein müssen. Zu diesen anderen Komponenten zählen u. a. flüchtige Speicher (z. B. DRAM), nicht-flüchtige Speicher (z. B. RAM oder ROM) in der Form von Flash-Speichern oder STTM usw., ein Grafikprozessor, ein digitaler Signalprozessor, ein Krypto-Prozessor, ein Chipsatz, eine Antenne, Touchscreen-Display, Touchscreen-Controller, Batterie, Audio-Codec, Video-Codec, Leistungsverstärker, Global Positioning System(GPS)-Gerät, integrierter Inertialsensor, Beschleunigungssensor, Lautsprecher, Kamera und Massenspeicher (z. B. Festplattenlaufwerk, Festplattenlaufwerk (SSD), Compact Disk (CD), Digital Versatile Disk (DVD) und so weiter.
Mindestens einer der Übertragungschips 1006 ermöglicht eine drahtlose Kommunikation für die Übertragung von Daten zu und von der Rechenvorrichtung 1000. Der Begriff ”drahtlos” und seine Ableitungen kann zur Beschreibung von Schaltungen, Geräten, Systemen, Verfahren, Techniken, Kommunikationskanäle usw. verwendet werden, die Daten durch Verwendung von modulierter elektromagnetischer Strahlung durch ein nicht-festes Medium übertragen. Der Begriff bedeutet nicht, dass die damit verbundenen Geräte keine Kabel enthalten, obwohl dies in einigen Ausführungen nicht der Fall sein kann. Der Übertragungschip 1006 kann eine beliebige Anzahl von drahtlosen Standards oder Protokollen umsetzen, u. a. die hier an anderer Stelle beschriebenen. Die Rechenvorrichtung 1000 kann eine Vielzahl von Übertragungschips 1006 umfassen. Zum Beispiel kann ein erster Übertragungschip 1006 für kürzere Reichweite der drahtlosen Kommunikation wie Wi-Fi und Bluetooth und ein zweiter Übertragungschip 1006 für längere drahtlose Verbindungen wie GPS, EDGE, GPRS, CDMA, WiMAX, LTE, Ev-DO und weitere bestimmt sein.
Es ist zu verstehen, dass die obige Beschreibung veranschaulichend und nicht einschränkend sein soll. Während beispielsweise die Flussdiagramme in den Abbildung eine besondere Reihenfolge der Operationen anzeigen, die von bestimmten Ausführungsformen der Erfindung durchgeführt werden, versteht es sich, dass eine solche Reihenfolge nicht zwingend erforderlich ist (z. B. können alternative Ausführungsformen die Operationen in einer anderen Reihenfolge durchführen, einige Operationen kombinieren, bestimmte Operationen überschneiden, etc.). Außerdem ergeben sich viele weitere Ausführungsformen für den Fachmann auf dem Gebiet beim Lesen und Verstehen der obigen Beschreibung. Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, wird klar, dass die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern mit Modifikationen und Änderungen innerhalb des Sinnes und Umfangs der beigefügten Ansprüche ausgeführt werden kann. Der Umfang der Erfindung sollte daher mit Bezug auf die beigefügten Ansprüche bestimmt werden, zusammen mit dem vollen Umfang von Äquivalenten, zu denen solche Ansprüche berechtigt sind,.

Claims

Ein Gyroskop mit: einem Substrat mit einem Magneten; einer Antriebsspule, die über dem Substrat und in einem Magnetfeld des Magneten angeordnet ist, um in einer ersten Dimension relativ zu dem Substrat aufgrund des durch die Antriebsspule laufenden zeitlich variierenden Stroms zu vibrieren, mindestens einer Lesespule, die über dem Substrat angeordnet und hinsichtlich der Antriebsspule positioniert ist, um eine Induktivität zu verzeichnen, die in Abhängigkeit von einer Winkelgeschwindigkeit in einer zweiten Dimension, die orthogonal zu der ersten Dimension variiert.
Dem Gyroskop nach Anspruch 1, wobei mindestens eine Lesespule ein Paar Lesespulen umfasst, um eine erste und zweite wechselseitige Induktivität zu verzeichnen, die in Abhängigkeit von der Winkelgeschwindigkeit voneinander abweichen.
Dem Gyroskop nach Anspruch 2, wobei die Lesespulen relativ zu der Antriebsspule angebracht sind, um eine Differenz in ihrer wechselseitigen Induktivität in Reaktion auf eine Verschiebung der Antriebsspule in einer anderen Dimension als der ersten Dimension zu verzeichnen, die größer als eine wechselseitige Induktivitätsdifferenz ist, die in Reaktion auf die Verschiebung der Antriebsspule in der ersten Dimension verzeichnet wurde.
Dem Gyroskop nach Anspruch 3, wobei die Antriebsspule planar in einer Ebene parallel zum Substrat ist und vier im Wesentlichen orthogonale Segmente mit einer Mehrzahl von leitfähigen Befestigungen und mindestens ein Paar leitfähigen Befestigungen enthält, die Anschlüsse besitzen, über der zeitlich variierende Strom an die Antriebsspule geleitet wird.
Dem Gyroskop nach Anspruch 4, wobei die erste Dimension parallel zur Ebene des Substrats, wobei das Magnetfeld und die Winkelgeschwindigkeit senkrecht zu der Ebene des Substrats sind, und wobei die Lesespulen parallel zu den Segmenten der Antriebsspule sind, die entlang der ersten Dimension verlängert wurden.
Dem Gyroskop nach Anspruch 5, wobei die erste Dimension senkrecht zu der Ebene des Substrats ist, wobei das Magnetfeld und die Winkelgeschwindigkeit parallel zu der Ebene des Substrats sind, und wobei die Lesespule ein erstes Paar Lesespulen mit Spulenlängen parallel zu den Segmenten auf den gegenüberliegenden Seiten der Antriebsspule hat, die sich entlang einer ersten Dimension auf gleicher Ebene verlängern, um einen Differenz in der wechselseitigen Induktivität in Reaktion auf eine Verschiebung der Antriebsspule in einer zweiten Dimension auf gleicher Ebene, die orthogonal zur ersten Dimension auf gleicher Ebene liegt, zu verzeichnen.
Dem Gyroskop nach Anspruch 6, wobei die Lesespulen ein zweites Paar Lesespulen mit Spulenlängen parallel zu den Segmenten auf den gegenüberliegenden Seiten der Antriebsspule besitzen, die sich entlang der zweiten Dimension auf gleicher Ebene entlang der Dimension auf zweiter Ebene verlängern, das zweite Paar verzeichnet einen Differenz in der wechselseitigen Induktivität in Reaktion auf eine Verschiebung der Antriebsspule in der ersten Dimension auf gleicher Ebene.
Dem Gyroskop nach Anspruch 2, wobei jedes Paars der Lesespulen mindestens eines der Folgenden enthält: eine Spirale mit eine Vielzahl an Windungen, die in einer gleichen Ebene parallel zu dem Substrat erfolgen; oder eine Vielzahl von Spulen, die entlang einer Länge der Antriebsspule angeordnet und in Reihen geschaltet ist; oder eine oder mehrere Windungen in einer Ebene parallel zu dem Substrat, jedoch nicht in der gleichen Ebene wie die Antriebsspule, die eine oder mehreren Windungen sind symmetrisch über einem Segment der Antriebsspule angeordnet.
Ein integrierte Inertialsensor mit: dem Gyroskop nach Anspruch 2; und mindestens einem Verstärker oder Rotationsrechner hinter die Lesespulen folgend, der Verstärker verstärkt eine Spannungsdifferenz, die von einem Paar Lesespulen verzeichnet wurden und der Rotationsrechner bestimmt eine Rotation auf der Basis der Spannungsdifferenz, die von dem Paar Lesespulen verzeichnet wurde.
Dem integrierten Inertialsensor nach Anspruch 9, wobei der Verstärker oder Rotationsrechner den Schaltkreis auf einem integrierten Schaltungs(IC)-Chip beinhalten, der in der gleichen Verpackung wie das Gyroskop angeordnet ist.
Dem integrierte Inertialsensor nach Anspruch 9, wobei die Antriebs- und Lesespulen mindestens eine Metallisierungsschicht beinhalten, die innerhalb der organischen dielektrischen Aufbauschichten der Verpackung angeordnet ist.
Einem Verfahren zum Bestimmen einer Winkelrotationsgeschwindigkeit eines Mobilgeräts mit einem verpackten integrierten Schaltkreis (IC), wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Leiten eines zeitlich variierenden Stroms durch eine erste Spule, die in einem ersten Magnetfeld eines ersten Magnets angebracht ist, eingebettet zusammen mit der ersten Spule in dem IC-Verpackungsdielektrikum, um die erste Spule in einer ersten Dimension im Verhältnis zu der IC-Verpackung vibrieren zu lassen; Erzeugen von ersten und zweiten zeitveränderlichen Spannungssignale mit einem Paar Lesespulen durch wechselseitige Induktivität in Reaktion auf die Verschiebung der ersten Spule, wobei die ersten und zweiten zeitveränderlichen Spannungssignale in Abhängigkeit von einer Winkelgeschwindigkeit in einer zweiten Dimension orthogonal zu der ersten Dimension voneinander abweichen; und Bestimmen einer ersten von einem Gier-, Nick- oder Rollbewegung des Mobilgeräts basierend auf den ersten und zweiten zeitveränderlichen Spannungssignalen.
Dem Verfahren nach Anspruch 12, ferner umfassend: Leiten eines zeitlich variierenden Stroms durch eine zweite Spule innerhalb eines zweiten Magnetfeldes und orthogonal zu dem ersten Magnetfeld, um die zweite Spule in der ersten Dimension vibrieren zu lassen; Erzeugen von dritten und vierten zeitveränderlichen Spannungssignalen mit einem Paar Lesespulen durch wechselseitige Induktivität in Reaktion auf die Verschiebung der zweiten Spule, wobei die dritten und vierten zeitveränderlichen Spannungssignale in Abhängigkeit von einer Winkelgeschwindigkeit in einer Dimension orthogonal zu der zweiten Dimension voneinander abweichen; und Bestimmen einer zweiten Gier-, Nick-, oder Rollbewegung des Mobilgeräts basierend auf den dritten und vierten zeitveränderlichen Spannungssignalen.
Dem Verfahren nach Anspruch 12, wobei die erste Spule planar in einer Ebene parallel zu einer Ebene des Substrats ist und die ersten Spule aus vier im Wesentlichen orthogonalen Segmente mit einer Vielzahl von leitenden Befestigungen besteht, und wobei der zeitveränderliche Strom durch mindestens eine angetriebene Paar der leitfähigen Befestigungen geführt wird.
Dem Gyroskop nach Anspruch 1, wobei der zeitveränderliche Strom durch ein erstes Paar leitfähiger Spulenbefestigungen geleitet wird und wobei die Lesespulen ein zweites Paar leitfähiger Spulenbefestigungen und einen dazwischen angebrachten Teil der Spule enthalten, das zweite Paar der Spulenbefestigungen verzeichnet Eigeninduktivitäten, die in Abhängigkeit von einer Winkelgeschwindigkeit in einer zweiten Dimension, die orthogonal zu der ersten Dimension liegt, variieren und wobei eine Resonanzfrequenz aufgrund der Eigeninduktivität und Kapazität eines Kondensators, der über dem zweiten Paar Spiralbefestigungen gekoppelt ist, variiert.
Dem Gyroskop nach Anspruch 15, wobei die erste Dimension parallel zur Ebene des Substrats ist, wobei das Magnetfeld und die Winkelgeschwindigkeit senkrecht zu der Ebene des Substrats sind, und wobei das zweite Paar Befestigungen Federn enthält, um sich entlang der zweiten Dimension so zu komprimieren und zu verlängern. dass ihre Eigeninduktivität sich ändert.
Dem Gyroskop nach Anspruch 16, wobei die Federn Rechteckfedern mit mindestens einem Paar Leitersegmenten haben, die sich in der ersten Dimension verlängern und an einem Ende durch ein kurzes Segment verbunden sind, das sich in der zweiten Dimension verlängert.
Einem integriertem Inertialsensor mit: dem Gyroskop nach Anspruch 15; und einem den Lesespulen nachgelagerten Rotationsrechner, wobei der Rotationsrechner eine Rotation aufgrund der Resonanzfrequenz bestimmen muss.
Dem integrierten Inertialsensor nach Anspruch 18, wobei der Rotationsrechner eine Schaltung auf einem integrierten Schaltunsg(IC)-Chip beinhaltet, der zusammen mit dem Gyroskop in einer gleichen Verpackung angeordnet ist.
Dem integrierten Inertialsensor nach Anspruch 18, wobei die Spule mindestens eine Metallisierungsschicht enthält, die innerhalb der organischen dielektrischen Aufbauschichten der Verpackung angeordnet ist.
Einem Verfahren zum Bestimmen einer Winkelrotationsgeschwindigkeit eines Mobilgeräts mit einem verpackten integrierten Schaltkreis (IC), wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Leiten eines zeitveränderlichen Stroms durch eine Spule über das erste Paar der leitfähigen Befestigungen, wobei die Spule in einem Magnetfeld eines Magneten angeordnet ist, eingebettet zusammen mit der Spule innerhalb der IC-Verpackung, um die Spule in einer ersten Dimension relativ zu der IC-Verpackung vibrieren zu lassen, Messen eines Signals über ein zweites Paar leitfähiger Spulenbefestigungen, um eine Resonanzfrequenz einer LC-Schleife zu bestimmen, die einen Teil der Spule und einen über dem zweiten Paar Spiralbefestigungen gekoppelten Kondensator, wobei das zweite Paar Spulenbefestigungen Eigeninduktivitäten verzeichnet, die in Abhängigkeit von einer Winkelgeschwindigkeit in einer zweiten Dimension, die orthogonal zu der ersten Dimension ist, variieren; und Bestimmen einer Gier-, Nick- oder Rollbewegung des Mobilgeräts basierend auf der Resonanzfrequenz.
Dem Verfahren nach Anspruch 21, das Bestimmen einer Gier-, Nick- oder Rollbewegung einschließlich: Bestimmen einer Eigeninduktivität in Verbindung mit der Resonanzfrequenz; und Bestimmen einer Verdichtung oder Verlängerung einer mit einer der beiden Befestigungen verbundenen Feder, die Verdichtung oder Verlängerung entspricht der bestimmten Eigeninduktivität.
Einem integriertem Inertialsensor mit: einem integrierte Schaltungs(IC)-Chip; ein Magnet; und einem induktiven Gyroskop mit einer leitfähigen Spule über oder unter dem Magnet und betreibbar, um innerhalb eines Hohlraums zu vibrieren, die sich in einer oder mehreren Verpackungsaufbauschichten gebildet hat, die über dem Gyroskop und der IC-Chip angeordnet sind.
Dem integrierten Inertialsensor nach Anspruch 23, wobei der IC-Chip elektrisch mit mindestens einer leitfähigen Spule des Gyroskops durch eine Metallisierungsebene verbunden ist, die innerhalb einer oder mehrerer Verpackungsaufbauschichten eingebettet ist.
Dem integrierten Inertialsensor nach Anspruch 23, wobei die Metallisierung zur Verbindung der Spule mit dem IC der gleichen Metallisierungsebene entspricht wie die aus der mindestens eine leitfähige Spule gebildet wird.
Dem integrierten Inertialsensor nach Anspruch 23, die ferner ein leitfähigen Gitter enthält, das über dem Hohlraum angeordnet ist, das leitfähige Gitter ist in derselben Metallisierungsebene, die von einer eine Umverteilungsschicht zum Führen von leitfähigen Bahnen zwischen dem IC und einem Pad belegt ist, das zum Empfang mindestens einer Lötkugel bemessen ist.
Dem integrierten Inertialsensor nach Anspruch 23, der ferner ein dünnes Substrat enthält, auf dem der Magnet angeordnet ist, das dünne Substrat und eine Rückseite des Chips bilden eine planare Rückseite des integrierten Inertialsensors.
Der integrierte Inertialsensor nach Anspruch 23, wobei der IC-Chip zumindest einen Signalprozessor, einen Signalverstärker oder Rotationsrechner enthält.
Einem Verfahren zur Bildung eines integrierten Inertialsensors, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Platzieren eines IC-Chips und Magnets auf einer Halterung; Aufziehen einer dielektrischen Schicht über den IC-Chip und den Magnet; Strukturieren von Merkmalen in den dielektrischen Film; Ablagern einer ersten Metallisierungsschicht in den Merkmalen, um eine oder mehrere leitfähige Spulen zu bilden, die in der Nähe des Magneten angeordnet sind; Aufziehen einer dielektrischen Schicht über der ersten Metallisierungsschicht; Ablagern einer zweiten Metallisierungsschicht in einer oder mehreren Spulen; selektives Entfernen des dielektrischen Films zur Freigabe von mindestens einer oder mehreren Spulen; Aufziehen einer dielektrischen Schicht über der zweiten Metallisierung; und Entfernen des Halters.
Dem Verfahren nach Anspruch 29, wobei das Auftragen der ersten Metallisierungsschicht in die Merkmale ferner das Verbinden des IC mit mindestens einer der einen oder mehreren Spulen beinhaltet, wobei eine Antriebsspule und mindestens ein Paar Lesespulen gebildet wird, die physikalisch von der Antriebsspule getrennt sind und wobei das selektive Entfernen des dielektrischen Films zur Freigabe von mindestens einer der einen oder mehreren Spulen ferner die Freigabe der Antriebsspule beinhaltet.