TWI247896B - X-Y axis dual-mass tuning fork gyroscope with vertically integrated electronics and wafer-scale hermetic packaging - Google Patents

Description

1247896 (1) 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於角速度感應器’更尤其關於具有兩振動 檢測塊體的平面內角速度檢測器。 【先前技術】 角速度的感應常常使用慣性感應器來進行。慣性角速 度感應器大體上藉由將感應器驅動達到第一運動並且測量 回應第一運動與被感應角速度兩者所產生之感應器的第二 蓮動而運作。 常常地，感應器內的塊體（通常稱爲檢驗塊體）係藉 由致動器而被驅動達到振動。感應器的旋轉會將科氏力（ C 〇 r i ο 1 i s f 〇 r c e )傳到與角速度（或旋轉率）成比例的振動 塊體，其係並且取決於有關檢測塊體之速度向量的角速度 向量方位。科氏力、角速度向量與塊體速度向量互相正交 。例如，於繞著Y軸旋轉之感應器內之在X方向中移動 的檢驗塊體，會受到Z方向的科氏力。同樣地，於繞著Z 軸旋轉之感應器內之在X方向中移動的檢驗塊體，會受 到Y方向的科氏力。最後，於繞著X軸旋轉之感應器內 之在X方向中移動的檢驗塊體，不會受到任何科氏力。 傳到檢驗塊體的科氏力通常藉由測量回應科氏力之感應器 內的運動而間接地被感應。 最近’微機械技術（亦被視爲MEMS技術）之發展 已經導致各種不同MEMS角速度慣性感應器的發展。 -4- (2) (2)1247896 MEM S技術基本上是一平面技術，在此適合用來驅動平面 內運動的MEMS致動器傾向與適合用來驅動與平面垂直 運動的MEMS致動器明顯不同。同樣地，適合用來測量 回應科氏力之平面內運動的MEMS感應器傾向與適合用 來測量回應科氏力之與平面垂直運動的MEMS感應器明 顯不同。這些不同是結構性的不同與性能的不同兩者。 由於上述塊體速度、角速度與科氏力的正交性，平面 內MEMS .角速度感應器必須驅動一與平面垂直運動或者 感應一與平面垂直運動，以便能夠檢測出平面內的角速度 分量。反之，與平面垂直MEMS角速度感應器可驅動且 感應兩正交的平面內運動，以便能夠檢測出與平面垂直的 角速度分量。由於MEMS技術的平面特性，平面內MEMS 感應器與與平面垂直MEMS感應器有明顯不同的傾向。 某些給定的平面內MEMS角速度感應器具有被驅動 到振動的兩個檢驗塊體。例如，Cardarelli的美國專利第 6481，283號講授一平面內MEMS感應器。在Cardarelli的 座標中，裝置平面是一 YZ平面。在第一實施例中， Cardarelli講授在+ΛΥ方向中（亦即，平面內）抖動的兩 塊體。繞著Z軸的角速度會導致在兩塊體上的X方向科 氏力。兩塊體係附到可繞著Z軸旋轉的萬向接頭，以致於 在塊體上X方向的力能夠提供Z方向的力矩於萬向接頭 上。將兩塊體抖動以具有相反方向的速度，所以兩科氏力 則會繞著Z軸提供一淨力矩於萬向接頭上。繞著Z軸的 萬向接頭運動則會被感應。 -5- (3) (3)1247896 在第二實施例中，Cardarelli講授在+/-X方向中（亦 即，與平面垂直）抖動的兩塊體。繞著Z軸的角速度會導 致在兩塊體上的Y方向科氏力。兩塊體係附到繞著Z軸 旋轉的萬向接頭，以致於在塊體上Y方向的力能夠提供Z 方向的力矩於萬向接頭上。將兩塊體抖動以具有相反方向 的速度’所以兩科氏力則會繞著Z軸提供一淨力矩於萬向 接頭上。繞著Z軸的萬向接頭運動則會被感應。 另一給定平面內的MEMS角速度感應器具有被驅動 到振動的兩檢驗塊體，其係在McCall等人的美國專利第 6,5 0 8，122號被講授。McCall等人講授具有兩不相連塊體 的平面內MEMS感應器，該兩塊體被橫向地配置在裝置 平面中’並且在此平面方向中彼此異相地抖動。爲了明確 ，令該裝置平面是XY面，且令該抖動是在X方向。由於 Z方向科氏力，塊體會當感應器繞著Y軸旋轉的時候在z 方向振動。該塊體的Z方向振動則會被感應出。

Cardarelli與McCall等兩人的方法是由希望從測量角 速度排除〜共同模式〃介面所刺激。例如，具有單檢驗塊 體的角速度感應器，其係假如在感應到科氏力的相同方向 中受到線性加速度的話，會登錄一不正確的讀値。由於兩 塊體，包括上述的種種排列是可能的，其係會對科氏力回 應，但通常不對與科氏力相同方向中的線性加速度回應。 基本上，此些排列取決於該兩塊體之驅動，以致於他們的 速度總是能夠相等與相反。對相等與相反速度情況的任何 偏差皆是不利的，因爲此偏差會減少對科氏力的希望反應 -6- (4) (4)1247896 ，並且增加對線性加速度的不希望回應。 不過，實際上，它並不明確地以相等且相反的速度來 驅動兩塊體。例如，標稱上相同且被相同安裝的兩塊體實 際上有所不同，以致於以相同致動來致動這兩塊體，能夠 提供不相等且相反的速度。致動器亦傾向於在效力上改變 ，所以縱使兩塊體相同且被相同安裝的話，連接到該兩塊 體之致動器的改變可再度提供不相等且相反的塊體速度。 同樣地，連接到致動器的電路可能不會相同等等。結果， 給定的兩塊體平面內角速度感應器則無法完全實現將兩塊 體架構指望的共同模式排除。 【發明內容】 於是，本發明之目的乃在提供一平面內角速度感應器 ，其由於機械性地限制該兩塊體在相反方向中移動而具有 改善的測量準確性，從而改善共模拒斥。 本發明之另一目的乃在提供一角速度感應器’其由於 感應與驅動電子的垂直積集而成本降低。 本發明之進一步目的乃在提供一具有低成本密封包裝 的角速度感應器。 本發明之仍另一目的乃在提供一角速度感應器’其係 由於使用提供行進距離增加之較大檢驗塊體的整體MEM s 技術而性能改善。 本發明之另一目的乃在提供藉由使用扭力安裝與靜電 驅動板來改善性能且降低成本的角速度感應器，該板具有 (5) (5)1247896 附到該些塊體的槓桿臂以增加塊體行進速度。 本發明之進一步目的在於提供低成本雙軸平面內陀螺 儀模組，其具有被積集在相同裝置晶粒上的X軸角速度 感應器與Y軸角速度感應器。 本發明提供一種具有兩塊體的平面內角速度感應器， 該等塊體係被橫向地配置在平面中並且間接地連接到一框 。該兩塊體係藉由一連桿組而被連結在一起，以致於它們 能夠在沿著Z並以相反方向中移動（亦即，當一塊體在 + Z方向上移動時，另一塊體則在-Z方向上移動，反之亦 然）。在此，Z是與平面垂直方向。平面內角速度可藉由 驅動兩塊體達到Z方向的反相振動並測量因而傳送到框的 角振動振幅而被感應出。或者，平面內角速度可藉由驅動 框達到對Z軸的角振動並測量因而傳送到兩塊體的Z方 向反相振動振幅而被感應出。 在一較佳實施例中，框、兩塊體與連桿組係從使用整 體微機電（MEMS )技術的單晶矽晶圓來製造，以形成一 陀螺儀晶圓。在進一步較佳實施例中，用來驅動並感應陀 螺儀晶圓元件之運動的電路係被包括在單晶矽晶圓中，以 形成附到陀螺儀晶圓的參考晶圓。在此實施例中，同樣較 佳地從一單晶矽晶圓製造一覆蓋晶圓並將該覆蓋晶圓附到 陀螺儀晶圓，以致於該陀螺儀晶圓能夠夾在覆蓋晶圓與參 考晶圓之間。密封阻障可以此方式形成，以避免陀螺儀晶 圓元件與外界接觸。 (6) (6)1247896 【實施方式】 圖1顯示根據本發明較佳實施例所設計之陀螺儀晶圓 20的平面圖。在圖1的實施例中，標示在圖式中的種種 不同元件較佳地從單晶矽晶圓製造。陀螺儀晶圓2 0的機 械架構將首先被考慮，接著則是其操作。最後將討論陀螺 儀晶圓20的製造。 機械架構 在圖1的實施例中，中間板2 8是藉由扭力鉸鏈2 8 A 來附到框3 4，該鉸鏈允許得中間板2 8繞著圖1的X軸旋 轉。鉸鏈28A亦可提供一復原力矩於板28上，該復原力 矩傾向於將其位置復原到X-Y平面中的標稱位置。檢驗 塊體22藉由鉸鏈5 8而附到中間板2 8，檢驗塊體24則藉 由鉸鏈56附到中間板28。中間板28、檢驗塊體22與檢 驗塊體24的次組件一起組成一連桿組，以致於檢驗塊體 22與24必須沿著Z軸在相反方向上移動。 較佳地如下將額外元件加入連桿組：第一邊緣板26 藉由鉸鏈6 0附到檢驗塊體2 2並且藉由扭力鉸鏈2 6 A附 到框3 4 ;第二邊緣板3 0藉由鉸鏈5 4附到檢驗塊體2 4， 並且藉由扭力鉸鏈30A附到框34。扭力鉸鏈26A與30A 分別允許板2 6與3 0繞著圖1的X軸旋轉，並且亦可能 分別提供復原扭力到板2 6與3 0，其係傾向於將板2 6與 3 0的位置復原到他們在X-Y平面中的標稱位置。 框3 4以複數個彎曲部分3 2附到基座3 6。當框繞著z -9 - (7) (7)1247896 軸旋轉到不同於標稱位置的位置時，彎曲部分3 2係排列 以提供復原力矩給框3 4。圖1顯示四彎曲部分3 2，其係 對稱繞著框3 4的圓周配置。雖然提供良好機械支撐給框 _ 34的對稱性彎曲架構較佳，譬如圖1的架構，但是本發 钃 明並不需要此彎曲架構。 相對基座3 6之框3 4的旋轉可以以配置其間並且連接 到框34與基座36的電容性感應器來感應。或者，框34 可使用配置其間並且連接到框3 4與基座3 6的靜電致動器 β ，來繞著Ζ軸驅動達到角振動。在該技藝中，用於此電容 性感應器與靜電致動器之種種不同架構，且在許多情形中 ，特定的電極架構可提供一功能。 適合用來感應與/或驅動相關於基座36之框34的相 對角運動的例示電極架構係以38Α、38Β與38C與40Α、 40Β與40C顯示在圖5上。這些或者類似電極架構較佳地 對稱繞著框3 4的圓周配置。本發明的實施並不需要任何 特定之電極架構。 · 在圖1上之框34內的元件（亦即，包括塊體22與 ^ 24、以及板26、28與30的較佳連桿組）僅僅藉由鉸鏈 · 26Α、28Α與30Α附到框34。在框34與塊體22與24之 間會有間隙。除了在這些鉸鏈的附著點外，在框3 4與扳 26、28與30之間亦同樣地有間隙。這些間隙大到足以允 許該連桿組移動經過其設計範圍而不會與框3 4碰撞。這 些間隙並不顯示於圖1上。 圖2顯示本發明實施例的截面圖。此截面圖包括沿著 -10- (8) (8)1247896 圖1線I之陀螺儀晶圓2 0的截面圖。圖1的陀螺儀晶圓 20較佳地附到覆蓋晶圓42以及參考晶圓44，以致於如圖 2所示，陀螺儀晶圓20被包夾於覆蓋晶圓42與參考晶圓 44之間。由於此架構，覆蓋晶圓42與參考晶圓44結合 ，以使陀螺儀晶圓2 0避開週遭環境，從而增加感應器的 可靠度與強度。再者，在陀螺儀晶圓2〇以及晶圓42與 44之間的接合可產生，以便於陀螺儀晶圓20的關鍵性元 件之間，譬如移動塊體22與24以及週遭環境提供一密封 阻障。 包括塊體22與24以及板26、28與30的連桿組運動 可配合圖2 1 la與1 lb而加以理解。圖2上的點26Β、 28B與30B會分別對準扭力鉸鏈26A、28A與30A，如此 板26、28與30可分別繞著點26B、28B與30B而在圖2 的平面上（Y-Z面）旋轉。此連桿組的多數元件係藉由彎 曲鉸鏈54、56、58與60而連接在一起，這些鉸鏈亦抑制 鄰近元件的相對平移，但卻允許鄰近元件在Y-Z平面中的 相對旋轉。 於是，當塊體22在圖2的+Z方向上移動時（亦即， 圖2中朝上移動），板28則繞著點28B順時針地旋轉， 而且塊體2 4必須在-Z方向中移動，同時板2 6與3 0則逆 時針地旋轉，如圖1 lb所示。同樣地，當塊體22在_z方 向中移動時，板28會逆時針旋轉，且塊體24在方向 上移動，而同時板26與3 0則順時針地旋轉，如圖丨！ a所 示。換句話說，塊體22、24以及板26、28與30所形成 -11 - (9) (9)1247896 的連桿組會確保塊體22與24 —定沿Z軸的相反方向中移 動。如以上所討論的，在框34與板26之間以及在框34 與板3 0之間會有間隙，其係能在圖2上明顯可見。 如圖2所示，覆蓋晶圓42與參考晶圓44係附到陀螺 儀晶圓20的基座3 6，並且沒有與陀螺儀晶圓20的任何 其它元件接觸。因爲彎曲部分32與框34並沒有與覆蓋晶 圓42或參考晶圓44接觸，所以這些晶圓並沒有妨礙框 3 4繞著Z軸的旋轉。參考晶圓44與基座3 6之間的連接 在圖2上圖式地標示爲46。連接46係爲參考晶圓44與 基座3 6之間的機械性連接，以及參考晶圓44與基座3 6 之間的電連接。以此方式，參考晶圓44上的電路係連接 到陀螺儀晶圓2 0上的感應/驅動構件，譬如圖5上的電 極 38A、38B、38C 或者電極 40A、40B、40C。 電極48 A與48B係放置在板30下的參考晶圓44上 。電極48A與48B係放置在板30之在圖2上標示爲點 30B之旋轉軸的一側上。同樣地，電極50A與50B係放 置在板28下，且電極52A與52B放置在板26下。 圖3顯示在圖1彎曲部分3 2之較佳架構的更詳細平 面圖。在圖3的架構中，彎曲部分32包含一彈簧32’與 基座彎曲支架66。如圖3所標示，彈簧32’至支架66的 附著點會凹進到支架66內，且同樣用於框34，以減少從 支架66至彈簧32’以及從框34至彈簧32’之表面應力的 耦合。 基座彎曲支架66係由基座隔離溝槽41A所圍繞，其 -12- (10) (10)1247896 係適用來將彎曲部分3 2與基座3 6內的應力機械性地隔離 。由於封裝與/或接合製程、熱擴散等等，此等應力可藉 由覆蓋晶圓42與參考晶圓44而傳送到基座36。基座凸 片6 2亦同樣地顯不於圖3上，其係與框溝槽6 4嚙合。如 圖3上所圖式標示的，框溝槽64有些大於基座凸片62的 寬度，以致於在基座凸片6 2碰撞框溝槽6 4的牆以前，框 34能夠僅僅在與基座36有關的特定選出範圍內旋轉。選 擇此選出的範圍以確保彎曲部分3 2不受到選出範圍內的 運動損害。凸片6 2與溝槽6 4之組合可以此方式提供保護 給彎曲部分3 2。 彎曲部分3 2之較佳架構的進一步詳情係顯示於圖4 的截面圖中，其係包括圖3沿著線Π的截面圖。線Π緊鄰 彈簧3 2 ’，但卻不將其貫穿，這就是爲什麼彈簧3 2 ’未在 圖4的截面顯示的原因。基座彎曲支架6 6會附到覆蓋晶 圓42並且經由連接46B而連接到參考晶圓44。彎曲部分 32以此方式連接到覆蓋晶圓42與參考晶圓44，並且與基 座36隔離。這種情形會因爲覆蓋晶圓42與參考晶圓44 基本上比基座3 6厚（陀螺儀晶圓20的典型厚度只有5 0 微米）很多而有利並因此提供非常大的機械剛度來繋住彎 曲部分32。同樣顯示於圖4上的是一參考隔離溝槽41C 與一覆蓋隔離溝槽4 1 B。參考隔離溝槽4 1 C用來將彎曲部 分3 2與可能出現在參考晶圓44頂表面中（亦即，接合到 基座3 6之參考晶圓44的表面）的應力隔離。同樣地，覆 蓋隔離溝槽4 1 B用來將彎曲部分3 2與可能出現在覆蓋晶 -13- (11) (11)1247896 圓42底表面中（亦即，接合到基座36之覆蓋晶圓42的 表面）的應力隔離。雖然圖3與4的彎曲架構，在此彎曲 部分32包含彈簧32’，且基座支架66較佳，但是實施本 _ 發明並不一定要如此。 圖6顯示一部份陀螺儀晶圓20的放大平面圖，其係 更詳細地顯示扭力鉸鏈26A與彎曲鉸鏈60的較佳架構。 如圖6所示，板26藉由扭力鉸鏈26A附到框34。扭力鉸 鏈26A的架構致使板26能夠繞著連接扭力鉸鏈26A中心 ® 的軸來旋轉。如圖6所示，狹縫形成在板26中以增加扭 力鉸鏈26A的長度。此乃爲了減少扭力鉸鏈26A上所需 要的應變而產生，以容許板2 6的給定旋轉。 板26以彎曲鉸鏈60連接到塊體22。彎曲鉸鏈60的 架構使得板22可繞著塊體26傾斜（反之亦然）。如圖6 所示，狹縫形成在塊體22中，以增加彎曲鉸鏈60的長度 ，以便減少在彎曲鉸鏈60上所需要的應變，以容許有關 板26之塊體22的給定傾斜。 · 彎曲鉸鏈58、56與54的架構較佳地類似圖6所示之 ‘ 彎曲鉸鏈60的架構。同樣地，扭力鉸鏈28 A與30A的架 -構較佳地類似圖6所示之扭力鉸鏈26A的架構。圖6所 示的鉸鏈架構有關於本發明較佳實施例。本發明之實施並 不需要任何特別的鉸鏈架構。 操作 圖1與2的實施例具有兩操作模式。在第一且較佳的 -14- (12) (12)1247896 操作模式中，塊體2 2與2 4會被驅動到振動，且框3 4的 運動會被感應以測出Y方向的角速度。在第二操作模式 中，框34會被驅動到振動，且塊體22與24的運動會被 感應以測量Y方向的角速度。這兩方法將依次考慮。 第一較佳操作模式包括一致動器，用來驅動該連桿組 達到振動。在圖1與2的實施例中，靜電致動器係由圖2 的電極48A、48B、50A、50B、52A與52B所提供。電極 48A、48B、50A、50B、52A與52B經由靜電交互作用與 板30、28與26交互作用，其中之力量會隨著電極與相應 板之間位能差的增加而增加。板26、28與30基本上會維 持在相同電位，其係可被看做零參考電位而不失其槪括性 〇 如圖 2所示，電極 48A、48B、50A、50B、52A與 5 2B較佳地是切開電極。主要原因是板與電極之間的靜電 交互作用傾向於吸引（而不是排斥），以便提供力矩於任 一方向中，而如圖2所示，在旋轉軸任一側上的電極元件 是需要的。電極48A、48B' 50A' 50B、52A與52B以及 相應板（分別是3 0、2 8與2 6 )之間的間隙較佳地在製造 時被精確控制成間隙高度d，以儘可能降低得到給定板旋 轉所必須的電壓，同時仍提供足夠的空隙供致動器移動。 電極48A、48B、50A、50B、52A與52B較佳地以合作的 方式被電性驅動，以刺激塊體22與24以及使塊體22與 24振動之板26、28與30所形成之連桿組的振動模式， 其係在Z方向中實質地彼此異相（亦即，與平面垂直方向 -15- (13) (13)1247896 )。對應此振動模式的連桿組運動係顯示在圖1 1 a與1 1 b 上。 同樣較佳地是板26包括一朝向塊體22延伸的槓桿臂 ，板30包括一朝向塊體24延伸的槓桿臂，且板28包括 朝向塊體22與塊體24兩者延伸的槓桿臂，其皆顯示於圖 1上。由於從板26、28與30延伸的多數槓桿臂，彎曲鉸 鏈（54、56、58、60)與板旋轉軸（26B、28B、30B)之 間的距離則會增加，其係增加給定板旋轉所提供之塊體 2 2與2 4的位移。此增加的位移是高度被希望用來改善陀 螺儀性能與/或以較低成本提供希望程度的性能。爲了容 納塊體2 2與2 4所增加的行進’凹處4 5與4 7會分別形成 在塊體22與24下的參考晶圓44中。覆蓋晶圓42亦同樣 地被組裝，以允許足夠的空間收納陀螺儀晶圓2 0的全部 可動部件。 當陀螺儀晶圓20以角速度wy繞著γ軸旋轉時’塊 體22與24會在陀螺儀晶圓20的參考框中受到振動的X 方向科氏力。因爲該兩塊體是沿著Z軸作相反方向移動’ 所以在塊體2 2與2 4上的科氏力沿著X軸而力向相反。 塊體22與24上的科氏力會在框34上導致繞著Z軸的振 動力矩，其係會將框3 4設定爲角振動。因爲框3 4的角振 動振幅取決於wy (理想上它與Wy成比例）’所以此振幅 之測量提供角速度…的測量。 爲了改善陀螺儀的靈敏度’較佳地是利用陀螺儀結構 的機械性共振。於是’較佳地驅動包含塊體2 2與2 4的連 -16- (14) (14)1247896 桿組成等於或大約等於基本連桿組共振模式頻率。較佳地 ，如圖1 1 a與1 1 b所示，基本連桿組共振模式（亦即，具 最低頻率的機械模式）將對應塊體22與24的反相振動。 此對應性可在設計連桿組與其支撐彎曲部分時加以確定。 藉由選擇驅動頻率在或接近連桿組固有頻率的，一給定致 動器力所提供的連桿組運動會增加。 同樣較佳地，確保基本框共振模式對應框3 4繞著Z 軸的剛體角振動，其係可藉由框3 4與彎曲部分3 2的適當 設計來產生。再者，框基本頻率較佳地大於連桿組基本頻 率。這種情形確保驅動頻率在頻率上比較接近框3 4的基 本模式，而不接近框34的其它共振模式，從而將框34之 可能干擾陀螺儀操作之較高階機械模式的刺激最小化。 在此實施例中，框34的角振動振幅會以換能器來感 應。較佳地，該換能器是一配置於框3 4與基座3 6間並且 連接到其上的電容性感應器。此一電容性感應器的兩合適 電極架構顯示於圖5上。在圖5上以38A、38B與38C顯 示的架構稱爲樹系架構，而以圖5上的40 A、40B與4 0C 顯示的架構則被認爲是放射架構。 在樹系架構中，電極38A附到框34並且隨框34移 動，而電極38B與3 8C兩者則附到基座36並且不隨框34 移動。組成一電極38A、一電極38與一電極38C的 ''單 一單元〃可如希望地在框3 4與基座3 6之間重複。兩個此 種 ''單一單元〃係顯示於圖5上。所有電極3 8 A彼此電 性連接，所有電極38B彼此電性連接且所有電極38C彼 -17- (15) (15)1247896 此電性連接。因此便形成兩電容器：電容器AB在電極 38A與38B之間，且電容器AC在電極38A與38C之間。 電極3 8B沒有連接到電極3 8C的此種排列係被視爲叉指 架構。因爲框34的運動改變電容器AB與AC的電容，故 以電路來測量這些電容會提供框3 4運動的感應。此電路 較佳地放置在參考晶圓44上。 同樣地，在放射架構中，電極40A附到框34並且隨 框34移動，而電極40B與40C兩者則附到基座36並且 不隨框34移動。再者，形成兩電容器，以電路來測量這 些電容則提供框3 4運動的感應。 在第二操作模式中，框3 4被驅動達到繞著Z軸的角 振動，這伴隨有塊體22與24沿著X軸的反相振動。當 陀螺儀晶圓2 0以角速度wy繞著Y軸旋轉時，框3 4的振 動會在塊體22與24感應振動之Z方向的科氏力，其將包 括塊體2 2與2 4的連桿組設定成振動。因爲連桿組的振動 振幅取決於Wy (理想上它與Wy成比例）’所以測量此振 幅提供角速度wy的測量。 因爲此第二操作模式類似第一較佳操作模式，所以上 述討論仍可以適用於以下之差異：1 )第二操作模式包括 用來將框3 4驅動到角振動的致動器。連接到框3 4與基座 3 6的靜電致動器是一用來驅動框3 4到角振動的合適構件 。此靜電致動器可能具有種種不同的電極架構’包括圖5 的架構。 2 )在第二操作模式中，較佳地驅動框成基本共振頻 -18- (16) (16)1247896 率或靠近基本共振頻率，且連桿組基本頻率較佳地大於框 基本頻率。 3 )第二操作模式包括用來感應連桿組之振動的換能 器。連接到連桿組的電容性感應器係爲一合適的換能器。 在圖2上的電極48A、48B' 50A、50B、52A與52B提供 此一電容性感應器。電極52A與52B上之板26的運動是 藉由測量電極5 2 A與板2 6之間的電容以及測量電極5 2 B 與板2 6之間的電容而感應。板2 8與3 0的運動可同樣地 被感應。 在兩操作模式中，根據本發明實施例所設計的角速度 感應器會有利地降低感應器所受到之任何線性加速度所導 致的誤差。在第一操作模式中，被感應的運動係爲框3 4 的角振動，且感應器的線性加速度不傾向於導致此一運動 。在第二操作模式中，被感應的運動是塊體22與24的反 相振動，在此同樣地被感應的運動不是線性加速度傾向導 致的運動。例如，線性Z方向的加速度傾向導致塊體2 2 與24的同相（與反相相反）振動。 製造 在較佳實施例中，具有上述結構與操作的角旋轉感應 器（或者陀螺儀）是以微機電技術（被稱爲MEMS技術 )來製造。兩形式的MEMS技術係爲已知：即整體MEMS 與表面MEMS。整體MEMS技術較佳用於本發明，因爲整 體MEMS檢測塊體（亦即，塊體22與24)可具有較大的 -19- (17) (17)1247896 塊體並具有比表面MEMS檢驗塊體還更大範圍的運動。 圖7a-d、8a-d、9a-d與10a，b顯示適合用來製造本發明實 施例的示範性製造順序。 圖7 a-d顯示適合用來製造覆蓋晶圓42的一連串步驟 。在圖7a上，覆蓋晶圓42是以背部調準記號72來圖案 化。記號72可使用反應性離子蝕刻（RIE )來產生。從圖 7a至圖7b，背對調準記號72的覆蓋晶圓42之表面會被 淸潔，並且隨後熱氧化，以產生氧化物層7 0。氧化物層 70較佳地大約0.5微米厚，其係並且可藉由在含水的周遭 環境中將晶圓4 2 ’加熱到闻溫（例如’大於1 0 0 0 C )所產 生。從圖7b至圖7c，氧化物層70被微影圖案化，如圖 7C之圖示。從圖7c至7d，不受氧化物層70保護的覆蓋 晶圓42材料會被蝕刻到大約100微米的深度。深的RIE (DRIE )是適合此步驟的蝕刻方法。在此點，覆蓋晶圓 42具有圖2所示的架構。在蝕刻以後，將覆蓋晶圓42淸 潔以準備熔接。適當的淸潔步驟包括高溫（> 3 00 °C )去 灰步驟以及過氧化硫浸泡。所使用的淸潔方法必須使圖案 化的氧化層70完整無缺。 圖8 a-d圖式地顯示一連串適合製造陀螺儀晶圓20的 製程步驟。陀螺儀晶圓20較佳地主要是低總厚度變化（ TTV )晶圓。如圖8a所示，陀螺儀晶圓20以過氧化硫浸 泡來淸潔，隨後並且熔接到覆蓋晶圓42上的圖案化氧化 物層70。在圖7-10的製程順序中，將覆蓋晶圓42接合 到陀螺儀晶圓20會發生在將參考晶圓44接合到陀螺儀晶 -20- (18) (18)1247896 圓2 0還更早的製程階段中。於是，相當高溫的接合製程 較佳用於將覆蓋晶圓42接合到陀螺儀晶圓20，包括但不 限於：共熔金屬接合、玻璃接合、焊接、金共熔接合、矽 對二氧化矽熔接以及矽對矽熔接。從圖8a至圖8b ,陀螺 儀晶圓20基本上會從大約500微米厚變薄到大約40微米 厚。習知的碾磨與拋光是適合用來進行此變薄步驟的方法 。可將陀螺儀晶圓2 0均勻地變薄，或者可使將變成塊體 2 2與2 4的陀螺儀晶圓2 0區域厚於陀螺儀晶圓2 0的其它 部分。此增加的厚度是有益的，因爲它增加塊體22與24 的質量。在將陀螺儀晶圓2 0變薄以後，圖8 b上所示的支 座7 1係由微影圖案化隨後蝕刻所形成。氫氧化鉀蝕刻適 合此步驟。支座7 1之目的在於精確決定致動器電極（譬 如圖2上的電極48A，B、50A，B與52A，B)與相應板（亦 即，分別是板30、28與26 )之間的垂直間隔d。 從圖8b至圖8c，圖案化層46’會沈積在陀螺儀晶圓 20上。較佳地，圖案化層46’是一被沈積且隨後被圖案化 (例如，藉由微影隨後蝕刻）的鍺層。較佳地，圖案化層 46’同樣定義框34與基座36之間的電極，其係可以是圖 5所示的種類。或者，框3 4與基座3 6之間的電極可形成 在與圖案化層46’之沈積所不同的製程步驟中。 從圖8c至圖8d，陀螺儀晶圓20的機械元件是由蝕 刻經過陀螺儀晶圓20所形成。被蝕刻的圖案可微影成像 地形成。2微米的線寬與2微米的間距適合用於此蝕刻， 蝕刻停止於氧化物層70上。具有矽在絕緣體上（S 01 )反 -21 - (19) (19)1247896 基腳的深RIE係爲適合使步驟的蝕刻方法。此蝕刻較佳地 以適合產生高深寬比特徵的蝕刻製程來進行。在圖8 d的 蝕刻已經進行以後，圖1 -4與圖6上所示之陀螺儀晶圓 20的所有機械元件則會形成。這些元件包括塊體22與24 、板26、28與30、彎曲部分32、框34與鉸鏈26A、28A 、30A、54、56、58與60。爲了簡化起見，圖8d僅僅顯 示板28以及塊體22與24。 圖9 a-b顯示適合用來製造參考晶圓44的一連串製程 步驟。在圖9a上，參考晶圓44的主動區域係以74標示 。主動區域74包括將與陀螺儀晶圓20電性接觸的區域， 以及用來驅動陀螺儀晶圓2 0的電路，與用來感應陀螺儀 晶圓2 0所提供之輸出信號的電路。此電路較佳地是習知 的矽CMOS電路。在較佳實施例中，在習知CMOS製程 中所沈積的最後金屬層係爲適合當作接合金屬的金屬層。 此上層金屬層同樣定義電極48A，B、50A，B與52A，B (只 有電極50A，B顯示於圖9b上）與接合墊76，其係顯示於 圖9a上。從圖9a至圖9b，凹處45與47形成於參考晶 圓44中。凹處45與47較佳地以DRIE來製造，深度大 約100微米。 圖10a-b顯不適合用於陀螺儀晶圓2〇、參考晶圓44 與覆蓋晶圓4 2之最後組裝的一連串製程步驟。在圖1 〇 a 上，參考晶圓44係顯示經由陀螺儀晶圓2〇上之圖案化層 46’之間的調準金屬對金屬接合，以及參考晶圓44上的接 合墊76，而附到陀螺儀晶圓20。在圖7_丨〇的製程順序中 -22- (20) (20)1247896 ，參考晶圓44之接合到陀螺儀晶圓20會發生在比覆蓋晶 圓42之接合到陀螺儀晶圓20還更後面的製程階段。於是 ，相對低溫的接合製程較佳用於將參考晶圓44接合到陀 螺儀晶圓20，包括但不限於：共熔金屬接合、鋁-鍺接合 、焊接、銦-金接合以及聚合物接合。 圖1 〇a上的板28以及電極50A與50B之間的間隔d 是由支座71與圖案化層46’的合倂厚度所決定，其係並 且可藉由選擇支座71的高度而受到精確控制（或預先決 定）。其它電極（例如，電極48A，B與電極52A，B)與其 對應板（例如，分別是板30與26 )之間的間隔亦同樣地 以相同方式來決定，且相同的預先決定距離d會使所有板 與其對應電極隔開。雖然圖7 -1 0的製程順序顯示特別形 成在陀螺儀晶圓2 0上的支座7 1，但是亦可能將支座特別 地形成在參考晶圓44上，或者陀螺儀晶圓20與參考晶圓 44兩者上，以便定義板與電極之間的間隔。從圖10a至 圖1 Ob，將材料從覆蓋晶圓42蝕刻，以允許由上方接近 主動區域74。此蝕刻可以用DRIE完成。藉由允許由上方 接近主動區域74，會促成到圖l〇b之角速度感應器的電 連接。 參考晶圓44較佳地經由金屬對金屬接合而附到陀螺 儀晶圓20，該接合係密封式。同樣地，陀螺儀晶圓20較 佳地藉由熔接而附到覆蓋晶圓42，其亦可作成密封式。 結果，參考晶圓44、陀螺儀晶圓20與覆蓋晶圓42的整 體組件可在陀螺儀元件（譬如塊體22與24 )與周遭環境 -23- (21) (21)1247896 之間提供一密封阻障。 爲了符合不同陀螺儀市場的一些性能規格，在一些情 形中，於密封阻障所提供之密封件內提供降低的壓力（例 如，大約1毫托耳，遠小於大氣壓力）是有利的。以此方 式，由於塡滿密封件之空氣（或其它氣體）對塊體22與 24運動的阻力會合乎要求地被降低。或者，可於塊體22 與24中（以及在該連桿組的其它移動部分）設置有洞， 以降低對運動的空氣阻力。在其它情形中，可能合乎要求 地提供大於大氣壓力的壓力於密封之密封件內。 圖7a-d，8a-d，9a-b與10a-b的討論提供適合製造本發明較 佳實施例之一連串示範製程步驟的圖式槪要。因此，上述 的任何單一步驟均不是實施本發明之必要步驟。再者，上 述的大部分步驟可使用以上沒提及但卻在半導體製程技術 中眾所皆知的替代方法進行。更普遍地，整個詳細說明普 遍被當作實例，而非限制。在下文中，本發明實施例的進 一步實例將被簡短地說明。 圖1 2係爲另一電極架構的俯視圖。在圖1 2的圖式中 ，塊體22與24以及板26、28與30並不顯示，以致於在 這些連桿組元件下的電極能夠被看見。在圖1 2的架構中 ，如上述，電極48A，B、50A，B與52A，B分別用來驅動板 30、28與26。此外，圖12的架構提供電極51 A與51B 以來感應塊體的運動，或者更簡單地說’連桿組之運動。 電極5 1 A與5 1 B所提供的信號可有利地被驅動連桿組致 動器的電路所使用。例如，以此方式來感應該連桿組之運 -24- (22) (22)1247896 動會促使該驅動電路’以精確驅動連桿組成爲基本機械共 振頻率。 ® 1 3顯示根據本發明實施例所設計之積集式雙軸陀 螺儀的俯視圖。在圖1 3的架構中，γ軸次感應器2 〇 γ與 X軸次感應器20X較佳地製造在單晶矽晶片2ι上。次感 應器20與20Y較佳地是配合圖1與2的感應器加以說明 ’且圖1 3的架構以積集的角速度感應器來有利地提供雙 軸感應。相較於兩非積集、單軸感應器，此積集大幅地降 低成本。 圖14a與14b顯示提供不想要運動之進一步共模拒斥 之本發明實施例的俯視圖。圖1 4 a與1 4 b的架構包括兩框 ，即框34A與框34B。以非常相同於圖丨中塊體22與24 放置在框34內的方式，塊體22A與24A被放置在框34A 內，且塊體22B與24B被放置在框34B內。在圖14與 14b上的塊體22A，B與24A，B會被驅動達到振動，以致於 塊體24 A與22B同相。塊體22 A與24A係鏈結成異相移 動，塊體22B與24B也一樣。 框3 4A與34B藉由彎曲部分32彼此連接，並藉由複 數個彎曲部分32連接到基座36’。圖14a與14b上所示的 彎曲架構係爲示範性，且本發明可以其它彎曲架構來實施 。框34A藉由彎曲部分32連接到34B係傾向禁止與框 34A與34B之異相旋轉有關之框34A與34B的同相旋轉 ，因爲框3 4 A與3 4 B的同相旋轉比相同大小的異相旋轉 還更能將彎曲部分3 2伸展。 -25- (23) 1247896 當圖14a的感應器繞著圖14a上的Y軸旋轉時（ 1 4 b的感應器繞著圖1 4 b上的Y軸旋轉），傳到框 3 4 B的Z方向力矩係爲異相。關於此的原因是框 3 4B之內的兩連桿組彼此異相地移動。反之，圖 14b之感應器繞著Z軸的角加速度會導致框34A與 相旋轉。因此，圖1 4a與1 4b的感應器可排斥由於 的角加速度而產生之假信號，其係爲圖1實施例所 供的能力。在圖1 4a與1 4b上框34A與34B的旋 上述地被討論（例如，以一電容性感應器）。 再者，圖14a與14b的實施例在驅動連桿組中的淨 與角動量爲零，而圖1實施例的淨線動量爲零，但 量不爲零。因爲當驅動連桿組的淨線動量或角動量 ，振動傳送到感應器封裝會有減小的傾向，故相較 的實施例，圖1 4 a與1 4 b的實施例應該提供減少的 動。振動減少會造成測量誤差減少，譬如偏移誤差 誤差。 爲了將圖14a與14b實施例所提供之Z方向角 之共模拒斥的優點最大化，框3 4 A與3 4 B較佳地 質相同的形狀，且框3 4 A與3 4 B內的連桿組較佳 實質相同的架構與定向。此種程度的對稱提供因應 向角速度之實質相等與相反的運動，其係將不因應 向角速度之運動的排斥最大化（例如，起因於Z方 速度的運動）。 圖1 5顯示本發明的替代性實施例，在此框3 4 或者圖 34A與 3 4 A與 1 4a與 34B同 對Z軸 無法提 轉可如 線動量 淨角動 爲零時 於圖1 封裝振 與正交 加速度 具有實 地具有 :Y方 :γ方 向角加 與基座 -26- (24) (24)1247896 3 6是矩形而非圓形。類似圖1的實施例，在圖1 5的框3 4 內，塊體22與24是由板26、28與30連接在一起。同樣 地，在圖1的實施例中，包括塊體22與24以及板26、 2 8與3 0的連桿組較佳地藉由靜電致動器而驅動達到振動 (沒有顯示於圖1 5上）。圖1 5實施例的繞著Y軸之旋 轉將導致X方向的科氏力於塊體22與24上。框34係以 複數個彎曲部分32而連接到基座36，該些彎曲部分允許 框34相對於基座36移動。因應感應器繞著Y軸之角速 度而產生的塊體2 2與2 4上的X方向科氏力傾向於使框 34於X方向中相關基座36來移動。在框34與基座36之 間的相對運動較佳地以顯示於圖1 5上之電容性感應器 1 0 0來感應。 在圖1 5上之框3 4與彎曲部分3 2的架構抑制框3 4的 全部旋轉，並且感應出回應Y方向角速度之框34的X方 向變形。圖1 5上之框3 4與彎曲部分3 2的另一架構亦可 被應用，其係會抑制X方向的變形（例如，藉由使框3 4 更堅硬）並且感應框34的旋轉。 圖16a與16b顯示在框34與基座36間的彎曲部分32之 另一架構的實例。圖1 6a顯示彎曲部分32的排列，其係 相對於圖1所示之彎曲部分32的排列旋轉了 45度。圖 16b顯示對稱地配置在框34與基座36間之三彎曲部分32 的排列。當然，本發明可以框3 4與基座3 6間彎曲部分的 任何排列來實施，該排列容許框34應被感應出的角速度 而相關於基座3 6地移動。 -27- (25) (25)1247896 在本發明實施例的以上詳細說明中，揭露出用來驅動 連桿組達到振動的致動器，其係爲靜電致動器。用來驅動 連桿組達到振動的替代致動器包括，但不限於電磁致動器 、壓電致動器與熱致動器。同樣在以上的說明中，揭露出 用來感應框34角振動的換能器，其係爲電容感應器。用 來感應框34角振動的替代換能器包括，但不限於電磁感 應器、壓力電阻感應器與壓電感應器。 在本發明實施例的以上詳細說明中，揭露出用來驅動 框3 4達到角振動的致動器，其係爲靜電致動器。用來驅 動框3 4達到振動的替代致動器包括，但不限於電磁致動 器、壓電致動器與熱致動器。同樣在以上的說明中，揭露 出用來感應連桿組之振動的換能器，其係爲電容感應器。 用來感應連桿組振動的替代換能器包括，但不限於電磁感 應器、壓力電阻感應器與壓電感應器。 【圖式簡單說明】 圖1顯示根據本發明所設計之陀螺儀晶圓的平面圖。 圖2顯示本發明實施例的截面圖，包括圖1沿著線I 之陀螺儀晶圓的截面圖。 圖3顯示一平面圖，其係顯示較佳彎曲部份架構的詳 細情形。 圖4顯示沿著圖3之線Π之彎曲部份架構的截面圖。 圖5顯示適合本發明使用的兩電極架構。 圖ό顯示圖1之一部分陀螺儀晶圓的放大圖。 -28- (26) (26)1247896 圖7a、7b、7c與7d顯示根據本發明實施例來製造覆 蓋晶圓的製程步驟。 圖8a、8b、8c與8d顯示根據本發明實施例來製造覆 蓋晶圓與陀螺儀晶圓之組件的製程步驟。 圖9a與9b顯示根據本發明實施例來製造參考晶圓的 製程步驟。 圖l〇a與l〇b顯示根據本發明實施例來製造覆蓋晶圓 、陀螺儀晶圓與參考晶圓之組件的製程步驟。 圖1 1 a與1 1 b顯示圖2的架構如何在操作中移動。 圖1 2顯示根據本發明實施例所設計之在參考晶圓上 的電極排列情形。 圖1 3顯示本發明的雙軸實施例。 圖14a與14b顯示具有四檢驗塊體的本發明實施例。 圖1 5顯示具有矩形框的本發明實施例。 圖16a與16b顯示同樣適合用來實施本發明的兩其他 彎曲部份架構（除了圖1的架構以外）。 【主要元件符號說明】 20 陀螺儀晶圓 20X X軸次感應器 20Y Y軸次感應器 2 1 單晶矽晶片 22 檢驗塊體 24 檢驗塊體 -29- 1247896 (27) 26 第一邊緣板 26 A 鉸鏈 28 中間板 28B 點 28 A 鉸鏈 30 第二邊緣板 30A 鉸鏈 32 彎曲部分 329 彈簧 34 框 34A 框 3 4 B 框 36 基座 36” 基座 38A、38B、38C 電極 40A、40B、40C 電極 4 1 A 基座隔離溝槽 4 1 B 覆蓋隔離溝槽 41C 參考隔離構槽 42 覆蓋晶圓 44 參考晶圓 45 凹處 46 連接 465 圖案化層

-30- 1247896 (28) 46B 連接 47 凹處 48A、48B 電極 50A 、 50B 電極 51A、5 IB 電極 52A、52B 電極 54 、 56 、 58 、 60 彎曲鉸鏈 62 基座凸片 64 溝槽 66 基座彎曲支架 70 氧化物層 7 1 支座 72 背部調準記號 76 接合墊 74 主動區域

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Claims (1)

1247896 (1) 十、申請專利範圍 1· 一種用來測量感應器平面中之角速度的感應器，該 感應器包含： a)感應次組件，包含： I)一平行該平面的實質平面框； Π)—配置在該平面中的第一塊體； ΠΙ ) —與該第一塊體呈橫向配置在該平面中的第 二塊體；以及 IV ) —在該框內並且連接到該框的連桿組’其中 該連桿組連接到該第一塊體與該第二塊體，且其中該 連桿組限制該第一與該第二塊體，以在垂直該平面的 相反方向上移動； b ) —致動器，用來驅動該次組件的一第一部份以在 一驅動頻率振動；以及 c) 一換能器，用來回應該角速度而感應該次組件的 一第二部份運動。 2.如申請專利範圍第1項之感應器，其中該致動器是 從由靜電致動器、電磁致動器、壓電致動器與熱致動器所 組成的群組選出。 3 .如申請專利範圍第1項之感應器，其中該換能器是 從由電容感應器、電磁感應器、壓電感應器與壓力電阻感 應器所組成的群組選出。 4 .如申請專利範圍第1項之感應器，其中該次組件的 該第一部份是該連桿組，且該次組件的該第二部份是該框 -32- (2) (2)1247896 5 ·如申請專利範圍第4項之感應器’其中該致動器包 含一連接到該連桿組的靜電致動器，且其中該換能器包含 一連接到該框的電容性感應器。 6 ·如申請專利範圍第1項之感應器’其中該次組件的 該第一部份是該框，且該次組件的該第一部份是該連桿組 〇 7 ·如申請專利範圍第6項之感應器，其中該致動器包 含一連接到該框的靜電致動器，且其中該換能器包含一連 接到該連桿組的電容感應器。 8 ·如申請專利範圍第1項之感應器，其中該框的運動 實質受限於繞著垂直該感應器平面之軸的旋轉。 9·如申請專利範圍第8項之感應器，其中該框實質爲 圓形。 1 0 ·如申請專利範圍第1項之感應器’其中該框實質 爲矩形。 1 1 ·如申請專利範圍第1項之感應器，其中該第一與 第二塊體侷限於相關於該框，僅僅實質垂直該感應器平面 地移動。 1 2 ·如申請專利範圍第1項之感應器，進一步包含一 孔洞於該等塊體之至少其中之一’以降低空氣阻力° 1 3 .如申請專利範圍第1項之感應器’其中該連桿組 進一步包含： 一中心板，連接到該框，以及連接到該第一與該第二 -33 - (3) (3)1247896 塊體且在其間，其中該中心板可繞著一旋轉中心軸旋轉； 一第一邊緣板，連接到該框與該第一塊體，其中該第 一邊緣板可繞著第一旋轉軸旋轉；以及 一第二邊緣板，連接到該框與該第二塊體，其中該第 二邊緣板可繞著第二旋轉軸地旋轉； 其中該中心、第一與第二旋轉軸彼此平行，並同樣地 平行該感應器平面。 1 4 .如申請專利範圍第1 3項之感應器，其中該中心板 進一步包含一連接到該第一塊體的第一槓桿臂與一連接到 該第二塊體的第二槓桿臂，因此回應該中心板旋轉之垂直 該感應器板的該塊體運動會增加。 1 5,.如申請專利範圍第1 3項之感應器，其中該第一邊 緣板進一步包含一連接到該第一塊體的槓桿臂，因此回應 該第一邊緣板旋轉之垂直該感應器板的該第一塊體運動則 會增加。 1 6 .如申請專利範圍第1 3項之感應器，其中該第二邊 緣板進一步包含一連接到該第二塊體的槓桿臂，因此回應 該第二邊緣板旋轉之垂直該感應器板的該第二塊體運動則 會增加。 1 7.如申請專利範圍第1項之感應器，其中該框具有 一基本框共振模式，其繞著一垂直該感應器板的軸具有該 框的角旋轉。 1 8 .如申請專利範圍第1項之感應器，其中在垂直該 感應器板的方向中，該連桿組具有一基本連桿組共振模式 -34- (4) (4)1247896 ，其具有該第一與第二塊體的振動，其係實質彼此相位差 1 80 度。 1 9 .如申請專利範圍第1 8項之感應器，其中該框具有 —基本框共振模式，其繞著一垂直該感應器板的軸具有該 框的角旋轉。 2 0 .如申請專利範圍第1 9項之感應器，其中該框共振 模式具有較高於該連桿組共振模式頻率更高的頻率° 2 1 .如申請專利範圍第1 8項之感應器，其中該連桿組 共振模式的頻率大約等於該驅動頻率° 22.如申請專利範圍第1項之感應器，進一步包含一 實質平面基座，其係平行該框且放置在該框周圍。 2 3 .如申請專利範圍第2 2項之感應器，進一步包含複 數個彎曲部分將該基座連接到該框’以致於該框可繞著一 垂直該感應器板的軸旋轉。 24 .如申請專利範圍第2 3項之感應器，進一步包含從 被嚙合在該框內溝槽中並由該基座延伸的一凸片’該凸片 與該溝槽的結合限制了該框的運動範圍，從而保護該些彎 曲部分。 25.如申請專利範圍第22項之感應器，進一步包含一 頂表面附到該基座的矽參考晶圓，其中該感應次組件與該 基座會從單晶矽陀螺儀晶圓蝕刻。 2 6 .如申請專利範圍第2 5項之感應器，其中該參考晶 圓包含兩凹處，來容納垂直該感應器平面之該第一與第二 塊體的運動。 -35- (5) (5)1247896 2 7.如申請專利範圍第25項之感應器，其中該參考晶 圓包含電性連接到該感應次組件的CM0S電子。 2 8 .如申請專利範圍第2 5項之感應器，進一步包含一 電容性感應器，用來感應該連桿組相對於該參考晶圓的運 動。 2 9.如申請專利範圍第28項之感應器，其中該連桿組 進一步包含· 一中心板，連接到該框，以及連接到該第一與第二塊 體並在其間，其中該中心板可繞著一旋轉中心軸地旋轉； 一第一邊緣板，連接到該框與該第一塊體，其中該第 一邊緣板可繞著一第一旋轉軸地旋轉；以及 一第二邊緣板，連接到該框與該第二塊體，其中該第 二邊緣板可繞著一第二旋轉軸地旋轉； 其中該中心、第一與第二旋轉軸彼此平行，並同樣地 平行該感應器平面。 30·如申請專利範圍第29項之感應器，其中該致動器 包含= 一第一邊緣切開電極，放置在該參考晶圓之該頂表面 上的該第一邊緣板下，並且與該第一邊緣板隔開一預定距 離d ; 一第二邊緣切開電極，放置在該參考晶圓之該頂表面 上的該第二邊緣板下，並且與該第二邊緣板隔開距離d ; 一中心切開電極，放置在該參考晶圓之該頂表面上的 該中心板下，並且與該第二邊緣板隔開距離d ; -36 - (6) (6)1247896 3 1 ·如申請專利範圍第3 0項之感應器，其中該第一邊 緣電極、該第二邊緣電極與該中心切開電極以合作的方式 被電性驅動，以刺激該連桿組的一振動模式，以在垂直該 感應器平面的方向中，令該第一與第二塊體以實質彼此相 位差1 8 0度的方式振動。 3 2 .如申請專利範圍第3 1項之感應器，其中該驅動頻 率實質等於該振動模式的共振頻率。 3 3 .如申請專利範圍第3 0項之感應器，其中該換能器 包含一連接到該基座與該框的電容性感應器，且其中該參 考晶圓包含連接到該電容性感應器與連接到該第一邊緣電 極、該第二邊緣電極與該中心切開電極的CMOS電子，藉 此而得到該致動器與該換能器的晶圓級積集。 3 4 .如申請專利範圍第2 5項之感應器，進一步包含將 該框連接到該參考晶圓的複數個彎曲部分，以致使該框可 繞著一垂直該感應器板的軸旋轉，該等彎曲部分通過該基 座並且與該基座隔開複數個基座隔離溝槽，藉此而使該基 座中的應力不會耦合到該等彎曲部分。 3 5 .如申請專利範圔第3 4項之感應器，進一步包含將 該參考晶圓的該頂表面與該彎曲部分隔開的複數個參考隔 離溝槽，藉此而使該參考晶圓之該頂表面中的表面應力不 會實質地耦合到該等彎曲部分。 3 6 .如申請專利範圍第2 5項之感應器，進一步包含一 矽覆蓋晶圓，其具有一底表面附到該基座。 3 7 .如申請專利範圍第3 6項之感應器，其中該覆蓋晶 -37- (7) (7)1247896 圓包含一凹處，來容納垂直該感應器平面之該第一與第二 塊體的運動。 3 8 ·如申請專利範圍第3 6項之感應器，其中該覆蓋晶 圓密封地附著到該基座，且該參考晶圓密封地附著到該基 座。 3 9 ·如申請專利範圍第3 8項之感應器，其中由該基座 、該覆蓋晶圓與該參考晶圓所形成之密封密封件內的氣體 壓力實質不同於大氣壓力。 40. 如申請專利範圍第38項之感應器，其中該覆蓋晶 圓以矽對二氧化矽熔接密封地附到該基座，且該參考晶圓 以金屬接合密封地附著到該基座。 41. 如申請專利範圍第36項之感應器，進一步包含將 該框連接到該覆蓋晶圓的複數個彎曲部分，以致使該框可 繞著一垂直該感應器板的軸旋轉，該等彎曲部分通過該基 座並且與該基座隔開複數個基座隔離溝槽，藉此而使該基 座中的應力不會耦合到該彎曲部分。 4 2 .如申請專利範圍第4 1項之感應器，進一步包含將 該覆蓋晶圓的該底表面與該彎曲部分隔開的複數個覆蓋隔 離溝槽，藉此而使該覆蓋晶圓之該底表面中的表面應力不 會實質地耦合到該彎曲部分。 43.如申請專利範圍第42項之感應器，其中該彎曲部 分連接到該參考晶圓。 4 4 .如申請專利範圍第4 3項之感應器，進一步包含將 該參考晶圓的該頂表面與該彎曲部分隔開的複數個參考隔 -38- (8) (8)1247896 離溝槽，藉此而使該參考晶圓之該頂表面中的表面應力不 會實質地耦合到該彎曲部分。 4 5.—種雙軸感應器，用來測量在X-Y感應器平面中 之角速度的X與Y分量，雙軸感應器包含： A) —用來測量角速度之X分量的第一次感應器’第 一次感應器包含： a ) —第一感應次組件，包含： I)一平行該平面的實質平面第一框； Π)—配置在該平面中的第一塊體； 瓜）一與該第一塊體呈橫向配置在該平面中 的第二塊體；以及 IV) —在該框內並且連接到該框的第一連桿 組，其中該連桿組連接到該第一塊體與該第二塊 體，且其中該第一連桿組限制該第一與該第二塊 體，以在垂直該平面的相反方向上移動； b ) —第一致動器，用來驅動該第一次組件的一 第一部份以在一驅動頻率振動；以及 c) 一第一換能器，用來感應回應角速度X分量 之該第一次組件的一第二部份的運動。 B) —種用來測量角速度Y分量的第二次感應器，第 二次感應器包含： a ) —第二感應次組件，包含： I)一平行該平面的實質平面第二框； Π)—配置在該平面中的第三塊體； -39- 1247896

m ) 一與該第三塊體呈橫向配置在該平面中的第 四塊體；以及 iv) —在該第二框內並且連接到該第二框的第二 連桿組，其中該連桿組連接到該第三塊體與該第四塊 體，且其中該第二連桿組限制該第三與該第四塊體， 以在垂直該平面的相反方向中移動； b) 一第二致動器，用來驅動該第二次組件的一第一 部份以在一驅動頻率振動；以及 C) 一第二換能器，用來感應回應該角速度Y分量之 該第二次組件的一第二部份的運動。 46.—種用來測量感應器平面中之角速度的感應器， 該感應器包含： a ) —第一感應次組件，包含： I ) 一平行該平面的實質平面第一框； Π)—配置在該平面中的第一塊體； 瓜）一與該第一塊體呈橫向配置在該平面中的第 二塊體；以及 IV ) —在該框內並且連接到該框的第一連桿組， 其中該連桿組連接到該第一塊體與該第二塊體’且其 中該第一連桿組限制該第一與該第二塊體，以在垂直 該平面的相反方向中移動； b) —第一致動器，用來驅動該第一次組件的一第一 部份以在一驅動頻率振動；以及 c) 一第一換能器，用來感應回應該角速度之該第一 -40- (10) (10)1247896 次組件的一第二部份的第一運動； d ) —第二感應次組件，包含： I ) 一平行該平面的實質平面第二框； Π)—配置在該平面中的第三塊體； 瓜）一與該第三塊體呈橫向配置在該平面中的第 四塊體；以及 IV ) —在該第二框內並且連接到該第二框的第二 連桿組，其中該連桿組連接到該第三塊體與該第四塊 體，且其中該第二連桿組限制該第三與該第四塊體， 以在垂直該平面的相反方向中移動，其中該第二連桿 組具有與該第一連桿組實質相同的架構與定向，該第 三塊體對應該第一塊體且該第四塊體對應該第二塊體 9 e ) —第二致動器，用來驅動該第二次組件的一第一 部份以在一驅動頻率振動；以及 f) 一第二換能器，用來感應回應該角速度之該第二 次組件的一第二部份的第二運動； 其中來自該第一與第二換能器的信號會被結合，以將 回應該角速度的該第一與第二運動自不回應該角速度的運 動區隔開。 47·如申請專利範圍第46項之感應器，其中該第一次 組件的該第一部份是該第一連桿組，且其中該第一次組件 的該第二部份是該第一框，且其中該第二次組件的該第一 部份是該第二連桿組，且其中該第二次組件的該第二部份 -41 - (11) (11)1247896 是該第二框。 48. 如申請專利範圍第47項之感應器，其中該第一與 第二連桿組會被驅動，以致於該第一塊體與該第三塊體會 被驅動，以在垂直該平面的相反方向中移動。 49. 如申請專利範圍第48項之感應器，其中該第一與 第二框可在該平面內旋轉，且進一步包含一將該第一框連 接到該第二框的框連桿組，其中該第一與第二框會爲該框 連桿組所受限於在相反方向中旋轉。

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