專利名稱：微機(jī)械慣性傳感器器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及慣性傳感器器件，更具體地涉及微機(jī)械慣性傳感器器件。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的迅速發(fā)展，各種電子設(shè)備諸如導(dǎo)航系統(tǒng)、手機(jī)和電子游戲機(jī)都需要能夠以低成本準(zhǔn)確地確定設(shè)備的運(yùn)動(dòng)的、具有小形狀因子(form factor)的傳感器。 已經(jīng)開發(fā)出的常規(guī)技術(shù)是在ASIC晶圓上沖擊(bump)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)芯片，或?qū)EMS 與ASIC晶圓集成。然而，大部分現(xiàn)有的MEMS傳感器測(cè)量的是加速度或轉(zhuǎn)動(dòng)，而不是測(cè)量物體的六個(gè)自由度(三個(gè)獨(dú)立加速度和三個(gè)獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng))。正因?yàn)槿绱?，現(xiàn)有的用于在六個(gè)自由度上檢測(cè)物體運(yùn)動(dòng)的ASIC晶圓具有很大的形狀因子，以容納多個(gè)MEMS傳感器和額外的電路或算法，以處理從多個(gè)傳感器接收的數(shù)據(jù)。此外，制造多個(gè)MEMS以及將ASIC晶圓與MEMS 封裝/集成增加了傳感器器件的制造成本。因此，需要一種單個(gè)MEMS器件，其能夠以六個(gè)自由度檢測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)，以使得含有該MEMS的傳感器器件的總體形狀因子和制造成本均可被顯著減小。

發(fā)明內(nèi)容
在本公開內(nèi)容的一個(gè)實(shí)施方案中，用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)的傳感器包括框架；第一平面檢驗(yàn)質(zhì)量塊(proof mass)部分,其通過第一撓曲部(flexure)附接至所述框架；以及第二平面檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分，其通過第二撓曲部附接至所述框架。所述框架、所述第一平面檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分和所述第二平面檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分形成于一個(gè)微機(jī)械層中，且適于測(cè)量關(guān)于三個(gè)軸線的角速度和關(guān)于所述三個(gè)軸線的線性加速度。在本公開內(nèi)容的另一個(gè)實(shí)施方案中，一種用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)的器件，包括第一晶圓、 器件層以及第二晶圓，其中所述第一晶圓和第二晶圓被鍵合至所述器件層，從而封裝所述器件層。所述器件層包括框架；第一平面檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分，其通過第一撓曲部附接至所述框架；以及第二平面檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分，其通過第二撓曲部附接至所述框架。所述框架、所述第一平面檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分和所述第二平面檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分形成于一個(gè)微機(jī)械層中，且適于測(cè)量關(guān)于三個(gè)軸線的角速度和關(guān)于所述三個(gè)軸線的線性加速度。參見下面的附圖、說明書和權(quán)利要求，將可更好地理解本發(fā)明的這些以及其他特征、方面和優(yōu)點(diǎn)。


圖I示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的多自由度器件的示意性橫截面圖；圖2示出了圖I的多自由度器件的傳感器的示意性俯視圖；圖3A示出了圖2中的傳感器的梳狀驅(qū)動(dòng)電極的放大視圖；圖3B示出了圖2中的傳感器的I軸線加速度計(jì)電極的放大視圖；圖4A示出了在陀螺儀驅(qū)動(dòng)運(yùn)行模式下的圖2中的單個(gè)質(zhì)量塊(single mass)；圖4B示出了在響應(yīng)于繞X軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的感測(cè)運(yùn)動(dòng)期間圖2中的單個(gè)質(zhì)量塊；圖4C示出了在響應(yīng)于繞y軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的感測(cè)運(yùn)動(dòng)期間圖2中的單個(gè)質(zhì)量塊；
圖4D示出了在響應(yīng)于繞z軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的感測(cè)運(yùn)動(dòng)期間圖2中的單個(gè)質(zhì)量塊；圖5A和5B示出了分別在X方向和z方向的線性加速度下的的單個(gè)質(zhì)量塊；圖6示出了在器件層下方的陀螺儀電極的示意性俯視圖，該陀螺儀電極用于測(cè)量圖2中的傳感器的離面(out of plane)運(yùn)動(dòng)；圖7是撓曲部結(jié)構(gòu)的放大圖，撓曲部結(jié)構(gòu)允許X軸線陀螺儀感測(cè)運(yùn)動(dòng)和z軸線加速度計(jì)感測(cè)運(yùn)動(dòng)；圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的傳感器的另一個(gè)實(shí)施方案的示意性俯視圖；圖9A示出了根據(jù)本發(fā)明的傳感器的又一個(gè)實(shí)施方案的示意性俯視圖；以及圖9B示出了圖9A中傳感器的撓曲部結(jié)構(gòu)的放大視圖。
具體實(shí)施例方式下文的詳細(xì)描述是當(dāng)前可預(yù)期的用于執(zhí)行本發(fā)明的最佳模式。以下描述不應(yīng)以限制意義理解，而只是為了示出本發(fā)明的基本原理而做出的，這是因?yàn)楸景l(fā)明的范圍是由所附權(quán)利要求最佳地限定的。圖I示出了多自由度器件100的示意性橫截面圖。如所示,多自由度器件100包括一個(gè)帽蓋晶圓(cap wafer) 102、一個(gè)包括微機(jī)械結(jié)構(gòu)(或MEMS結(jié)構(gòu))的器件層(或等同地，MEMS層或微機(jī)械結(jié)構(gòu)層)106、以及一個(gè)通孔晶圓(via wafer) 108。帽蓋晶圓102可被金屬鍵合至器件層106，在操作期間，金屬鍵合104可以在帽蓋晶圓102和器件層106之間產(chǎn)生熱應(yīng)力。為了將微機(jī)械結(jié)構(gòu)與熱應(yīng)力隔離，可以在器件層106的周緣周圍形成一個(gè)減應(yīng)力槽120。金屬鍵合104可以是非高溫熔融鍵合，且允許應(yīng)用吸氣劑以維持長(zhǎng)時(shí)間的真空并且允許應(yīng)用防靜摩擦(anti-stiction)涂層以避免可能發(fā)生在低重力加速度傳感器上的靜摩擦。通孔晶圓108可被熔融鍵合——例如硅-硅熔融鍵合——至器件層106，避免了通孔晶圓108和器件層106之間的熱應(yīng)力。通孔晶圓108可包括突出部(或等價(jià)地，錨)103，該突出部103基本位于通孔晶圓108的中心，且為器件層106提供了一個(gè)錨接(附接)結(jié)構(gòu)。錨103可被熔融鍵合至器件層106，從而消除了與金屬疲勞有關(guān)的潛在問題。在器件層106中形成的傳感器測(cè)量電容中的變化，以檢測(cè)角位移。正因?yàn)槿绱?，任何外部電?chǎng)或磁場(chǎng)均可影響角位移測(cè)量的準(zhǔn)確度。為了遮蔽外部電場(chǎng)和磁場(chǎng)，器件層106 和帽蓋晶圓102彼此電連接，且優(yōu)選地接地。通孔晶圓108包括被隔離溝槽(或者等價(jià)地，通孔)114分隔的多個(gè)區(qū)域。每個(gè)通孔114都被填有導(dǎo)電性非晶材料118，諸如多晶硅或金屬。導(dǎo)電材料118被介電材料116 電絕緣，且可被電偏置到電極處的電壓，以產(chǎn)生零電壓差，從而消除通孔的分路電容(shunt capacitance)。被隔離溝槽114分隔的每個(gè)區(qū)域都具有一個(gè)用于數(shù)據(jù)通信的電觸點(diǎn)。例如，如圖 IC中所示，通孔晶圓108可包括三個(gè)觸點(diǎn)110、111和112，這些電觸點(diǎn)可通過凸塊或線鍵合 (wire-bond)連接至ASIC晶圓。在另一個(gè)實(shí)施例中，觸點(diǎn)110可以是連接至通孔114的電觸點(diǎn)，而觸點(diǎn)111可以是電連接至錨103的錨觸點(diǎn)，而觸點(diǎn)112是電連接至絕緣區(qū)域(或島狀物)119的圓形通孔觸點(diǎn)。在于2010年8月3日提交的題為"Micromachined devices and fabricating the same"的共同未決的美國(guó)專利申請(qǐng)No. 12/849，787中公開了通孔和絕緣區(qū)的具體說明，該專利申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容以引用方式被納入本文。器件層106可以包括微機(jī)械結(jié)構(gòu)，該微機(jī)械結(jié)構(gòu)用作陀螺儀和加速度傳感器的功能。通過錨103以及通過在通孔晶圓108的隔離區(qū)域和器件層106之間的電容耦合，實(shí)現(xiàn)了到微機(jī)械結(jié)構(gòu)的電連接。下文中結(jié)合圖4A-5B給出了微機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)行的具體描述。圖2示出了微機(jī)械集成6軸線慣性測(cè)量器件(或者等價(jià)地，微機(jī)械器件或傳感器)200的示意性俯視圖，該器件被包括在圖I中的器件層(或微機(jī)械層)中。如所示的， 傳感器200包括一個(gè)密封框架204，其被鍵合至通孔框架108和蓋帽框架102 ;檢驗(yàn)質(zhì)量塊外框架202 ;—對(duì)X軸線平面檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分(或者簡(jiǎn)寫為X軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分)212a和 212b;以及一個(gè)y軸線平面檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分(或者簡(jiǎn)寫為y軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分)218。每個(gè)X軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分212a和212b都通過兩對(duì)z軸線陀螺儀撓曲部216a和216b而附接/懸掛至檢驗(yàn)質(zhì)量塊外框架202，且包括一個(gè)X軸線加速度計(jì)/z軸線陀螺儀電極214a (或 214b)。一對(duì)X軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分212a和212b中的每一個(gè)以及y軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分 218都形成在大致一個(gè)板中。z軸線陀螺儀撓曲部216a和216b中的每一個(gè)都具有均勻的棒或梁的形狀。y軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分218包括兩個(gè)翼部220a和220b，兩個(gè)翼部220a和220b與形成整體主體的細(xì)長(zhǎng)部分224連接。Y軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分218通過一對(duì)X軸線陀螺儀撓曲部228a和228b附接至框架202，其中所述撓曲部是結(jié)合圖7描述的。細(xì)長(zhǎng)部224經(jīng)由兩個(gè)y軸線陀螺儀撓曲部230附接至一個(gè)驅(qū)動(dòng)解耦框架232。翼部220a(或220b)包括一個(gè) y軸線電極222a (或222b)以及多個(gè)梳狀驅(qū)動(dòng)電極226。如下文所討論的，在一個(gè)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行模式期間，檢驗(yàn)質(zhì)量塊外框架202、一對(duì)平面X軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分212a和212b以及y軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分218均被同步地驅(qū)動(dòng)。正因?yàn)槿绱?，下文中術(shù)語“單個(gè)檢驗(yàn)質(zhì)量塊”是檢驗(yàn)質(zhì)量塊外框架202、一對(duì)X軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分212a和212b以及y軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分 218的總稱。傳感器200還包括一個(gè)錨103，該錨103基本被布置在傳感器中心，且被固定至通孔晶圓108。驅(qū)動(dòng)解耦框架232被四個(gè)驅(qū)動(dòng)懸掛梁236連接至錨103。圖3A示出了圖2中的傳感器200的梳狀驅(qū)動(dòng)電極226的放大視圖，其中梳狀驅(qū)動(dòng)電極226被用于驅(qū)動(dòng)X軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分和I軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分，從而繞z軸線以單一驅(qū)動(dòng)頻率振蕩。如所示，梳狀電極226包括連接至錨302的靜止指狀物304和連接至 220a的移動(dòng)梳形指狀物306。錨302被固定至通孔晶圓108，導(dǎo)致靜止指狀物304在運(yùn)行中被固定在位。錨302可具有任何適當(dāng)?shù)亩噙呅涡螤?，諸如矩形、三角形和五邊形。移動(dòng)指狀物306和與靜止指狀物304互相交叉。在運(yùn)行中，處于驅(qū)動(dòng)頻率的電信號(hào)經(jīng)由錨302施加至靜止指狀物304。然后，由于靜止指狀物304和移動(dòng)梳形指狀物306之間的相互作用，y 軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分218和X軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分212a、212b以驅(qū)動(dòng)頻率振蕩，如下文結(jié)合圖4A所討論的。圖3B示出了圖2中傳感器200的y軸線加速度計(jì)電極(或者等價(jià)地，y軸線加速度換能器或I軸線加速度計(jì)梳形指狀物)222b的放大視圖，其中I軸線加速度計(jì)電極222b 監(jiān)控y軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分218的響應(yīng)于y軸線加速度的運(yùn)動(dòng)。如所示軸線加速度計(jì)電極222b包括多個(gè)間隔開的、并聯(lián)的輸入電極或板312，以及與輸入板312互相交叉的對(duì)應(yīng)數(shù)量的靜止電極或靜止板314。靜止板314從被固定至錨240的定子310延伸，而輸入板312從y軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分218的細(xì)長(zhǎng)部224延伸。當(dāng)y軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分218相對(duì)于靜止板314運(yùn)動(dòng)時(shí)，在靜止板314和輸入板312之間的電相互作用(或電容)改變。監(jiān)控電容的改變，從而測(cè)量I軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分218的運(yùn)動(dòng)。X軸線加速度計(jì)電極(或者等價(jià)地，X軸線加速度換能器或X軸線加速度計(jì)梳形指狀物)214a和214b具有與y軸線電極222b類似的結(jié)構(gòu)。正因?yàn)槿绱?為了簡(jiǎn)便,沒有重復(fù)對(duì)X軸線電極214a和214b的詳細(xì)敘述。例如，x軸線加速度計(jì)電極214a包括多個(gè)間隔開的、并聯(lián)的輸入電極或板，以及與輸入板互相交叉的對(duì)應(yīng)數(shù)量的靜止電極或靜止板。靜止板被連接至錨213，而輸入電極從X軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分212a延伸。如結(jié)合圖4D所描述的，X軸線加速度計(jì)電極214a和214b可被用于測(cè)量關(guān)于z軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?？蛇x地，可在布置X軸線加速度計(jì)電極的區(qū)域中形成一個(gè)分立的Z軸線陀螺儀電極。圖4A示出了在陀螺儀驅(qū)動(dòng)運(yùn)行模式下的單個(gè)檢驗(yàn)質(zhì)量塊201，其中單個(gè)檢驗(yàn)質(zhì)量塊是檢驗(yàn)質(zhì)量塊外框架202、所述一對(duì)平面X軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分212a和212b以及y軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分218的總稱。如所示，梳狀驅(qū)動(dòng)電極226被驅(qū)動(dòng)，以使得I軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分218的翼部220a和220b分別沿著X方向和Y方向以反相方式振蕩，導(dǎo)致所述單個(gè)檢驗(yàn)質(zhì)量塊201相對(duì)于z軸線以預(yù)設(shè)驅(qū)動(dòng)頻率進(jìn)行扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(或轉(zhuǎn)動(dòng))。所述扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使得驅(qū)動(dòng)懸掛梁236 (在圖2中示出)以撓性方式彎曲，從而為X軸線和y軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分提供了恢復(fù)力矩。圖4B示出了在響應(yīng)于繞X軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的感測(cè)運(yùn)動(dòng)期間的單個(gè)檢驗(yàn)質(zhì)量塊201。如上文參考圖4A所討論的，通過以預(yù)設(shè)驅(qū)動(dòng)頻率激勵(lì)梳狀驅(qū)動(dòng)電極226，X軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分212a和212b被驅(qū)動(dòng)以關(guān)于z軸線振蕩。當(dāng)x軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分212a和212b以一角速度關(guān)于X軸線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，即，單個(gè)檢驗(yàn)質(zhì)量塊201被以角速度Ω X外部擾動(dòng)時(shí)，通過驅(qū)動(dòng)振蕩和以ΩΧ轉(zhuǎn)動(dòng)的組合，為單個(gè)檢驗(yàn)質(zhì)量塊201產(chǎn)生了一個(gè)離面的科里奧利力(Coriolis force)。該科里奧利力使得單個(gè)檢驗(yàn)質(zhì)量塊201被關(guān)于y軸線扭轉(zhuǎn)地激勵(lì)。同樣，因?yàn)閤軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分212a和212b經(jīng)由z軸線陀螺儀撓曲部216a和216b而被懸掛至檢驗(yàn)質(zhì)量塊外框架202，該科里奧利力導(dǎo)致X軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分212a和212b以相反方向運(yùn)動(dòng)， 如箭頭402a和402b所示。X軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分212a和212b的運(yùn)動(dòng)可以通過x軸線陀螺儀電極606和 608 (如圖6所示)檢測(cè)。更具體地，在X軸線陀螺儀電極606、608和對(duì)應(yīng)的x軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分212a、212b之間的電容的變化均被測(cè)量，以檢測(cè)所述科里奧利力，由此測(cè)量單個(gè)檢驗(yàn)質(zhì)量塊201的角速度Ωχ。圖4C示出了在響應(yīng)于繞y軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的感測(cè)運(yùn)動(dòng)期間的單個(gè)檢驗(yàn)質(zhì)量塊201。如上文參考圖4A所述，通過以預(yù)設(shè)驅(qū)動(dòng)頻率激勵(lì)梳狀驅(qū)動(dòng)電極226，y軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊218被驅(qū)動(dòng)，從而關(guān)于z軸線振蕩。當(dāng)單個(gè)檢驗(yàn)質(zhì)量塊201以一個(gè)角速度關(guān)于y軸線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，即，所述單個(gè)檢驗(yàn)質(zhì)量塊201被以一個(gè)角速度Qy外部地?cái)_動(dòng)時(shí)，通過將所述驅(qū)動(dòng)振蕩和以Qy 轉(zhuǎn)動(dòng)組合，為y軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分218產(chǎn)生了一個(gè)離面的科里奧利力。該科里奧利力使得單個(gè)檢驗(yàn)質(zhì)量塊201關(guān)于X軸線扭轉(zhuǎn)地激勵(lì)。同時(shí)，因?yàn)閥軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分218經(jīng)由I軸線陀螺儀撓曲部230被連接至驅(qū)動(dòng)解耦框架232 (在圖2中示出)，該科里奧利力使得I軸線陀螺儀撓曲部230關(guān)于X軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，如箭頭404a和404b所示。Y軸線陀螺儀撓曲部230為y軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分218提供了一個(gè)恢復(fù)力矩。y軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分218的運(yùn)動(dòng)可被y軸線陀螺儀電極602和604 (在圖6中示出)檢測(cè)。更具體地，I軸線陀螺儀電極602、604與對(duì)應(yīng)的y軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分218的翼部220a、220b之間的電容的變化被測(cè)量，以檢測(cè)科里奧利力，從而測(cè)量單個(gè)檢驗(yàn)質(zhì)量塊201 的角速度Dy。圖4D示出了在響應(yīng)于繞z軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的感測(cè)運(yùn)動(dòng)期間的單個(gè)檢驗(yàn)質(zhì)量塊201。當(dāng)x 軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊212a和212b受到關(guān)于z軸線的角速度——以角速度Ω z——時(shí)，x軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊212a和212b的相反的速度引起在x方向上平面內(nèi)的相反的科里奧利力，如箭頭 406a和406b所示。由于相反方向的科里奧利力，x軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分212a和x軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分212b在X方向以反相方式振蕩。X軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分212a和212b的運(yùn)動(dòng)可以通過X軸線加速度計(jì)電極214a和214b或者在相同區(qū)域內(nèi)布置的分立的類似電極檢測(cè)。圖5A示出了在X方向上的線性加速度下的單個(gè)檢驗(yàn)質(zhì)量塊201。當(dāng)x軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分212a和212b被沿著x方向加速時(shí)，x軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分212a和212b沿著x 軸線同相運(yùn)動(dòng)。z軸線陀螺儀撓曲部216a和216b在沿X方向的線性加速度下變形。測(cè)量 X軸線加速度計(jì)電極214a和214b的電容變化，以檢測(cè)x軸線檢測(cè)質(zhì)量塊部分212a和212b 的運(yùn)動(dòng)。X軸線加速度計(jì)電極214a和214b可以測(cè)量x方向上的加速度以及z方向上的角速度。單個(gè)檢測(cè)質(zhì)量塊201的沿著y方向的線性加速度是通過與測(cè)量沿著X方向的線性加速度類似的方式測(cè)量的。I軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分218的運(yùn)動(dòng)是通過測(cè)量y軸線加速度計(jì)電極(或者I軸線梳形指狀物傳感器)222a和222b的電容的變化來檢測(cè)的。y軸線加速度計(jì)電極222a和222b可被專用于測(cè)量y軸線方向的加速度。x軸線陀螺儀撓曲部228a和 228b在y軸線方向的線性加速度下變形。圖5B示出了 z方向上的線性加速度下的單個(gè)檢驗(yàn)質(zhì)量塊201。x軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分212a和212b中的每一個(gè)都通過兩個(gè)z軸線陀螺儀撓曲部216a和216b而被懸掛至檢驗(yàn)質(zhì)量塊外框架202，而檢驗(yàn)質(zhì)量塊外框架202通過X軸線陀螺儀撓曲部228a和228b而被懸掛至I軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分218。從而，當(dāng)單個(gè)檢驗(yàn)質(zhì)量塊201沿著z方向被加速時(shí)，X 軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分212a和212b在z方向上同相運(yùn)動(dòng)，而y軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分保持固定。相應(yīng)地，X軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分212a和212b的運(yùn)動(dòng)或加速度可以通過x軸線陀螺儀電極606和608(在圖6中示出)測(cè)量。在替代實(shí)施方案中，專用的z軸線電極(在圖5B中未示出)可以包括在傳感器200中，以使得可以在不使用X軸線陀螺儀電極606和608的情況下測(cè)量z方向上的加速度。圖6示出了用于測(cè)量傳感器運(yùn)動(dòng)的陀螺儀電極600的示意性俯視圖。如所示，陀螺儀電極600包括X軸線陀螺儀電極606和608，以及y軸線陀螺儀電極602和604。如上文所討論，陀螺儀電極600中的每一個(gè)和傳感器200的對(duì)應(yīng)部件之間的電容的變化被用來測(cè)量傳感器的運(yùn)動(dòng)。陀螺儀電極600可被安裝在通孔晶圓108(在圖I中示出)的表面上或者在通孔層內(nèi)，且與傳感器200間隔開一個(gè)預(yù)定距離。圖7示出了撓曲部結(jié)構(gòu)228a的放大視圖，撓曲部結(jié)構(gòu)228a允許x軸線陀螺儀感測(cè)運(yùn)動(dòng)和Z軸線加速度計(jì)感測(cè)運(yùn)動(dòng)。該撓曲部包括X軸線陀螺儀彈簧704、z軸線加速度計(jì)彈簧702和框架連接彈簧706。如所示，y軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分218的翼部220a通過梁704 和X軸線陀螺儀彈簧704而被連接至檢驗(yàn)質(zhì)量塊外框架202，其中彈簧704的一端被附接至翼部220a，而彈簧704的另一端經(jīng)由連桿(linkage) 703和z軸線加速度計(jì)彈簧702而被附接至外框架202。連桿703和z軸線加速度計(jì)彈簧702通過槽(或間隙)705與翼部220a 分隔。所述間隙705足夠大，以允許連桿703、X軸線陀螺儀彈簧704和z軸線加速度計(jì)彈簧702運(yùn)動(dòng)通過其設(shè)計(jì)范圍，而不與翼部220a碰撞。如圖4B所示，當(dāng)X軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分212a和212b關(guān)于y軸線被扭轉(zhuǎn)激勵(lì)時(shí)， X軸線陀螺儀彈簧704提供了關(guān)于y軸線的恢復(fù)力矩。如圖5B所示，當(dāng)y軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分218沿著z軸線被加速時(shí)，z軸線加速度計(jì)彈簧702用作扭轉(zhuǎn)鉸鏈，并提供了關(guān)于y軸線的恢復(fù)力矩。圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的傳感器800的另一個(gè)實(shí)施方案的示意性俯視圖，其中傳感器800具有與傳感器200 (在圖2中示出)類似的功能。如所示，傳感器800類似于圖2 中的傳感器200，不同之處在于傳感器800不包括驅(qū)動(dòng)解耦框架232，即，y軸線陀螺儀撓曲部(或梁)804將y軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分818直接連接至錨802。在此實(shí)施方案中，y軸線陀螺儀梁804也可被用作驅(qū)動(dòng)懸掛梁。在y軸線角速度響應(yīng)模式(其類似于在圖4C中描述的模式)下，y軸線陀螺儀梁804關(guān)于X軸線扭曲，從而用作關(guān)于X軸線的扭轉(zhuǎn)鉸鏈。在驅(qū)動(dòng)模式下，y軸線陀螺儀梁804像固定導(dǎo)向端梁那樣偏轉(zhuǎn)，以允許y軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分 818關(guān)于z軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。應(yīng)注意，傳感器800不包括驅(qū)動(dòng)解耦框架，以降低用于檢驗(yàn)質(zhì)量塊的懸掛機(jī)制的復(fù)雜度。圖9A不出了根據(jù)本發(fā)明的傳感器900的另一個(gè)實(shí)施方案的不意性俯視圖。圖9B 示出了圖9A的傳感器900的X軸線加速度計(jì)撓曲部和y軸線加速度計(jì)撓曲部的放大視圖。 如所示，所述傳感器900類似于圖2中的傳感器200，不同之處在于傳感器900包括x軸線加速度計(jì)撓曲部908a、908b，以及y軸線加速度計(jì)撓曲部910a、910b。所述傳感器900包括一個(gè)I軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分918，該y軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分918具有一對(duì)翼部902a、902b ； 細(xì)長(zhǎng)部904;以及，y軸線電極(或換能器)906a、906b，該y軸線電極用于測(cè)量y軸線檢驗(yàn)質(zhì)量部分918的運(yùn)動(dòng)。所述傳感器900還包括一個(gè)基本被布置在中心的錨946和一個(gè)驅(qū)動(dòng)解耦框架948，該驅(qū)動(dòng)解耦框架948被多個(gè)驅(qū)動(dòng)梁950連接至錨946。X軸線加速度計(jì)撓曲部908a(或908b)包括細(xì)長(zhǎng)的狹縫(槽或間隙)930，其在y 軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分918的細(xì)長(zhǎng)部904中形成；以及兩個(gè)狹縫(槽或間隙)932，其從錨905 周圍的區(qū)域向著X軸線延伸。狹縫932的遠(yuǎn)端彼此間隔開，以形成具有基本T型形狀的懸掛連桿934。狹縫932將細(xì)長(zhǎng)部904從框架952分隔開，其中框架952具有基本矩形的形狀。 間隙930和932足夠大，以允許懸掛桿934運(yùn)動(dòng)通過其設(shè)計(jì)范圍，而不碰撞細(xì)長(zhǎng)部904和框架952。錨905被固定至通孔晶圓108(在圖2中示出)，且將y軸線電極906a(或906b) 的靜止板夾持就位。y軸線加速度計(jì)撓曲部910b(或者，910a)包括一個(gè)長(zhǎng)狹縫(槽或間隙)940和被布置為基本平行于長(zhǎng)狹縫940的兩個(gè)短狹縫(槽或間隙)942。兩個(gè)短狹縫942和長(zhǎng)狹縫940 之間的間隙形成了一個(gè)具有基本T型形狀的懸掛連桿944?？蚣?52被狹縫940和942從驅(qū)動(dòng)解耦框架948分隔開。狹縫940和942足夠大，以允許懸掛連桿944運(yùn)動(dòng)經(jīng)過其設(shè)計(jì)范圍，而不碰撞框架952和驅(qū)動(dòng)解耦框架948。X軸線加速度計(jì)撓曲部908a，908b和y軸線加速度計(jì)撓曲部910a、910b被連接至驅(qū)動(dòng)解耦框架948，且允許將加速度計(jì)功能從陀螺儀運(yùn)行中去掉。當(dāng)然，應(yīng)理解，前述說明書涉及本發(fā)明的示例實(shí)施方案，且在不背離如下權(quán)利要求所述的本發(fā)明的原理和范圍的情況下可對(duì)其作出修改。
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)量自身運(yùn)動(dòng)的傳感器，包括框架；第一平面檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分，其通過第一撓曲部附接至所述框架；以及第二平面檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分，其通過第二撓曲部附接至所述框架；其中所述框架、所述第一平面檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分和所述第二平面檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分形成于一個(gè)微機(jī)械層中，且適于測(cè)量關(guān)于三個(gè)軸線的角速度和關(guān)于所述三個(gè)軸線的線性加速度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，還包括至少一個(gè)梳狀電極，用于以驅(qū)動(dòng)頻率關(guān)于一個(gè)與一平面正交的軸線驅(qū)動(dòng)所述第一平面檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分和所述第二平面檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分，當(dāng)所述傳感器不被外部擾動(dòng)時(shí)，所述微機(jī)械層基本布置在所述平面上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器，其中所述梳狀電極包括多個(gè)靜止指狀物和多個(gè)移動(dòng)梳形指狀物。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器，其中所述多個(gè)靜止指狀物被連接至一個(gè)錨，該錨被固定至布置在所述微機(jī)械層下方的一個(gè)晶圓。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器，其中所述第二平面檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分包括一對(duì)翼部，該對(duì)翼部關(guān)于第一軸線對(duì)稱地布置，且當(dāng)所述傳感器以一角速度沿著與所述第一軸線垂直的第二軸線被擾動(dòng)時(shí)，所述翼部適于以相反方向運(yùn)動(dòng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的傳感器，還包括一對(duì)陀螺儀電極，其被布置在所述微機(jī)械層下方，其中，沿著所述第二軸線的所述角速度是通過測(cè)量所述一對(duì)陀螺儀電極和所述一對(duì)翼部之間的電容的變化而檢測(cè)的。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的傳感器，還包括一對(duì)加速度計(jì)電極，其分別連接至所述一對(duì)翼部，并且關(guān)于第一軸線對(duì)稱地布置，其中所述傳感器的沿著所述第二軸線的線性加速度是通過測(cè)量所述一對(duì)加速度計(jì)電極的電容變化而檢測(cè)的。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳感器，其中每個(gè)所述加速度計(jì)都被連接至一個(gè)錨，所述錨被固定至布置在所述微機(jī)械層下方的一個(gè)晶圓。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器，其中所述第一檢測(cè)質(zhì)量塊部分包括關(guān)于第二軸線對(duì)稱地布置的一對(duì)質(zhì)量塊，且當(dāng)所述傳感器以一個(gè)角速度沿著垂直于所述第二軸線的第一軸線被擾動(dòng)時(shí)，所述一對(duì)質(zhì)量塊適于在相反方向上運(yùn)動(dòng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的傳感器，還包括一對(duì)陀螺儀電極，其被布置在所述微機(jī)械層下方；其中，沿所述第一軸線的角速度是通過測(cè)量所述一對(duì)質(zhì)量塊和所述一對(duì)陀螺儀電極之間的電容的變化來檢測(cè)的。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的傳感器，其中傳感器沿著與所述平面正交的軸線的線性加速度是通過測(cè)量所述一對(duì)質(zhì)量塊和所述一對(duì)陀螺儀電極之間的電容的變化而檢測(cè)的。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的傳感器，其中當(dāng)所述傳感器以一個(gè)角速度沿著與所述平面正交的所述軸線而被擾動(dòng)時(shí)，所述一對(duì)質(zhì)量塊適于在相反方向上運(yùn)動(dòng)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的傳感器，還包括一對(duì)加速度計(jì)電極，其分別連接至所述一對(duì)質(zhì)量塊，且關(guān)于所述第二軸線對(duì)稱地布置；其中沿著與所述平面正交的所述軸線的角速度是通過測(cè)量所述一對(duì)加速度計(jì)電極中的電容變化來檢測(cè)的。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的傳感器，其中每個(gè)所述加速度計(jì)都被連接至一個(gè)錨，該錨被固定至布置在所述微機(jī)械層下方的一個(gè)晶圓。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的傳感器，其中所述傳感器的沿著所述第一軸線的線性加速度是通過測(cè)量所述一對(duì)加速度計(jì)電極中的電容變化而檢測(cè)的。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，還包括一個(gè)錨，其被固定至布置在所述微機(jī)械層下方的一個(gè)晶圓，所述錨基本被定位在所述傳感器的中心。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的傳感器，還包括一個(gè)內(nèi)框架，其通過多個(gè)懸掛梁連接至所述錨；以及多個(gè)撓曲部，其連接至所述內(nèi)框架和所述第二檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分，并且適于為所述第二檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分提供恢復(fù)力。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的傳感器，還包括一對(duì)陀螺儀撓曲部，其連接至所述第二平面檢驗(yàn)質(zhì)量塊，且連接至所述框架，并適于為所述第二平面檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分提供恢復(fù)力矩。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述第一撓曲部包括兩對(duì)陀螺儀撓曲部，每個(gè)所述陀螺儀撓曲部都具有兩個(gè)細(xì)長(zhǎng)梁。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，還包括一對(duì)撓曲部，其連接至所述框架和所述第二平面檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分，每個(gè)所述撓曲部都包括一個(gè)用于沿著第二軸線提供恢復(fù)力矩的陀螺儀彈簧和用于沿著所述第二軸線提供恢復(fù)力矩的兩個(gè)加速度計(jì)彈簧。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的傳感器，其中每個(gè)所述撓曲部都包括一個(gè)連桿，所述連桿的每一端都連接至所述兩個(gè)加速度計(jì)彈簧中的對(duì)應(yīng)的一個(gè)加速度計(jì)彈簧，所述陀螺儀彈簧被連接至所述連桿的中點(diǎn)。
22.一種用于測(cè)量自身運(yùn)動(dòng)的器件，包括第一晶圓；器件層，該器件層包括框架；第一平面檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分，其通過第一撓曲部附接至所述框架；以及第二平面檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分，其通過第二撓曲部附接至所述框架；其中所述框架、所述第一平面檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分和所述第二平面檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分形成于一個(gè)微機(jī)械層中，且適于測(cè)量關(guān)于三個(gè)軸線的角速度和關(guān)于所述三個(gè)軸線的線性加速度；以及第二晶圓，所述第一晶圓和第二晶圓被鍵合至所述器件層，從而封裝所述器件層。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的器件層，其中所述第一晶圓是帽蓋晶圓。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的器件層，其中所述第二晶圓是通孔晶圓或ASIC晶圓。
25.根據(jù)權(quán)利要求22所述的器件，其中所述第二晶圓包括一個(gè)或多個(gè)電極，該一個(gè)或多個(gè)電極用于測(cè)量所述第一平面檢驗(yàn)質(zhì)量塊和所述第二平面檢驗(yàn)質(zhì)量塊中的至少一個(gè)的角速度。
全文摘要
微機(jī)械慣性傳感器(200)，具有測(cè)量六個(gè)自由度的單個(gè)檢驗(yàn)質(zhì)量塊(201)。所述單個(gè)檢驗(yàn)質(zhì)量塊(201)包括框架(202)；x軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分(212a，212b)，其通過第一撓曲部附接至所述框架；以及y軸線檢驗(yàn)質(zhì)量塊部分(218)，其通過第二撓曲部(228a，228b)附接至所述框架(202)。所述單個(gè)檢驗(yàn)質(zhì)量塊(201)在一個(gè)微機(jī)械結(jié)構(gòu)層中形成，且適于測(cè)量單一驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)下的關(guān)于三個(gè)軸線的角速度和關(guān)于所述三個(gè)軸線的線性加速度。
文檔編號(hào)G01C19/5719GK102597699SQ201080042319
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2010年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月4日
發(fā)明者C·阿卡 申請(qǐng)人:飛兆半導(dǎo)體公司