Invensense公司进入MEMS事业较晚,但是它在图像稳定、三维遥控和游戏器件的设计上取得了成功。它的IDG-600多轴MEMS陀螺仪已经为任天堂量产,大大提升了Wii的运动姿态传感,使之成为游戏机的宠儿。




IDG-600是双轴(X和Y)MEMS陀螺仪,它用于测量绕X轴和Y轴(器件平面内的两个方向)转动的角速度。制造它的技术是纳西尔加工方法——晶圆片级的封装技术。Invensense公司本身没有芯片加工厂,它设计芯片、研发工艺,然后寻找代工。

IDG-600陀螺仪由三块晶圆片形成——490微米厚的顶盖晶圆片、35微米厚的MEMS晶圆片、以及470微米厚的集成电路应用底部晶圆片。图一从不同角度看IDG-600陀螺仪:(a)从上向下看IDG-600,中间部分是由顶盖晶圆片封住的MEMS芯片。裸露部分是ASIC芯片;(b)专用集成电路芯片ASIC。中间部分是为粘接MEMS芯片预留的空腔;(c)顶盖晶圆片,预留有空腔;(d)IDG-600的剖面显示MEMS芯片夹在中间的三明治结构。



图一、不同角度下的IDG-600陀螺仪


整个MEMS芯片的大小为3.44平方毫米、被1.76×3.44毫米的盖子封住。MEMS芯片有两个大小均为1.47平方毫米的MEMS单元构成,它们结构一样(其中一个面内转动90度后可与另一个重合),分别用于测量绕x轴和y轴的旋转角速度。ASIC使用0.5微米、BiCMOS-DMOS加工技术,还包含电可擦除只读存储器(EEPROM),用于存储校正敏感度的数据。

图二(a)是y轴MEMS传感器的设计和布局。X轴的跟它相似,只是90度旋转。(b)是相对应的ASIC区域,只有连接用的小方块和分列电极、以及两块分列的MEMS芯片中跟ASIC粘合在一起的部分。

MEMS传感器有一对运动板(proof mass),它们位于ASIC芯片的空腔之上,由扭杆(hinge)连接,跟分列电极板有0.25微米的间隙。当交流电压施加到运动板和底下电极板之间时,静电吸引力就会驱动运动板。当交流电压频率靠近共振频率时,两块运动板就像跷跷板一样在垂直于平面方向(z方向)一上一下共振。

运动板、扭杆、分列电极板等整个驱动圆盘结构由扭转铰链(torsional hinge)连接到一个圆形框架(frame),这个框架由弹簧(spring)固定在衬底上。(c)在圆形框架外面的是一些电容阵列(capacitance fingers)。(d)这些电容阵列像左右手的手指叉在一起,一手跟框架相连,一手通过外围的连接小方块跟ASIC相连。

当传感器绕y轴转动时,y方向转动跟z方向的振动一起产生x方向的科里奥利力。两个方向相反的交替z向振动产生两个方向相反的交替x向科里奥利力。这两个科里奥利力将使圆盘来回转动,手指电容阵列随之作周期变化。这个电容的变化正比于y方向的转动角速度,它输给ASIC电路,最后经过处理后输出角速度。( 曹志良


图二、ID-600陀螺仪中y轴传感器的细节