一種芯片級系統(tǒng)傳感器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種新型的芯片級系統(tǒng)傳感器(S0S,System On Sensor)及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]傳感器(Sensor)是一種能感受到被測量的信息，并按一定規(guī)律變換為電信號或其他所需形式輸出的器件或裝置。在種類繁多的傳感器中，基于微電子和微機械加工技術(shù)制造出來的MEMS傳感器成為世界矚目的重大科技領(lǐng)域之一。與傳統(tǒng)傳感器相比，它具有體積小、成本低、功耗低、易于集成和實現(xiàn)智能化的特點。同時微米量級的特征尺寸使得它可以完成某些傳統(tǒng)機械傳感器所不能實現(xiàn)的功能。
[0003]隨著微器件應(yīng)用范圍不斷擴大，對微器件的微型化和集成化、低功耗和低成本、高精度和長壽命、多功能和智能化提出了更高的要求。微結(jié)構(gòu)和集成電路的一體化集成可以很好的滿足上述要求。
[0004]目前，集成MEMS產(chǎn)品多數(shù)采用混合集成，在混合集成方案中，MEMS芯片和專用集成電路ASIC芯片分別制造和劃片，并在封裝時集成到共同的管殼中，通過引線鍵合或倒裝焊實現(xiàn)電學(xué)連接，再連接至接口電路中，如圖1所示。雙芯片、單管殼的集成方案將MEMS工藝和CMOS工藝徹底隔離，不會在MEMS制造過程中對CMOS工藝線造成污染，但焊盤和引線多引入的寄生電容和串擾使得信號傳輸質(zhì)量下降，尤其不適用于高頻應(yīng)用情況。
[0005]隨著科技發(fā)展，也有少數(shù)研究所和廠商能夠?qū)崿F(xiàn)電路和微結(jié)構(gòu)的單片集成工藝:CMOS + MEMS技術(shù)，也就是將MEMS結(jié)構(gòu)和CMOS電路制作在同一管芯上，將MEMS結(jié)構(gòu)和CMOS電路在同一襯底上先后制作，即縱向集成或者是將MEMS結(jié)構(gòu)和CMOS電路在同一襯底的不同位置同時或先后制作，即橫向集成。單片集成可以減少接口影響，降低成本，實現(xiàn)片上MEMS系統(tǒng)。但在目前MEMS傳感器的生產(chǎn)工藝中，僅將傳感材料層、MEMS傳感單元、AFE前端電路進行單片集成，因此還需要將上述縱向集成芯片連接至外圍的數(shù)?；旌想娐?、接口電路等模塊才能夠?qū)崿F(xiàn)MEMS傳感器的各項功能，如圖2所示。外圍電路的存在不僅會導(dǎo)致傳感器終端產(chǎn)品性能不穩(wěn)定，更對傳感器成本降低和尺寸的減小造成限制，嚴重制約了 MEMS傳感器朝進一步的智能化、小體積、高指標、高性能、低成本方向發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種新型芯片級系統(tǒng)傳感器(S0S,System On Sensor)。
[0007]為達到以上效果，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種新型芯片級系統(tǒng)傳感器，包括傳感元，用于采集信號；
MEMS傳感平臺，用于控制傳感元采集信號并將采集到的信號轉(zhuǎn)換為電信號；
ASIC集成電路，用于控制MEMS傳感平臺采集信號并且將采集到的信號進行數(shù)據(jù)運算、分析、控制、輸出； 所述ASIC集成電路、MEMS傳感平臺以及傳感元采用單片集成工藝在娃晶圓片上一體化制作而成，相互之間通過IC立體電路互聯(lián)結(jié)構(gòu)組態(tài)起來。
[0008]優(yōu)選地，所述ASIC集成電路包括具有控制、計算、分析功能的中央處理器CPU或微處理器MCU ;配合CPU或MCU進行數(shù)字信號處理的數(shù)字信號處理電路DSP ;接收CPU或MCU信號控制并向MEMS傳感平臺傳輸控制信號的數(shù)模混合電路A/D。
[0009]優(yōu)選地，所述MEMS傳感平臺包括MEMS傳感器和MEMS執(zhí)行機構(gòu)，所述MEMS傳感器與傳感元互聯(lián)，MEMS執(zhí)行機構(gòu)為接收ASIC集成電路或數(shù)?；旌想娐稟/D指令并向MEMS傳感器發(fā)送動作指令的前端處理電路AFE。
[0010]優(yōu)選地，所述傳感元具有一個或多個傳感陣列。
[0011]為了解決上述問題，本發(fā)明的另一目的在于提供一種芯片級系統(tǒng)傳感器SOS的制備方法，包括如下步驟:
①準備潔凈的硅晶圓片；
②采用集成電路工藝在硅晶圓片上生長出具有控制MEMS傳感平臺采集信號并且將采集到的信號進行數(shù)據(jù)運算、分析、控制、輸出的功能的ASIC集成電路；
③采用MEMS工藝在ASIC集成電路區(qū)域上制作出用于控制傳感元采集信號并將采集到的信號轉(zhuǎn)換為電信號的MEMS傳感平臺；
④在MEMS傳感平臺上制作用于采集信號的傳感元材料層。
[0012]優(yōu)選地，在步驟②中制作的ASIC集成電路包括具有控制、計算、分析功能的中央處理器CPU或微處理器MCU ;配合CPU或MCU進行數(shù)字信號處理的數(shù)字信號處理電路DSP ;接收CPU或MCU信號控制并向MEMS傳感平臺傳輸控制信號的數(shù)?；旌想娐稟/D。
[0013]優(yōu)選地，在步驟③中制作的MEMS傳感平臺包括MEMS傳感器和MEMS執(zhí)行機構(gòu)，所述MEMS傳感器與傳感元互聯(lián)，MEMS執(zhí)行機構(gòu)為接收數(shù)模混合電路A/D指令并向MEMS傳感器發(fā)送動作指令的前端處理電路AFE。
[0014]優(yōu)選地，所述傳感元具有一個或多個傳感陣列。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明存在以下技術(shù)效果:
1)本發(fā)明是摒棄傳統(tǒng)封裝工藝的電學(xué)連接，在硅晶圓片上采用單片集成、立體電路加工工藝一體化制作而成的芯片級系統(tǒng)傳感器，能夠?qū)⒖刂?、通訊、傳感、分析功能集成在一個系統(tǒng)傳感器的芯片內(nèi)部，實現(xiàn)自我閉環(huán)。在這個結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上只需向系統(tǒng)傳感器中輸入基礎(chǔ)指令，例如When、What，CPU或MCU等智能控制電路即可完成一系列控制運算分析并將結(jié)果輸出。解決了由于外圍電路的存在導(dǎo)致的信號不穩(wěn)定、可靠性和精度不高的問題，全面提高傳感器產(chǎn)品性能，能夠感測超低信號；
2)在硅晶圓片上采用單片集成、立體電路加工工藝一體化制作而成的芯片級新型系統(tǒng)級傳感器，其體積較傳統(tǒng)產(chǎn)品有大幅度下降，不僅制造成本顯著降低，并且功耗也隨之降低，尤其適用于安裝至高精度、低功耗、小體積的終端產(chǎn)品上。
【附圖說明】
[0016]圖1是現(xiàn)有技術(shù)I結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是現(xiàn)有技術(shù)2結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明單片集成方案示意圖； 圖4是本發(fā)明立體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5是本發(fā)明邏輯功能示意圖；
圖6是本發(fā)明制作方法流程圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結(jié)合圖3至圖6，對本發(fā)明做進一步詳細敘述:
參見圖3和圖4，一種新型的系統(tǒng)級傳感器200，包括傳感元201，用于采集信號，所述傳感元具有一個或多個傳感陣列，適用于圖像傳感技術(shù)領(lǐng)域;MEMS傳感平臺202，用于控制傳感元采集信號并將采集到的信號轉(zhuǎn)換為電信號；ASIC集成電路203，用于控制MEMS傳感平臺采集信號并且將采集到的信號進行數(shù)據(jù)運算、分析、控制、輸出；所述ASIC集成電路203、MEMS傳感平臺202以及傳感元201采用單片集成工藝在硅晶圓片204上一體化制作而成，相互之間通過IC立體電路互聯(lián)結(jié)構(gòu)組態(tài)起來。
[0018]進一步地，所述ASIC集成電路203包括具有控制、計算、分析功能的中央處理器(PU或微處理器MCU ;配合CPU或MCU進行數(shù)字信號處理的數(shù)字信號處理電路DSP ;接收CPU或MCU信號控制并向MEMS傳感平臺傳輸控制信號的數(shù)?；旌想娐稟/D。