CN105253851B - 一种芯片级系统传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种新型的芯片级系统传感器（SOS,System On Sensor）及其制作方法，包括传感元，用于采集测量所需参数；MEMS传感平台，用于控制传感元采集信号并将采集到的信号转换为电信号；ASIC集成电路，用于控制MEMS传感平台采集信号并且将采集到的信号进行数据运算、分析、控制、输出；所述ASIC集成电路、MEMS传感平台以及传感元是采用单片集成工艺在硅晶圆片上一体化制作而成，相互之间通过立体电路互联结构组态起来，能够将传感、分析、控制、通讯功能集成在体积很小的芯片级传感器内部，实现系统级自我闭环，解决传统外围电路的存在导致的信号不稳定、可靠性和精度不高的问题，全面提高传感器产品性能，尤其适用于安装至高精度、低功耗、超小体积、智能化终端产品上。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种新型的芯片级系统传感器（SOS ,System On Sensor）及其制作方法。
背景技术
传感器（Sensor）是一种能感受到被测量的信息，并按一定规律变换为电信号或其他所需形式输出的器件或装置。在种类繁多的传感器中，基于微电子和微机械加工技术制造出来的MEMS传感器成为世界瞩目的重大科技领域之一。与传统传感器相比，它具有体积小、成本低、功耗低、易于集成和实现智能化的特点。同时微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。
随着微器件应用范围不断扩大，对微器件的微型化和集成化、低功耗和低成本、高精度和长寿命、多功能和智能化提出了更高的要求。微结构和集成电路的一体化集成可以很好的满足上述要求。
目前，集成MEMS产品多数采用混合集成，在混合集成方案中，MEMS芯片和专用集成电路ASIC芯片分别制造和划片，并在封装时集成到共同的管壳中，通过引线键合或倒装焊实现电学连接，再连接至接口电路中，如图1所示。双芯片、单管壳的集成方案将MEMS工艺和CMOS工艺彻底隔离，不会在MEMS制造过程中对CMOS工艺线造成污染，但焊盘和引线多引入的寄生电容和串扰使得信号传输质量下降，尤其不适用于高频应用情况。
随着科技发展，也有少数研究所和厂商能够实现电路和微结构的单片集成工艺：CMOS + MEMS技术，也就是将MEMS结构和CMOS电路制作在同一管芯上，将MEMS结构和CMOS电路在同一衬底上先后制作，即纵向集成或者是将MEMS结构和CMOS电路在同一衬底的不同位置同时或先后制作，即横向集成。单片集成可以减少接口影响，降低成本，实现片上MEMS系统。但在目前MEMS传感器的生产工艺中，仅将传感材料层、MEMS传感单元、AFE前端电路进行单片集成，因此还需要将上述纵向集成芯片连接至外围的数模混合电路、接口电路等模块才能够实现MEMS传感器的各项功能，如图2所示。外围电路的存在不仅会导致传感器终端产品性能不稳定，更对传感器成本降低和尺寸的减小造成限制，严重制约了MEMS传感器朝进一步的智能化、小体积、高指标、高性能、低成本方向发展。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种新型芯片级系统传感器（SOS ,System On Sensor）。
为达到以上效果，本发明采用的技术方案为：一种新型芯片级系统传感器，包括
传感元，用于采集信号；
MEMS传感平台，用于控制传感元采集信号并将采集到的信号转换为电信号；
ASIC集成电路，用于控制MEMS传感平台采集信号并且将采集到的信号进行数据运算、分析、控制、输出；
所述ASIC集成电路、MEMS传感平台以及传感元采用单片集成工艺在硅晶圆片上一体化制作而成，相互之间通过IC立体电路互联结构组态起来。
优选地，所述ASIC集成电路包括具有控制、计算、分析功能的中央处理器CPU或微处理器MCU；配合CPU或MCU进行数字信号处理的数字信号处理电路DSP；接收CPU或MCU信号控制并向MEMS传感平台传输控制信号的数模混合电路A/D。
优选地，所述MEMS传感平台包括MEMS传感器和MEMS执行机构，所述MEMS传感器与传感元互联，MEMS执行机构为接收ASIC集成电路或数模混合电路A/D指令并向MEMS传感器发送动作指令的前端处理电路AFE。
优选地，所述传感元具有一个或多个传感阵列。
为了解决上述问题，本发明的另一目的在于提供一种芯片级系统传感器SOS的制备方法，包括如下步骤：
①准备洁净的硅晶圆片；
②采用集成电路工艺在硅晶圆片上生长出具有控制MEMS传感平台采集信号并且将采集到的信号进行数据运算、分析、控制、输出的功能的ASIC集成电路；
③采用MEMS工艺在ASIC集成电路区域上制作出用于控制传感元采集信号并将采集到的信号转换为电信号的MEMS传感平台；
④在MEMS传感平台上制作用于采集信号的传感元材料层。
优选地，在步骤②中制作的ASIC集成电路包括具有控制、计算、分析功能的中央处理器CPU或微处理器MCU；配合CPU或MCU进行数字信号处理的数字信号处理电路DSP；接收CPU或MCU信号控制并向MEMS传感平台传输控制信号的数模混合电路A/D。
优选地，在步骤③中制作的MEMS传感平台包括MEMS传感器和MEMS执行机构，所述MEMS传感器与传感元互联，MEMS执行机构为接收数模混合电路A/D指令并向MEMS传感器发送动作指令的前端处理电路AFE。
优选地，所述传感元具有一个或多个传感阵列。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：
1）本发明是摒弃传统封装工艺的电学连接,在硅晶圆片上采用单片集成、立体电路加工工艺一体化制作而成的芯片级系统传感器，能够将控制、通讯、传感、分析功能集成在一个系统传感器的芯片内部，实现自我闭环。在这个结构基础上只需向系统传感器中输入基础指令，例如When、What，CPU或MCU 等智能控制电路即可完成一系列控制运算分析并将结果输出。解决了由于外围电路的存在导致的信号不稳定、可靠性和精度不高的问题，全面提高传感器产品性能，能够感测超低信号；
2）在硅晶圆片上采用单片集成、立体电路加工工艺一体化制作而成的芯片级新型系统级传感器，其体积较传统产品有大幅度下降，不仅制造成本显著降低，并且功耗也随之降低，尤其适用于安装至高精度、低功耗、小体积的终端产品上。
附图说明
图1是现有技术1结构示意图；
图2是现有技术2结构示意图；
图3是本发明单片集成方案示意图；
图4是本发明立体结构示意图；
图5是本发明逻辑功能示意图；
图6是本发明制作方法流程图。
具体实施方式
下面结合图3至图6，对本发明做进一步详细叙述：
参见图3和图4，一种新型的系统级传感器200，包括传感元201，用于采集信号，所述传感元具有一个或多个传感阵列,适用于图像传感技术领域；MEMS传感平台202，用于控制传感元采集信号并将采集到的信号转换为电信号；ASIC集成电路203，用于控制MEMS传感平台采集信号并且将采集到的信号进行数据运算、分析、控制、输出；所述ASIC集成电路203、MEMS传感平台202以及传感元201采用单片集成工艺在硅晶圆片204上一体化制作而成，相互之间通过IC立体电路互联结构组态起来。
进一步地，所述ASIC集成电路203包括具有控制、计算、分析功能的中央处理器CPU或微处理器MCU；配合CPU或MCU进行数字信号处理的数字信号处理电路DSP；接收CPU或MCU信号控制并向MEMS传感平台传输控制信号的数模混合电路A/D。其中，微码化的CPU或MCU决定了系统级传感器的智能化控制，在这个结构基础上只需向传感器内部输入基础指令，例如When、What，CPU或MCU 即可完成一系列控制运算分析并将结果输出。因此，将CPU或MCU集成在传感器内部是实现所述系统级传感器智能化的关键。另外，本发明的ASIC集成电路还可以根据需求增设或减少相应功能模块，并不局限于此。
进一步的，所述MEMS传感平台包括MEMS传感器和MEMS执行机构，所述MEMS传感器与传感元互联，MEMS执行机构为接收ASIC集成电路或数模混合电路A/D指令并向MEMS传感器发送动作指令的前端处理电路AFE。
参见图5，为本发明优选实施例的逻辑示意图，系统级传感器SOS完整的一次工作过程是：通过I/O口向CPU输入信号，CPU开始工作并可以指令数字信号处理电路DSP对输入信号进行处理后向数模混合电路A/D传输数字信号，数模混合电路A/D将接受到的数字信号转换成模拟信号传输至前端处理电路AFE，也就是MEMS执行机构，由前端处理电路AFE向MEMS传感器发送动作指令，MEMS传感器接收指令后控制传感元采集被测信号并发回至MEMS传感器，MEMS传感器将采集到的信号转换成电信号后发回至前端处理电路AFE，AFE接收后对该信号进行初步处理即传送至数模混合电路，数模混合电路将采集到的模拟信号转换至数字信号后发送至智能控制电路CPU，CPU可以指令数字信号处理电路DSP对该数字信号进行数据处理后发回CPU，CPU将经过运算处理分析后的信号通过I/O口输出。
参见图6，所述新型系统级传感器SOS中的ASIC集成电路、MEMS传感平台以及阵列传感元是采用单片集成工艺在硅晶圆片上一体化制作而成。优选地的制作方法是单片集成工艺中的Post-CMOS工艺：准备清洗后的硅晶圆片；在硅晶圆片上通过CMOS、BCD等集成电路工艺平台将数字电路、模拟电路、智能控制电路、数字运算电路等设计、生产出来，形成ASIC集成电路；在ASIC电路区域上采用MEMS工艺，通过“盖楼房”的方式分别将MEMS传感器和MEMS执行机构（AFE）分区域设计、生产出来；最后在MEMS传感平台上制作传感元材料层，形成一个完整的系统级传感器芯片。这个新型的芯片级传感器架构等于将传统的几十只集成电路、MEMS传感器和执行机构集成起来，相互之间通过先进的立体电路互联结构组态起来，实现非常复杂的智能传感器功能。当然，本发明的系统级传感器SOS的制作还可以采用其他单片集成工艺，例如Pre-COMS或者Intra-CMOS集成工艺来完成，并不限定于此。
本发明创建了一种新型的芯片级系统传感器架构，在硅晶圆片上采用单片集成、立体电路加工工艺一体化制作而成，将控制、通讯、传感、分析功能集成在一个系统传感器的芯片内部，实现自我闭环，解决了封装工艺以及外围电路的存在导致的信号不稳定、可靠性和精度不高的问题，全面提高传感器产品性能，能够感测超低信号。
另外，采用单片集成、立体电路加工工艺制作的芯片级系统传感器，其体积较传统产品有大幅度下降，不仅制造成本显著降低，并且功耗也随之降低，尤其适用于安装至低功耗、小体积的终端产品上。
总之，以上仅为本发明较佳的实施例，并非用于限定本发明的保护范围，在本发明的精神范围之内，对本发明所做的等同变换或修改均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种芯片级系统传感器，其特征在于：
包括传感元，用于采集信号；
MEMS传感平台，用于控制传感元采集信号并将采集到的信号转换为电信号；
ASIC集成电路，用于控制MEMS传感平台采集信号并且将采集到的信号进行数据运算、分析、控制、输出；
所述ASIC集成电路、MEMS传感平台以及传感元采用单片集成工艺在硅晶圆片衬底上自下而上一体化制作而成，相互之间通过立体IC电路互联结构组态起来。
2.如权利要求1所述的一种芯片级系统传感器，其特征在于：所述ASIC集成电路包括具有控制、计算、分析功能的中央处理器CPU或微处理器MCU；配合CPU或MCU进行数字信号处理的数字信号处理电路DSP；接收CPU或MCU信号控制并向MEMS传感平台传输控制信号的数模混合电路A/D。
3.如权利要求2所述的一种芯片级系统传感器，其特征在于：所述MEMS传感平台包括MEMS传感器和MEMS执行机构，所述MEMS传感器与传感元互联，MEMS执行机构为接收数模混合电路A/D指令并向MEMS传感器发送动作指令的前端处理电路AFE。
4.如权利要求1至3任一项所述的一种芯片级系统传感器，其特征在于：所述传感元具有一个或多个传感阵列。
5.一种芯片级系统传感器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
①准备洁净的硅晶圆片；
②采用集成电路工艺在硅晶圆片上生长出具有控制MEMS传感平台采集信号并且将采集到的信号进行数据运算、分析、控制、输出的功能的ASIC集成电路；
③采用MEMS工艺在ASIC集成电路区域上制作出用于控制传感元采集信号并将采集到的信号转换为电信号的MEMS传感平台；
④在MEMS传感平台上制作用于采集信号的传感元材料层。
6.根据权利要求5所述的一种芯片级系统传感器的制备方法，其特征在于：在步骤②中制作的ASIC集成电路包括具有控制、计算、分析功能的中央处理器CPU或微处理器MCU；配合CPU或MCU进行数字信号处理的数字信号处理电路DSP；接收CPU或MCU信号控制并向MEMS传感平台传输控制信号的数模混合电路A/D。
7.根据权利要求6所述的一种芯片级系统传感器的制备方法，其特征在于：在步骤③中制作的MEMS传感平台包括MEMS传感器和MEMS执行机构，所述MEMS传感器与传感元互联，MEMS执行机构为接收数模混合电路A/D指令并向MEMS传感器发送动作指令的前端处理电路AFE。
8.根据权利要求5至7任一项所述的一种芯片级系统传感器的制备方法，其特征在于：所述传感元具有一个或多个传感阵列。
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