[發明專利]一種單芯片集成多環境兼容性傳感器

在審

• 申請號: 201710961435.6
• 申請日: 2017-10-16
• 公開（公告）號: CN107748299A
• 公開（公告）日: 2018-03-02
• 發明（設計）人: 馬清;詹望
• 申請（專利權）人: 河南匯納科技有限公司
• 主分類號: G01R29/12
• 分類號: G01R29/12;G01P15/125;G01L1/18;G01L9/06;G01K7/18;G01N27/22
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技術領域

本發明屬于無線傳感器技術領域，具體涉及一種單芯片集成多環境兼容性傳感器。

背景技術

多傳感器三維異質集成方法與系統以其獨特的優勢，成為MEMS及傳感器集成系統重要的解決方法，也是未來實現復雜集成系統的重要策略，在民用領域和軍事領域正在取代單一傳感器系統，成為未來的發展方向。

盡管多傳感器三維集成微系統為傳感器的發展描繪了未來的方向，多傳感器異質集成系統實現了復雜功能，并且一些商用產品已經出現，但是總體上多傳感器集成仍處于發展過程中，實現多MEMS 傳感器與CMOS 電路的三維集成仍面臨巨大的技術挑戰：

（1）復雜系統中多傳感器自身的工藝兼容性問題：多數傳感器的結構、敏感機理和制造方法各不相同，如何通過一次工藝制造多傳感器，是實現系統集成所面臨的首要問題，亦或采用插入層的方式實現多傳感器的集成，但如何提高集成度、減小體積并降低相互干擾仍舊是非常困難的；

（2）MEMS 傳感器三維集成工藝兼容性問題，絕大多數MEMS 傳感器具有脆弱的懸空微結構，在三維集成過程中很容易被破壞，導致常規三維集成方法對多數MEMS 傳感器并不適用；

（3）多傳感器三維集成是一個復雜系統，在系統可靠性、器件特性、熱力學等基礎理論方面有大量問題尚待解決；

（4）微米納米集成傳感器在跨尺度的能量轉換過程和機理、被測物理化學量的交叉干擾，以及傳感器的應力控制和納米傳感器噪聲控制等方面仍舊有很多問題尚未解決。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術的不足而提供一種集成度高、體積小、兼容性強、可靠性高的單芯片集成多環境兼容性傳感器。

本發明的技術方案如下：一種單芯片集成多環境兼容性傳感器，包括封裝襯底（1）、硅轉接板（2）、處理器（3）以及堆疊內存（4），所述硅轉接板（2）設置在所述封裝襯底（1）的上側面，硅轉接板（2）的端部嵌接有嵌入式硅基器件（5）和嵌入式無源器件（6）；所述處理器（3）搭載在硅轉接板（2）的上側面，所述堆疊內存（4）設置在處理器（3）的上側面，所述堆疊內存（4）的左側的處理器（3）上設置有CMOS信號處理電路（7），所述CMOS信號處理電路（7）與堆疊內存（4）互連；硅轉接板（2）上通過TSV設置有電場傳感器（8）、加速度傳感器（9）、壓力傳感器（10）、溫度傳感器（11）、濕度傳感器（12）以及RF芯片（13）。

優選的，所述電場傳感器（8）為基于SOI的水平感應式魚骨結構。

優選的，所述加速度傳感器（9）采用SOI襯底較厚的器件層作為質量塊和叉指電容。

優選的，所述壓力傳感器（10）為壓阻式，所述壓力傳感器（10）由承載膜片和設置在承載膜片上的壓敏電阻（14）構成，所述承載膜片包括保護層二氧化硅（15）和埋層二氧化硅（16），所述壓敏電阻（14）設置在所述保護層二氧化硅（15）的下側面。

優選的，所述溫度傳感器（11）采用濺射的Pt電阻，所述Pt電阻的阻值隨溫度變化的特性為Rt= R0 (1+αt + βt +γt + ???)，其結構為折線型結構。

優選的，所述濕度傳感器（12）為在兩層Pt電極之間加入一層聚酰亞胺構成的三明治結構電容。

優選的，所述三明治結構電容濕度傳感器（12）的實現方法為，兩層Pt電極采用正膠剝離技術進行圖形化，將上層Pt電極正膠剝離后，利用RIE干法刻蝕將Pt電極的形狀復制到聚酰亞胺層，形成兩層Pt電極夾雜聚酰亞胺層構成的折線狀電容。

優選的，所述CMOS信號處理電路（7）與處理器（3）之間通過金屬共晶鍵合和高分子鍵合進行永久鍵合。

優選的，所述金屬共晶鍵合為Cu-Sn金屬共晶鍵合，其反應溫度為227℃，所述高分子鍵合采用BCB實現，鍵合溫度為230-250℃。

優選的，所述電場傳感器（8）、加速度傳感器（9）和壓力傳感器（10）的周圍使用Cu-Sn金屬共晶鍵合在硅轉接板（2）上。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：將多傳感器集成在一個硅轉接板上，構成多環境檢測的集成式芯片傳感器，減小了常規傳感器的體積；通過RF芯片實現集成多環境兼容性傳感器與上位機的信號傳遞；通過金屬共晶鍵合和高分子鍵合技術對各器件之間進行永久鍵合，從而提高系統的可靠性并減小應力，同時采用TS技術解決熱力學問題。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖。

圖2為本發明中的壓力傳感器的結構示意圖。