一种单芯片集成多环境兼容性传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种单芯片集成多环境兼容性传感器，包括封装衬底、硅转接板、处理器以及堆叠内存，硅转接板设置在所述封装衬底的上侧面，硅转接板的端部嵌接有嵌入式硅基器件和嵌入式无源器件；处理器搭载在硅转接板的上侧面，堆叠内存设置在处理器的上侧面，堆叠内存的左侧的处理器上设置有CMOS信号处理电路，CMOS信号处理电路与堆叠内存互连；硅转接板上通过TSV设置有电场传感器、加速度传感器、压力传感器、温度传感器、湿度传感器以及RF芯片，本发明专利技术具有集成度高、体积小、兼容性强、可靠性高的优点。

A single chip integrated multi environment compatibility sensor

The invention relates to a single chip integrated environmental compatibility sensor, comprising a package substrate, silicon switching board, a processor and a memory stack, silicon switching board is arranged on the upper side of the package substrate, the silicon adapter plate end embedded with embedded silicon devices and embedded passive devices; processor equipped with upper side of the silicon switching board the stack is arranged on the upper side of the memory, processor, memory stack on the left side of the processor is provided with a CMOS signal processing circuit, signal processing circuit and CMOS stacked memory interconnect; silicon switch board through TSV provided with electric field sensor, acceleration sensor, pressure sensor, temperature sensor, humidity sensor and RF chip, the invention has the advantages of high integration, small volume, strong compatibility, high reliability.

【技术实现步骤摘要】
一种单芯片集成多环境兼容性传感器
本专利技术属于无线传感器
，具体涉及一种单芯片集成多环境兼容性传感器。
技术介绍
多传感器三维异质集成方法与系统以其独特的优势，成为MEMS及传感器集成系统重要的解决方法，也是未来实现复杂集成系统的重要策略，在民用领域和军事领域正在取代单一传感器系统，成为未来的发展方向。尽管多传感器三维集成微系统为传感器的发展描绘了未来的方向，多传感器异质集成系统实现了复杂功能，并且一些商用产品已经出现，但是总体上多传感器集成仍处于发展过程中，实现多MEMS传感器与CMOS电路的三维集成仍面临巨大的技术挑战：（1）复杂系统中多传感器自身的工艺兼容性问题：多数传感器的结构、敏感机理和制造方法各不相同，如何通过一次工艺制造多传感器，是实现系统集成所面临的首要问题，亦或采用插入层的方式实现多传感器的集成，但如何提高集成度、减小体积并降低相互干扰仍旧是非常困难的；（2）MEMS传感器三维集成工艺兼容性问题，绝大多数MEMS传感器具有脆弱的悬空微结构，在三维集成过程中很容易被破坏，导致常规三维集成方法对多数MEMS传感器并不适用；（3）多传感器三维集成是一个复杂系统，在系统可靠性、器件特性、热力学等基础理论方面有大量问题尚待解决；（4）微米纳米集成传感器在跨尺度的能量转换过程和机理、被测物理化学量的交叉干扰，以及传感器的应力控制和纳米传感器噪声控制等方面仍旧有很多问题尚未解决。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的不足而提供一种集成度高、体积小、兼容性强、可靠性高的单芯片集成多环境兼容性传感器。本专利技术的技术方案如下：一种单芯片集成多环境兼容性传感器，包括封装衬底（1）、硅转接板（2）、处理器（3）以及堆叠内存（4），所述硅转接板（2）设置在所述封装衬底（1）的上侧面，硅转接板（2）的端部嵌接有嵌入式硅基器件（5）和嵌入式无源器件（6）；所述处理器（3）搭载在硅转接板（2）的上侧面，所述堆叠内存（4）设置在处理器（3）的上侧面，所述堆叠内存（4）的左侧的处理器（3）上设置有CMOS信号处理电路（7），所述CMOS信号处理电路（7）与堆叠内存（4）互连；硅转接板（2）上通过TSV设置有电场传感器（8）、加速度传感器（9）、压力传感器（10）、温度传感器（11）、湿度传感器（12）以及RF芯片（13）。优选的，所述电场传感器（8）为基于SOI的水平感应式鱼骨结构。优选的，所述加速度传感器（9）采用SOI衬底较厚的器件层作为质量块和叉指电容。优选的，所述压力传感器（10）为压阻式，所述压力传感器（10）由承载膜片和设置在承载膜片上的压敏电阻（14）构成，所述承载膜片包括保护层二氧化硅（15）和埋层二氧化硅（16），所述压敏电阻（14）设置在所述保护层二氧化硅（15）的下侧面。优选的，所述温度传感器（11）采用溅射的Pt电阻，所述Pt电阻的阻值随温度变化的特性为Rt=R0(1+αt+βt+γt+⋅⋅⋅)，其结构为折线型结构。优选的，所述湿度传感器（12）为在两层Pt电极之间加入一层聚酰亚胺构成的三明治结构电容。优选的，所述三明治结构电容湿度传感器（12）的实现方法为，两层Pt电极采用正胶剥离技术进行图形化，将上层Pt电极正胶剥离后，利用RIE干法刻蚀将Pt电极的形状复制到聚酰亚胺层，形成两层Pt电极夹杂聚酰亚胺层构成的折线状电容。优选的，所述CMOS信号处理电路（7）与处理器（3）之间通过金属共晶键合和高分子键合进行永久键合。优选的，所述金属共晶键合为Cu-Sn金属共晶键合，其反应温度为227℃，所述高分子键合采用BCB实现，键合温度为230-250℃。优选的，所述电场传感器（8）、加速度传感器（9）和压力传感器（10）的周围使用Cu-Sn金属共晶键合在硅转接板（2）上。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：将多传感器集成在一个硅转接板上，构成多环境检测的集成式芯片传感器，减小了常规传感器的体积；通过RF芯片实现集成多环境兼容性传感器与上位机的信号传递；通过金属共晶键合和高分子键合技术对各器件之间进行永久键合，从而提高系统的可靠性并减小应力，同时采用TS技术解决热力学问题。附图说明图1为本专利技术的结构示意图。图2为本专利技术中的压力传感器的结构示意图。图3为本专利技术的信号流程框图。其中，1、封装衬底，2、硅转接板，3、处理器，4、堆叠内存，5、嵌入式硅基器件，6、嵌入式无源器件，7、CMOS信号处理电路，8、电场传感器，9、加速度传感器，10、压力传感器，11、温度传感器，12、湿度传感器，13、RF芯片，14、压敏电阻，15、保护层二氧化硅，16、埋层二氧化硅。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。如图1至图3所示，一种单芯片集成多环境兼容性传感器，包括封装衬底1、硅转接板2、处理器3以及堆叠内存4，所述硅转接板2设置在所述封装衬底1的上侧面，硅转接板2的端部嵌接有嵌入式硅基器件5和嵌入式无源器件6；所述处理器3搭载在硅转接板2的上侧面，所述堆叠内存4设置在处理器3的上侧面，所述堆叠内存4的左侧的处理器3上设置有CMOS信号处理电路7，所述CMOS信号处理电路7与堆叠内存4互连；硅转接板2上通过TSV设置有电场传感器8、加速度传感器9、压力传感器10、温度传感器11、湿度传感器12以及RF芯片13。在本实施例中，所述电场传感器8为基于SOI的水平感应式鱼骨结构，从而实现对屏蔽电极的驱动，利用感应电极感应电荷以产生交变电流，从而实现测量的高分辨率和高灵敏度，并且采用鱼骨结构的热激励驱动结构，对硅梁施加一定频率的电压使其周期性地发热和冷却，进而产生热应力，通过杠杆的放大带动屏蔽电极沿水平方向往复振动；所述加速度传感器9采用SOI衬底较厚的器件层作为质量块和叉指电容，利用深度刻蚀一次制造，并且避免交叉轴干扰；所述压力传感器10为压阻式，所述压力传感器10由承载膜片和设置在承载膜片上的压敏电阻14构成，所述承载膜片包括保护层二氧化硅15和埋层二氧化硅16，所述压敏电阻14设置在所述保护层二氧化硅15的下侧面，压力传感器10采用单晶硅压阻制成基于SOI的压阻式传感器，减小器件内部的残余应力，提高器件的可靠性；所述温度传感器11采用溅射的Pt电阻，所述Pt电阻的阻值随温度变化的特性为Rt=R0(1+αt+βt+γt+⋅⋅⋅)，其结构为折线型结构，以便在小面积内获得大阻值，增加测温单元的灵敏度；所述湿度传感器12为在两层Pt电极之间加入一层聚酰亚胺构成的三明治结构电容；所述三明治结构电容湿度传感器12的实现方法为，两层Pt电极采用正胶剥离技术进行图形化，将上层Pt电极正胶剥离后，利用RIE干法刻蚀将Pt电极的形状复制到聚酰亚胺层，形成两层Pt电极夹杂聚酰亚胺层构成的折线状电容，以便在较小的面积内实现较大的电容，并有更多的聚酰亚胺暴露出来提高传湿度传感器12的响应速度；所述CMOS信号处理电路7与处理器3之间通过金属共晶键合和高分子键合进行永久键合；所述金属共晶键合为Cu-Sn金本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单芯片集成多环境兼容性传感器，包括封装衬底（1）、硅转接板（2）、处理器（3）以及堆叠内存（4），其特征在于：所述硅转接板（2）设置在所述封装衬底（1）的上侧面，硅转接板（2）的端部嵌接有嵌入式硅基器件（5）和嵌入式无源器件（6）；所述处理器（3）搭载在硅转接板（2）的上侧面，所述堆叠内存（4）设置在处理器（3）的上侧面，所述堆叠内存（4）的左侧的处理器（3）上设置有CMOS信号处理电路（7），所述CMOS信号处理电路（7）与堆叠内存（4）互连；硅转接板（2）上通过TSV设置有电场传感器（8）、加速度传感器（9）、压力传感器（10）、温度传感器（11）、湿度传感器（12）以及RF芯片（13）。

【技术特征摘要】
1.一种单芯片集成多环境兼容性传感器，包括封装衬底（1）、硅转接板（2）、处理器（3）以及堆叠内存（4），其特征在于：所述硅转接板（2）设置在所述封装衬底（1）的上侧面，硅转接板（2）的端部嵌接有嵌入式硅基器件（5）和嵌入式无源器件（6）；所述处理器（3）搭载在硅转接板（2）的上侧面，所述堆叠内存（4）设置在处理器（3）的上侧面，所述堆叠内存（4）的左侧的处理器（3）上设置有CMOS信号处理电路（7），所述CMOS信号处理电路（7）与堆叠内存（4）互连；硅转接板（2）上通过TSV设置有电场传感器（8）、加速度传感器（9）、压力传感器（10）、温度传感器（11）、湿度传感器（12）以及RF芯片（13）。2.如权利要求1所述的一种单芯片集成多环境兼容性传感器，其特征在于：所述电场传感器（8）为基于SOI的水平感应式鱼骨结构。3.如权利要求1所述的一种单芯片集成多环境兼容性传感器，其特征在于：所述加速度传感器（9）采用SOI衬底较厚的器件层作为质量块和叉指电容。4.如权利要求1所述的一种单芯片集成多环境兼容性传感器，其特征在于：所述压力传感器（10）为压阻式，所述压力传感器（10）由承载膜片和设置在承载膜片上的压敏电阻（14）构成，所述承载膜片包括保护层二氧化硅（15）和埋层二氧化硅（16），所述压敏电阻（14）设置在所述保护层二氧化硅（15）的下侧面。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：马清，詹望，
申请(专利权)人：河南汇纳科技有限公司，
类型：发明
国别省市：河南,41