CN105043439A - 传感器集成装置及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种传感器集成装置及其生产方法，包括第一衬底以及具有背腔的第二衬底，所述第二衬底具有背腔的一侧连接在第一衬底的上方；其中，所述第一衬底上端设有位于背腔中的第一敏感结构，所述第二衬底的上端设置有第二敏感结构。本发明的传感器集成装置，第一衬底和第一敏感结构构成了第一传感器，第二衬底和第二敏感结构构成了第二传感器，将两个传感器在垂直方向上进行集成，不但减小了整体封装的横向尺寸；而且，第二传感器中的第二衬底作为第一传感器的封装盖体，可以对第一敏感结构起到很好的防护作用；同时也降低了整个封装的高度，减小了整体封装的尺寸，满足了现代电子产品的小型化发展。

Description

传感器集成装置及其生产方法
技术领域
本发明涉及传感器测量领域，更具体地，涉及一种传感器的集成装置；本发明还涉及一种传感器集成装置的生产方法。
背景技术
近年来，随着科学技术的发展，手机、笔记本电脑等电子产品的体积在不断减小，而且人们对这些便携电子产品的性能要求也越来越高，这就要求与之配套的电子零部件的体积也必须随之减小。
传感器作为测量器件，已经普遍应用在手机、笔记本电脑等电子产品上，众多系统厂商希望这些测量器件在保持现有性能的基础上，进一步缩小芯片的尺寸，以适应这类电子产品的小型化发展。目前的问题是，各传感器的封装工艺已经比较成熟，工艺能力已经接近极限，很难再根据系统厂商的要求进一步缩减芯片的尺寸。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种传感器集成装置的新技术方案。
根据本发明的第一方面，提供了一种传感器集成装置，包括第一衬底以及具有背腔的第二衬底，所述第二衬底具有背腔的一侧连接在第一衬底的上方；其中，所述第一衬底上端设有位于背腔中的第一敏感结构，所述第二衬底的上端设置有第二敏感结构。
优选地，所述第一敏感结构为惯性测量传感器的可动质量块结构。
优选地，所述第二敏感结构为压力传感器的压敏电阻膜层。
优选地，所述背腔贯通第二衬底的上下两端，所述第二敏感结构悬置在背腔的上方。
优选地，所述背腔为上端封闭的梯形槽，在所述第二衬底的上端设置有下端封闭的容腔，所述第二敏感结构悬置在容腔的上方。
优选地，所述第一衬底、第二衬底为单晶硅材料，二者通过键合层键合在一起。
本发明还提供了一种上述传感器集成装置的生产方法，包括以下步骤：
a)在第一衬底的上表面设置第一敏感结构层，并将第一敏感结构层构造为第一敏感结构；
b)在第二衬底的上表面设置第二敏感结构层，并将第二敏感结构层构造为第二敏感结构；在第二衬底的下表面刻蚀形成背腔；
c)将第二衬底的下表面固定在第一衬底的上表面，将第一衬底上的第一敏感结构封装在第二衬底的背腔中。
本发明还提供了另一种上述传感器集成装置的生产方法，包括以下步骤：
a)在第二衬底的上表面设置第二敏感结构层，并将第二敏感结构层构造为第二敏感结构；在第二衬底的下表面刻蚀形成背腔；
b)在所述第一衬底的上表面设置第一敏感结构层，并将第一敏感结构层构造为第一敏感结构；
c)将第二衬底的下表面固定在第一衬底的上表面，将第一衬底上的第一敏感结构封装在第二衬底的背腔中。
本发明还提供了另一种上述传感器集成装置的生产方法，包括以下步骤：
a)在所述第一衬底的上表面设置第一敏感结构层，并将第一敏感结构层构造为第一敏感结构；
b)在第二衬底的下表面刻蚀形成上端封闭的背腔，在第二衬底的上表面刻蚀形成下端封闭的容腔，在第二衬底的上表面设置悬置在容腔上方的第二敏感结构层，并将第二敏感结构层构造为第二敏感结构；
c)将第二衬底的下表面固定在第一衬底的上表面，将第一衬底上的第一敏感结构封装在第二衬底的背腔中。
本发明还提供了另一种上述传感器集成装置的生产方法，包括以下步骤：
a)在第二衬底的下表面刻蚀形成上端封闭的背腔，在第二衬底的上表面刻蚀形成下端封闭的容腔，在第二衬底的上表面设置悬置在容腔上方的第二敏感结构层，并将第二敏感结构层构造为第二敏感结构；
b)在所述第一衬底的上表面设置第一敏感结构层，并将第一敏感结构层构造为第一敏感结构；
c)将第二衬底的下表面固定在第一衬底的上表面，将第一衬底上的第一敏感结构封装在第二衬底的背腔中。
本发明的传感器集成装置，第一衬底和第一敏感结构构成了第一传感器，第二衬底和第二敏感结构构成了第二传感器，该第一传感器、第二传感器可以是加速度计、陀螺仪、压力传感器等本领域技术人员所熟知的传感器结构。将两个传感器在垂直方向上进行集成，不但减小了整体封装的横向尺寸；而且，第二传感器中的第二衬底作为第一传感器的封装盖体，可以对第一敏感结构起到很好的防护作用；同时也降低了整个封装的高度，减小了整体封装的尺寸，满足了现代电子产品的小型化发展。
本发明的发明人发现，在现有技术中，各传感器的封装工艺已经比较成熟，工艺能力已经接近极限，很难再根据系统厂商的要求进一步缩减芯片的尺寸。因此，本发明所要实现的技术任务或者所要解决的技术问题是本领域技术人员从未想到的或者没有预期到的，故本发明是一种新的技术方案。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1是本发明传感器集成装置的结构示意图。
图2至图4为图1中传感器集成装置的生产工艺示意图。
图5是本发明另一实施方式中传感器集成装置的结构示意图。
图6、图7为图5中在第二衬底上形成第二敏感结构、背腔、容腔的生产工艺示意图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
参考图1，为了减小封装的尺寸，本发明提供了一种传感器集成装置，其包括第一衬底1以及设置在第一衬底1上方的第二衬底3，其中，所述第二衬底3具有背腔5，例如可通过本领域技术人员所熟知的刻蚀方式，在第二衬底3上形成背腔5。该第二衬底3具有背腔5的一侧连接在第一衬底1的上方，使得背腔5的下端被第一衬底1封装起来。
本发明中，第一衬底1和第二衬底3均可以采用单晶硅材料，第一衬底1和第二衬底3可通过键合层2以SI-SI键合的方式连接在一起，该键合层2优选采用二氧化硅材料。
本发明的传感器集成装置，在所述第一衬底1的上端设有第一敏感结构4，且该第一敏感结构4位于第二衬底3的背腔5中，使得第一敏感结构4被第二衬底3封装起来。第一敏感结构4是传感器的测量器件，通过第一敏感结构4来获得所需要的测量数据。在本发明一个具体的实施方式中，该第一敏感结构4可以是惯性测量传感器中的可动质量块结构，当其受到惯性作用时，可动质量块结构发生偏转或者平动，并最终将该惯性力以电信号的形式输出。该惯性测量传感器可以是加速度计或者陀螺仪等本领域技术人员所熟知的结构，在此，对其详细结构、制造方法以及动作原理不再进行赘述。
本发明的传感器集成装置，在所述第二衬底3的上端设置有第二敏感结构6。该第二敏感结构6是传感器的测量器件，通过第二敏感结构6来获得所需要的测量数据。在本发明一个具体的实施方式中，该第二敏感结构6可以是压力传感器的压敏电阻膜层。参考图1，该第二敏感结构6可以采用单晶硅材料，其与第二衬底3之间设置有二氧化硅层7，使得第二敏感结构6与第二衬底3之间通过二氧化硅层7键合在一起，并通过二氧化硅层7实现第二衬底3与第二敏感结构6之间的绝缘。其中，第二敏感结构6通过重掺杂、轻掺杂的方式注入杂质，例如注入硼元素，以形成P+、P-，最终将第二敏感结构6形成为压敏电阻膜层。压敏电阻膜层的具体结构、制作方法、工作原理属于本领域技术人员的公知常识，在此不再进行赘述。
在本发明一个具体的实施方式中，所述背腔5贯通第二衬底3的上下两端，所述第二敏感结构6设置在第二衬底3的上端，并悬置在背腔5的上方，从而将背腔5的上端遮挡住，参考图1，背腔5的下端被第一衬底1封装起来。由此，将背腔5围成一密闭的腔室，该密闭的腔室可作为第一敏感结构4的盖体，可以防止异物进入至第一敏感结构4中,且可提供真空环境，以减小第一敏感结构4运动的阻尼。
本发明的传感器集成装置，第一衬底和第一敏感结构构成了第一传感器，第二衬底和第二敏感结构构成了第二传感器，该第一传感器、第二传感器可以是加速度计、陀螺仪或压力传感器等本领域技术人员所熟知的传感器结构。将两个传感器在垂直方向上进行集成，不但减小了整体封装的横向尺寸；而且，第二传感器中的第二衬底作为第一传感器的封装盖体，可以对第一敏感结构起到很好的防护作用；同时也降低了整个封装的高度，减小了整体封装的尺寸，满足了现代电子产品的小型化发展。
在本发明另一具体的实施结构中，参考图5，所述背腔5为上端封闭的梯形槽，在所述第二衬底3的上端设置有下端封闭的容腔8，也就是说，背腔5和容腔8之间相互隔开，并不连通在一起。第二敏感结构6设置在第二衬底3的上端，并悬置在容腔8的上方；第一敏感结构4设置在第一衬底1的上端，并位于第二衬底3的背腔5内，从而将第一敏感结构4和第二敏感结构6完全隔离开，起到更好的防护作用。
本发明还提供了一种传感器集成装置的生产方法，包括以下步骤：
a)首先，在所述第一衬底1的上表面设置第一敏感结构层，并将第一敏感结构层构造为第一敏感结构4，参考图2；具体地，首先可在例如由单晶硅片构成的第一衬底1的上面沉积键合层2，并将该键合层2刻蚀成所需的形状；然后通过该键合层2将第一敏感结构层键合在第一衬底1上，并根据实际需要将第一敏感结构层刻蚀成预定的第一敏感结构4，形成第一传感器的测量器件；
b)在第二衬底3的上表面设置第二敏感结构层，并将第二敏感结构层构造为第二敏感结构6；在第二衬底3上刻蚀形成背腔5，参考图3、图4；实际应用中，在第二衬底3和第二敏感结构层之间还设置有二氧化硅层7，其中，第二衬底3、第二敏感结构层均采用单晶硅材料，二者通过二氧化硅层7键合在一起，并相互绝缘。第二衬底3、二氧化硅层7、第二敏感结构层整体构成现有技术中的SOI硅片。将SOI硅片上层的第二敏感结构层构造为预定的第二敏感结构6，并在SOI硅片下层的第二衬底3上刻蚀形成背腔5。
例如，当第二敏感结构为压敏电阻膜层时，可在第二敏感结构层上通过重掺杂、轻掺杂的方式注入杂质，例如注入硼元素，以形成P+、P-，最终将第二敏感结构层构造为压敏电阻膜层。
c)最后，可通过键合层2将第二衬底3的下表面键合在第一衬底1的上表面，并将第一衬底1上的第一敏感结构4封装在第二衬底3的背腔5中。
在上述生产方法的步骤a)、步骤b)中，首先是在第一衬底1上形成第一敏感结构4，之后在第二衬底3上形成第二敏感结构6。然而，对于本领域的技术人员来说，也可以是首先在第二衬底3上形成第二敏感结构6、背腔5，之后再在第一衬底1上形成第一敏感结构4，这种步骤顺序的改变对最终得到的传感器集成装置没有实质影响。
本发明还提供了另一种传感器集成装置的生产方法，其与上述生产方法基本相同，唯一的区别在于步骤b)，在本实施例中，所述步骤b)如下：
在第二衬底3的下表面刻蚀形成上端封闭的背腔5，在第二衬底3的上表面刻蚀形成下端封闭的容腔8，其中背腔5和容腔8相互隔离开；
在第二衬底3的上表面设置悬置在容腔8上方的第二敏感结构层，并将第二敏感结构层构造为第二敏感结构6，参考图6、图7。
在该实施例中，首先是在第一衬底1上形成第一敏感结构4，之后在第二衬底3上形成第二敏感结构6、背腔5、容腔8等。然而，对于本领域的技术人员来说，也可以是首先在第二衬底3上形成容腔8、第二敏感结构6、背腔5，之后在第一衬底1上形成第一敏感结构4，这种步骤顺序的改变对最终得到的传感器集成装置没有实质影响。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.传感器集成装置，其特征在于：包括第一衬底(1)以及具有背腔(5)的第二衬底(3)，所述第二衬底(3)具有背腔(5)的一侧连接在第一衬底(1)的上方；其中，所述第一衬底(1)上端设有位于背腔(5)中的第一敏感结构(4)，所述第二衬底(3)的上端设置有第二敏感结构(6)。
2.根据权利要求1所述的传感器集成装置，其特征在于：所述第一敏感结构(4)为惯性测量传感器的可动质量块结构。
3.根据权利要求1或2所述的传感器集成装置，其特征在于：所述第二敏感结构(6)为压力传感器的压敏电阻膜层。
4.根据权利要求1所述的传感器集成装置，其特征在于：所述背腔(5)贯通第二衬底(3)的上下两端，所述第二敏感结构(6)悬置在背腔(5)的上方。
5.根据权利要求1所述的传感器集成装置，其特征在于：所述背腔(5)为上端封闭的梯形槽，在所述第二衬底(3)的上端设置有下端封闭的容腔(8)，所述第二敏感结构(6)悬置在容腔(8)的上方。
6.根据权利要求1所述的传感器集成装置，其特征在于：所述第一衬底(1)、第二衬底(3)为单晶硅材料，二者通过键合层(2)键合在一起。
7.一种如权利要求1所述传感器集成装置的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)在第一衬底(1)的上表面设置第一敏感结构层，并将第一敏感结构层构造为第一敏感结构(4)；
b)在第二衬底(3)的上表面设置第二敏感结构层，并将第二敏感结构层构造为第二敏感结构(6)；在第二衬底(3)的下表面刻蚀形成背腔(5)；
c)将第二衬底(3)的下表面固定在第一衬底(1)的上表面，将第一衬底(1)上的第一敏感结构(4)封装在第二衬底(3)的背腔(5)中。
8.一种如权利要求1所述传感器集成装置的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)在第二衬底(3)的上表面设置第二敏感结构层，并将第二敏感结构层构造为第二敏感结构(6)；在第二衬底(3)的下表面刻蚀形成背腔(5)；
b)在所述第一衬底(1)的上表面设置第一敏感结构层，并将第一敏感结构层构造为第一敏感结构(4)；
c)将第二衬底(3)的下表面固定在第一衬底(1)的上表面，将第一衬底(1)上的第一敏感结构(4)封装在第二衬底(3)的背腔(5)中。
9.一种如权利要求1所述传感器集成装置的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)在所述第一衬底(1)的上表面设置第一敏感结构层，并将第一敏感结构层构造为第一敏感结构(4)；
b)在第二衬底(3)的下表面刻蚀形成上端封闭的背腔(5)，在第二衬底(3)的上表面刻蚀形成下端封闭的容腔(8)，在第二衬底(3)的上表面设置悬置在容腔(8)上方的第二敏感结构层，并将第二敏感结构层构造为第二敏感结构(6)；
c)将第二衬底(3)的下表面固定在第一衬底(1)的上表面，将第一衬底(1)上的第一敏感结构(4)封装在第二衬底(3)的背腔(5)中。
10.一种如权利要求1所述传感器集成装置的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)在第二衬底(3)的下表面刻蚀形成上端封闭的背腔(5)，在第二衬底(3)的上表面刻蚀形成下端封闭的容腔(8)，在第二衬底(3)的上表面设置悬置在容腔(8)上方的第二敏感结构层，并将第二敏感结构层构造为第二敏感结构(6)；
b)在所述第一衬底(1)的上表面设置第一敏感结构层，并将第一敏感结构层构造为第一敏感结构(4)；
c)将第二衬底(3)的下表面固定在第一衬底(1)的上表面，将第一衬底(1)上的第一敏感结构(4)封装在第二衬底(3)的背腔(5)中。
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