CN107555395A - 光电位置传感芯片与电热微镜键合的一体化器件 - Google Patents

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Abstract

光电位置传感芯片与电热微镜键合的一体化器件，涉及一体化微光机电器件。将光电位置传感芯片与电热微镜键合集成在一起。光电位置传感芯片设有光源、光发射驱动电路、四象限光电探测器和光接收放大电路、带隙基准和模/数转换器。根据电热微镜的底座尺寸，在光电位置传感芯片焊盘内侧与四象限光电探测器外侧之间布上一圈不与芯片内部电路相连的焊盘，并利用导电银漆将电热微镜键合到这一圈焊盘上，实现芯片与微镜一体化。实现带有位置传感器的可闭环控制的电热微镜系统的微型化，使体积大幅度降低，并提高了系统的集成度、抗干扰能力，充分利用光电位置传感芯片易集成、高线性度、敏感性强等一系列优势，可大范围内精确监测电热微镜的位置变化。

Description

光电位置传感芯片与电热微镜键合的一体化器件
技术领域
本发明涉及一体化微光机电器件，尤其是涉及光电位置传感芯片与电热微镜键合的一体化器件(Micro-opto-electro-mechanical Systems,MOEMS)。
背景技术
随着微电子技术的兴起，近年来微机械、微光学的发展也越来越引起人们的关注，在“三微”基础上出现的微系统集成技术(Microsysterm technology,MST)是跨学科的前沿领域，已显示出强大的生命力。它使用先进的微小加工技术将微电子、微机械和微光学集成为MOEMS系统以完成常规的和特殊的功能，大大地提高其可靠性和智能化功能，具有量大面宽的应用领域。其中扫描微镜是一个典型的微机电(Micro-electro-mechanical Systems,MEMS)器件，被广泛地应用于光谱仪、医学影像、光通信、3D扫描、图像显示、自适应光学等领域，可促进各光学系统微型化，是众多微光学系统的核心元件。各光学系统对扫描微镜提出了各式不同的要求。例如应用于光谱检测领域的微型傅立叶变换光谱仪(FourierTransform Spectrometer，FTS)([1]陆安江，张正平，白忠臣，陈巧，秦水介.电热式微机电系统微镜傅里叶变换红外光谱仪.红外与激光工程，2016，45(5)：1-7)采用了电热式的扫描微镜，它的分辨率与扫描微镜的垂直位移有关，位移量越大，光谱仪分辨率越高。
国内外对电热微镜的的大位移(即高分辨率)、精确可控性、高集成化等关键技术尚未得到有效解决。目前对大位移变化的电热微镜进行精准的位置监测与控制是艰难的任务。市场上，电容式位置传感器线性度不高，分辨率小，并且测量范围很小；压电位置传感方法中的压电材料与电热驱动材料不兼容，而且难以进行大范围垂直位移的测量；电磁式位置传感不适用于静态、低速的扫描微镜测量。相对比这些传感方法，光位置传感具有易集成、高线性度、可控性强等优势。而且，目前大部分电热微镜的控制方式为开环控制方式，该方法具有简单易行的优点。但是，微型化是现代科学技术的一个主要发展趋势，开环控制的系统往往具有较大的体积；且放大电压漂移、抖动和由扫描微镜本身引起的共振等现象等对开环控制的精度有很大的影响，使系统抗干扰能力较差。
采用将光电位置传感芯片与电热微镜键合集成在一起的闭环控制方法实现了整个系统的微型化，大幅度降低了体积，可以充分发挥光电集成位置传感器的优势，实现对微镜的精确控制，而且闭环控制提高了系统的稳定性。
发明内容
本发明的目的在于为了克服其他位置传感方法与开环控制的不足，提供将光电位置传感芯片与电热微镜集成在一起的光电位置传感芯片与电热微镜键合的一体化器件。
本发明设有光电位置传感芯片和电热微镜，所述电热微镜设在光电位置传感芯片的上方，所述光电位置传感芯片包括光源、光发射驱动电路、四象限光电探测器(FourQuadrant Photodetector,FQPD)、光接收放大电路、带隙基准和模/数转换器(ADC)；
所述电热微镜用于将位置变化反馈给光电位置传感芯片；所述光源为半导体集成光源，半导体集成光源可采用有谐振腔发光二极管(Resonant Cavity Light EmittingDiode,RCLED)或垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL)，可以根据微镜监测范围来选择；所述光发射驱动电路为光源提供驱动电流，驱动光源发光，可以看做一个电流开关。驱动电流包括偏置电流和调制电流，通常偏置电流的大小依光源类型而定，调制电流用来改变输入信号的幅度来调节光源驱动电流的大小；所述四象限光电探测器为四个面积相等的光电二极管，接收微镜反射回来的光线并产生光电流，实现光电转换；所述光接收放大电路用于四象限光电探测器的每一个光电探测器的光电流转化为电压并放大输出；所述带隙基准和模/数转换器用于光接收放大电路输出的电压作数字转换，输出为计算机更容易处理的数字信号。
在光电位置传感芯片的焊盘内侧与四象限光电探测器外侧之间的区域分布一圈不与光电位置传感芯片内部电路相连，并利用导电银漆将电热微镜键合到添加的焊盘上，实现光电位置传感芯片与电热微镜一体化，光源通过导电银漆键合到光电位置传感芯片中央与旁边的焊盘。
本发明的有益效果是：实现了将光电位置传感芯片与电热微镜的一体化，电热微镜与含有光源、光发射驱动电路、FQPD、光接收放大电路、带隙基准和模/数转换器(ADC)的Si基光电位置传感芯片键合集成，使系统进一步微型化，体积大幅度减小，高抗干扰、高分辨率，在较大的线性范围内具有更好的精确度和稳定性，并且具有较低的成本。
附图说明
图1为本发明实施例的立体效果图。
图2为本发明实施例的光电位置传感芯片布局图。
图3本发明实施例的光电位置传感芯片与电热微镜集成示意图。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
参见图1～3，本发明实施例设有光电位置传感芯片1和电热微镜2，所述电热微镜2设在光电位置传感芯片1的上方，所述光电位置传感芯片1包括光源、光发射驱动电路、四象限光电探测器(Four Quadrant Photodetector,FQPD)、光接收放大电路、带隙基准和模/数转换器(ADC)；
所述电热微镜用于将位置变化反馈给光电位置传感芯片；所述光源为半导体集成光源，半导体集成光源可采用有谐振腔发光二极管(Resonant Cavity Light EmittingDiode,RCLED)或垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL)，可以根据微镜监测范围来选择；所述光发射驱动电路为光源提供驱动电流，驱动光源发光，可以看做一个电流开关。驱动电流包括偏置电流和调制电流，通常偏置电流的大小依光源类型而定，调制电流用来改变输入信号的幅度来调节光源驱动电流的大小；所述四象限光电探测器为四个面积相等的光电二极管，接收微镜反射回来的光线并产生光电流，实现光电转换；所述光接收放大电路用于四象限光电探测器的每一个光电探测器的光电流转化为电压并放大输出；所述带隙基准和模/数转换器用于光接收放大电路输出的电压作数字转换，输出为计算机更容易处理的数字信号。
上方的电热微镜根据外加驱动产生相应位移或角度的变化，此时的电热微镜将光源发射的光反射给光电位置传感芯片1，光电位置传感芯片1产生对应的电信号。通过分析输出信号，可以得出此时微镜的位置变化。
所述光电位置传感芯片1共设有6个模块：光源焊盘2-1、光发射驱动电路2-2、FQPD(2-3、2-4、2-5、2-6)、光接收放大电路(2-7、2-8、2-9、2-10)、带隙基准(2-11、2-12)和带隙基准和模/数转换器2-13。
常用的半导体集成光源分为两种：RCLED和VCSEL，其中VCSEL发射角较小，用于较大范围内位移或角度的监测，而且硅材料本身对长波长的光吸收更好。因此可以选用长波长的VCSEL作为系统的光源。
光发射驱动电路位于光电位置传感芯片下方，主要为光源提供驱动电流，驱动光源发光，可以看做一个电流开关。驱动电流包括偏置电流和调制电流，偏置电流由带隙基准电压源产生的电流源镜像而来，偏置电流的大小依光源类型而定。调制电流则由输入光信号和光发射驱动电路的子电路(预放大电路及主放大电路)提供，这样可以通过改变输入信号的幅度来调节光源驱动电流的大小。光源发出的光经微镜反射后照到FQPD的光敏面上。
FQPD为四个结构相同、面积相等的光电二极管对称地分布在光源周围。根据微镜的位置变化，每个PD光敏面所接收到的反射光线分布会发生对应的变化，各象限所产生的光电流也会随之发生改变。每一个光电探测器都对应一个光接收放大电路，光接收放大电路接收每一路的光电流并将其依次进行电压转换、初步放大(目的是提高信号的信噪比)、对信号进行进一步限幅放大、输出缓冲器后经焊盘输入到测试设备中。通过对每一路输出电压的分析和四个输出电压的综合处理分析，可以得到此时微镜的位置变化。带隙基准为整个芯片提供参考电压和参考电流源。
ADC接光接收放大电路的一支，将其输出的一支模拟量转变为数字量，这样使系统既有模拟输出又有数字输出，对两种信号处理和分析，结果可信度更高。
在图3中给出本发明实施例的光电位置传感芯片与电热微镜集成示意图，电热微镜2、光电位置传感芯片1、顶层金属3-3即最后一层金属、保护层3-4、半导体集成光源3-5。
光电位置传感芯片1的前面制造按照芯片版图文件和厂商的工艺流程进行制作即可。最后两道工艺流程要为光源与芯片、芯片与微镜的键合留出相应的焊盘。淀积最后一层金属后，选择合适的刻蚀剂去除不必要的金属，形成互联结构。然后在最后一层金属上淀积一层保护层(厚的磷硅玻璃或压缩氮化层)，涂覆光刻胶，使用保护层掩膜版光刻晶圆，选用合适的刻蚀剂去除所选择技术化区域上的保护层，得到所需要的焊盘。除了本来与内部电路相连的焊盘(包括用来键合光源的两个焊盘)之外，用于键合微镜的焊盘位于FQPD区域的外侧。因为不能让微镜底座挡住FQPD的光敏面，否则会影响光电流的产生，继而影响输出，而且这些焊盘不与内部电路相连，只是用于键合微镜。需要注意的是，用于键合光源的两个焊盘，一个位于中央，另一个位于中央焊盘与FQPD之间的空隙，不能超过用于键合微镜的焊盘区域。
在将电热微镜与芯片集成之前，首先应该实现光源与芯片的键合。将导电银漆点在中央焊盘，然后将半导体集成光源的负极放在导电银漆上，适当按压后，放到烘箱中15～20min，等到导电银漆凝固后，取出。用超声波压焊机以打线的方式连接光源正极与旁边的焊盘，因此这个焊盘要在键合微镜的焊盘区域以内，否则后面微镜的放置将压到这条连线，造成电路故障。接下来是电热微镜的放置，首先将适量导电银漆点在键合微镜的焊盘上，将电热微镜底座对准要键合的区域，小心放置之后重复跟固定光源一样的步骤，等待导电银漆凝固后取出。

Claims (3)

1.光电位置传感芯片与电热微镜键合的一体化器件，其特征在于设有光电位置传感芯片和电热微镜，所述电热微镜设在光电位置传感芯片的上方，所述光电位置传感芯片包括光源、光发射驱动电路、四象限光电探测器、光接收放大电路、带隙基准和模/数转换器；
所述电热微镜用于将位置变化反馈给光电位置传感芯片；所述光源为半导体集成光源，半导体集成光源采用有谐振腔发光二极管或垂直腔面发射激光器；所述光发射驱动电路为光源提供驱动电流；所述四象限光电探测器为四个面积相等的光电二极管，接收微镜反射回来的光线并产生光电流，实现光电转换；所述光接收放大电路用于四象限光电探测器的每一个光电探测器的光电流转化为电压并放大输出；所述带隙基准和模/数转换器用于光接收放大电路输出的电压作数字转换，输出为计算机更容易处理的数字信号。
2.如权利要求1所述光电位置传感芯片与电热微镜键合的一体化器件，其特征在于所述驱动电流包括偏置电流和调制电流。
3.如权利要求1所述光电位置传感芯片与电热微镜键合的一体化器件，其特征在于在光电位置传感芯片的焊盘内侧与四象限光电探测器外侧之间的区域分布一圈不与光电位置传感芯片内部电路相连，并利用导电银漆将电热微镜键合到添加的焊盘上，实现光电位置传感芯片与电热微镜一体化，光源通过导电银漆键合到光电位置传感芯片中央与旁边的焊盘。
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