CN112479152B - 一种基于微机电传感器融合的集成式状态监测边缘计算器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微机电传感器融合的集成式状态监测边缘计算器，其通过把信号采集电路、计算处理电路分别集成在不同的多通道信号采集电子晶圆和计算处理电子晶圆上，把多通道信号采集电子晶圆设计布置在计算处理电子晶圆上，把多个微机电传感元件布置在多通道信号采集电子晶圆上，实现了传感元件、采集电路、计算处理电路结构的紧凑性集成布局设计，有利于状态监测边缘计算器产品的小型化；同时，还可以进一步的通过对多通道信号采集电子晶圆、计算处理电子晶圆的结构优化设计，减少信号互扰问题，提升集成式状态监测边缘计算器产品的工作稳定性。由此可见，本发明的集成式状态监测边缘计算器解决方案具备很好的市场应用前景。

Description

一种基于微机电传感器融合的集成式状态监测边缘计算器

技术领域

本发明涉及微机电传感器技术和工业物联网技术领域，具体涉及一种基于微机电传感器融合的集成式状态监测边缘计算器。

背景技术

微机电系统（MEMS，Micro-Electro-Mechanical System），也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等，是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。微机电系统侧重于超精密机械加工，常见的产品包括MEMS麦克风、微马达、微泵、微振子、MEMS传感器等微机电集成产品。

其中，微机电传感器（MEMS传感器）是指用微电子微机械加工出来的、用敏感元件如电容、压电、压阻、热电耦、谐振、隧道电流等来感受转换电信号的器件和系统。主要MEMS传感器的包括速度、压力、湿度、温度、加速度、气体、磁、光、声、生物、化学等各种传感器，并广泛的在信息通信、生物化学、医疗、自动控制、消费电子等领域得以应用。

在工业物联网应用中，为了能够实现对工业设备的工作状态监测进而进行物联网设备监控，往往需要对设备的振动、声音、温度等工作状态相关信息进行跟踪监测，从而根据这些相关信息判断设备的工作状态是否正常，特别在一些微小型高精密工业设备上需要用到微机电传感器进行信息及工作状态监测。然而，目前的市场上的MEMS传感器产品通常都是单一功能传感器，若需要对设备进行振动、声音、温度等多维度信息的监测，则需要使用多个MEMS传感器，这样不仅使得监测电路安装和布线布置复杂，而且较多的额外传感器等装置的安装也可能影响工业设备的工作精确性能。不仅如此，在工业物联网环境中，由于需要进行工作状态监测的网络设备众多，如果全部依靠网络系统服务器端分别依据每个设备的监测信息进行设备工作状态的判断处理，容易造成对网络系统服务器端计算资源的过量消耗，因此如果能够通过在设备端的边缘计算器执行设备工作状态的判断处理后直接发送给网络系统服务器端，则更有利于网络系统服务器端、乃至整个工业物联网络的稳定运行。

由此可见，在工业设备工作状态监测应用场景中，已经逐渐提出了对能够实现多方位信息传感检测、能够执行设备工作状态判断处理的状态监测边缘计算设备的需求。

然而，要依靠现有技术实现上述技术目标还仍存在技术壁垒。首先，现有的单一功能MEMS传感器，其封装结构内部的工艺结构主要包括用于执行信号感测采集的微机电传感元件、用于执行信号采集控制及滤波等预处理的信号采集电路（模拟电路部分）和用于执行数字信号转换的模数转换电路（数字电路部分），通常信号采集电路和模数转换电路集成在一个电子晶圆上，微机电传感元件则布置在电子晶圆上并通过导电触点形成数据传输连接；如果沿用现有的结构工艺，简单的将多个不同功能的MEMS传感器内部工艺结构集成布置在一个封装内组成一个多功能MEMS传感器，即，将多个布置有微机电传感元件的电子晶圆组合集成在一起布置在同一个封装结构内，不仅容易造成微机电传感器体积成倍增大、内部电路冗杂，而且不同微机电传感元件之间的信号互扰因素、不同感测信号采集控制的兼容性等问题都难以得到明确和保证。其次，在多功能微机电传感器件的集成小型化、稳定性仍存在问题的情况下，要进一步的集成边缘计算处理电路则变得更加困难。

因此，如何设计更有利于小型化、能够较好的保证工作稳定性的状态监测边缘计算设备产品，开始受到工业物联网技术领域的重视。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于微机电传感器融合的集成式状态监测边缘计算器，不仅能够具备多种信息的传感检测以及设备状态边缘计算能力，还更有利于小型化、较好的保证工作稳定性。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种基于微机电传感器融合的集成式状态监测边缘计算器，包括封装结构，以及布置在封装结构内的计算处理电子晶圆、多通道信号采集电子晶圆和多个微机电传感元件；

所述多通道信号采集电子晶圆布置在计算处理电子晶圆上，多通道信号采集电子晶圆上形成有多个通道的信号采集电路，且各不同通道的信号采集电路的信号输出端分别通过导电端子与计算处理电子晶圆上的不同信号输入端口进行电连接；

所述多个微机电传感元件布置在多通道信号采集电子晶圆上，且各个微机电传感元件的采集信号输出端分别通过导电端子与多通道信号采集电子晶圆上不同通道的信号采集电路的信号输入端进行电连接；

所述计算处理电子晶圆上形成有计算判断处理电路以及具备多个信号输入端口的模数转换电路；所述模数转换电路用于分别对来自各个信号输入端口的模拟信号进行模数转换处理，将处理出的数字信号传输至计算判断处理电路；所述计算判断处理电路用于根据来自多个微机电传感元件的采集信号经过处理后得到的数字信号，综合计算和判断所监测设备的工作运行状态。

上述基于微机电传感器融合的集成式状态监测边缘计算器中，作为优选方案，所述计算处理电子晶圆是由模数转换电子晶圆模块和计算判断电子晶圆模块组合构成，所述具备多个信号输入端口的模数转换电路集成在模数转换电子晶圆模块上，所述计算判断处理电路集成在计算判断电子晶圆模块上，且模数转换电子晶圆模块上模数转换电路的输出信号端通过导电端子与计算判断电子晶圆模块上计算判断处理电路的数据输入端进行电连接；所述多通道信号采集电子晶圆布置在计算处理电子晶圆中的模数转换电子晶圆模块上。

上述基于微机电传感器融合的集成式状态监测边缘计算器中，作为优选方案，所述模数转换电子晶圆模块和计算判断电子晶圆模块布置在同一平面上；作为优选，所述模数转换电子晶圆模块整体为环状，且其中部孔洞能够容纳布置计算判断电子晶圆模块，所述计算判断电子晶圆模块布置于模数转换电子晶圆模块的环状中部孔洞中。

上述基于微机电传感器融合的集成式状态监测边缘计算器中，作为优选方案，所述模数转换电子晶圆模块和计算判断电子晶圆模块层叠布置；作为优选，所述模数转换电子晶圆模块通过键合工艺键合布置在计算判断电子晶圆模块上。

上述基于微机电传感器融合的集成式状态监测边缘计算器中，作为优选方案，所述多通道信号采集电子晶圆是由多个单通道信号采集电子晶圆模块组合构成，每个单通道信号采集电子晶圆模块上形成有一个单通道的信号采集电路；各个微机电传感元件分别布置在不同的单通道信号采集电子晶圆模块上。

上述基于微机电传感器融合的集成式状态监测边缘计算器中，作为优选方案，各个所述单通道信号采集电子晶圆模块呈并行排列或阵列排列平铺布置在计算处理电子晶圆上。

上述基于微机电传感器融合的集成式状态监测边缘计算器中，作为优选方案，各个所述单通道信号采集电子晶圆模块之间相互电隔离；作为优选，各个所述单通道信号采集电子晶圆模块之间通过间隔布置实现电隔离，或者通过绝缘材料进行连接并实现电隔离。

上述基于微机电传感器融合的集成式状态监测边缘计算器中，作为优选方案，各个所述单通道信号采集电子晶圆模块为层叠布置在计算处理电子晶圆上；作为优选，其中，位于上方的单通道信号采集电子晶圆模块与计算处理电子晶圆进行电连接的导电端子绕过位于下方的单通道信号采集电子晶圆模块；或者，位于上方的单通道信号采集电子晶圆模块与计算处理电子晶圆进行电连接的导电端子穿过位于下方的单通道信号采集电子晶圆模块，且所述导电端子与其穿过的单通道信号采集电子晶圆模块上的电路之间相互电隔离。

上述基于微机电传感器融合的集成式状态监测边缘计算器中，作为优选方案，层叠布置的各个所述单通道信号采集电子晶圆模块的端侧通过竖向设置的绝缘连接板进行固定连接。

上述基于微机电传感器融合的集成式状态监测边缘计算器中，作为优选方案，所述绝缘连接板上还设置有电磁屏蔽材料层；作为优选，所述电磁屏蔽材料层夹设在所述绝缘连接板内，或者铺设在所述绝缘连接板背向单通道信号采集电子晶圆模块的侧面上。

相比于现有技术，本发明的有益效果在于：

1、本发明基于微机电传感器融合的集成式状态监测边缘计算器，通过把信号采集电路、计算处理电路分别集成在不同的多通道信号采集电子晶圆和计算处理电子晶圆上，把多通道信号采集电子晶圆设计布置在计算处理电子晶圆上，实现了采集电路与计算处理电路的层叠设计，减小了采集电路和计算处理电路整体占用的横向布设面积，同时还把多个微机电传感元件布置在多通道信号采集电子晶圆上，在具备基于多种信息传感检测的设备状态边缘计算能力的基础上，同时实现了传感元件、采集电路、计算处理电路结构的紧凑性集成布局设计，有利于兼顾实现状态监测边缘计算器产品的小型化。

2、本发明的集成式状态监测边缘计算器可以进一步的通过对多通道信号采集电子晶圆的结构优化设计，使得对多路微机电传感元件的信号采集更容易在兼容性和处理性能上达到最优，减少不同通道间的信号互扰问题，提升集成式状态监测边缘计算器产品的工作稳定性。

3、本发明的集成式状态监测边缘计算器还可以进一步的通过对多通道信号采集电子晶圆、计算处理电子晶圆之间的配合结构布局设计，根据不同应用场景的需要实现集成式状态监测边缘计算器产品内部的扁平化紧凑空间布局以及竖向层叠的紧凑空间布局设计。

4、本发明的集成式状态监测边缘计算器中的封装结构、计算处理电子晶圆、多通道信号采集电子晶圆和多个微机电传感元件，都能够采用现有的MEMS传感器产品相关设计工艺技术加工制备获得，有利于技术的普及实施。

5、本发明的集成式状态监测边缘计算器解决方案，能够更好的满足工业物联网应用中对具备多种信息传感检测的状态监测边缘计算器产品的小型化和工作稳定性需求，具备很好的市场应用前景。

附图说明

图1为本发明集成式状态监测边缘计算器一种设计方案的结构剖视示意图。

图2为本发明集成式状态监测边缘计算器另一种设计方案的结构剖视示意图。

图3为本发明集成式状态监测边缘计算器中多个单通道信号采集电子晶圆模块在模数转换电子晶圆上的一种平铺排列布置方式的俯视结构示意图。

图4为本发明集成式状态监测边缘计算器中多个单通道信号采集电子晶圆模块在模数转换电子晶圆上的另一种平铺排列布置方式的俯视结构示意图。

图5为本发明集成式状态监测边缘计算器又一种设计方案的结构剖视示意图。

图6为本发明集成式状态监测边缘计算器中计算处理电子晶圆采用由模数转换电子晶圆模块和计算判断电子晶圆模块组合构成方案的一种示意图。

图7为模数转换电子晶圆模块相对于计算判断电子晶圆模块环绕布置方案时本发明集成式状态监测边缘计算器的一种内部布置结构立体示意图。

图8为本发明集成式状态监测边缘计算器内部布置结构采用层叠式设计的一种方案的内部布置结构立体示意图。

图9为本发明集成式状态监测边缘计算器内部布置结构采用层叠式设计的另一种方案的结构剖视示意图。

图10为图9所示层叠式设计方案的本发明集成式状态监测边缘计算器的内部布置结构立体示意图。

图中附图标记为：

10-封装结构；20-计算处理电子晶圆；21-模数转换电子晶圆模块；22-计算判断电子晶圆模块；30-多通道信号采集电子晶圆；31-单通道信号采集电子晶圆模块；40-微机电传感元件；50-绝缘材料；60-绝缘连接板；61-电磁屏蔽材料层；70-导电端子。

具体实施方式

为了解决应用于工业物联网设备监测的状态监测边缘计算器的小型化、工作稳定性等问题，本申请提供了一种基于微机电传感器融合的集成式状态监测边缘计算器。

如图1所示，本发明的集成式状态监测边缘计算器包括封装结构10，以及布置在封装结构内的计算处理电子晶圆20、多通道信号采集电子晶圆30和多个微机电传感元件40，每个微机电传感元件40可用于感测一种不同的设备状态监测信号；多通道信号采集电子晶圆30布置在计算处理电子晶圆上，多通道信号采集电子晶圆30上形成有多个通道的信号采集电路，且各不同通道的信号采集电路的信号输出端分别通过导电端子与计算处理电子晶圆20上的不同模拟信号输入端口进行电连接；多个微机电传感元件40布置在多通道信号采集电子晶圆30上，且各个微机电传感元件40的采集信号输出端分别通过导电端子与多通道信号采集电子晶圆30上不同通道的信号采集电路的信号输入端进行电连接；计算处理电子晶圆20上形成有计算判断处理电路以及具备多个信号输入端口的模数转换电路；其中，模数转换电路用于分别对来自各个信号输入端口的模拟信号进行模数转换处理，将处理出的数字信号传输至计算判断处理电路；计算判断处理电路用于根据来自多个微机电传感元件40的采集信号经过处理后得到的数字信号，综合计算和判断所监测设备的工作运行状态；此外，计算处理电子晶圆20上还可以集成有必要的运行控制电路、数据传输接口电路等，用以实现电路工作的运行控制以及对处理所得信号的对外传输控制等必要功能。

本发明基于微机电传感器融合的集成式状态监测边缘计算器，通过把信号采集电路、计算处理电路分别集成在不同的电子晶圆上，分别形成独立的多通道信号采集电子晶圆和计算处理电子晶圆，且在结构布置上，把多通道信号采集电子晶圆设计布置在计算处理电子晶圆上，实现了采集电路与计算处理电路的层叠设计，减小了采集电路和计算处理电路整体占用的横向布设面积；同时，多通道信号采集电子晶圆上设计了多个通道的信号采集电路，还把多个微机电传感元件设计布置在多通道信号采集电子晶圆上，这样，一方面实现了传感元件、采集电路、计算处理电路三者电路结构的紧凑集成布局，另一方面还设计各个微机电传感元件的采集信号输出端分别通过导电端子与多通道信号采集电子晶圆上不同通道的信号采集电路的信号输入端进行电连接，使得多个微机电传感元件可以分别通过不同的信号采集电路通道进行感测信号的分路采集，然后分别传输至计算处理电子晶圆上的计算处理电路进行模数转换处理以及计算判断处理，处理得到所监测设备的工作运行状态信息，通过计算处理电子晶圆上计算判断处理电路的输出信号端口输出，从而具备了实现多方位信息的传感检测以及设备状态边缘计算能力。因此，本发明的集成式状态监测边缘计算器设计，在具备基于多种信息传感检测的设备状态边缘计算能力的基础上，同时实现了传感元件、采集电路、计算处理电路结构的紧凑性集成布局设计，有利于兼顾实现状态监测边缘计算器产品的小型化。

在具体技术实现时，可以采用目前MEMS传感器产品中所使用的电子晶圆电路集成技术来制造多通道信号采集电子晶圆和计算处理电子晶圆，只需要把采集电路、计算处理电路分别集成在不同的电子晶圆上，并结合考虑晶圆面积和布局结构的配合关系即可，其中的计算处理电路也可以是在目前MEMS传感器产品中的模数转换电路基础上采用目前技术进一步进行计算判断处理电路的电子晶圆集成；微机电传感元件也可以是目前MEMS传感器产品中所使用的速度、压力、湿度、温度、加速度、气体、磁、光、声、生物、化学等各种MEMS传感器件；考虑到结构的高集成性，本发明集成式状态监测边缘计算器中的微机电传感元件数量最好与多通道信号采集电子晶圆上的信号采集通道数量相对应，例如需要采用两个微机电传感元件则多通道信号采集电子晶圆上则相应使用两个通道的信号采集电路，需要采用五个微机电传感元件则多通道信号采集电子晶圆上则相应使用五个通道的信号采集电路，避免信号采集电路多于微机电传感元件等情况而造成电路结构空间浪费，对产品结构集成性与小型化造成不利影响；封装结构同样可以采用现有的封装工艺。也就是说，本发明的集成式状态监测边缘计算器中的封装结构、计算处理电子晶圆、多通道信号采集电子晶圆和多个微机电传感元件，都能够采用现有的MEMS传感器产品相关设计工艺技术加工制备获得，有利于技术的普及实施。

而针对于本发明集成式状态监测边缘计算器的细节结构设计，也可以有多种不同的设计方案。

例如，在多通道信号采集电子晶圆的结构设计上，其多个通道的信号采集电路可以采用将具有多通道的信号采集集成电路集成在单片晶圆上的方式制成，采用单片晶圆集成式电路的设计，具有电路电子器件集成度和利用率高的优点。

但是相应的，采用集成式电路设计的多通道信号采集电子晶圆在实际应用中也会存在一些不足，特别是在针对于工业物联网应用领域的使用场景下，可能需要使用到多种信息采集维度和采集频率差异很大的信息监测，例如声音信号相对高频、振动信号相对低频、温度信号甚至可以几十秒采集一次，而集成式电路设计的具有多通道的信号采集集成电路由于使用共同的采集时钟信号，因此可能对于前述信息采集维度和采集频率差异较大的不同信息监测的多通道采集在兼容性和处理性能上难以达到最优，甚至可能出现不同通道间的信号采集互扰等问题。因此，多通道信号采集电子晶圆采用在单片晶圆上集成具有多通道的信号采集集成电路的设计方案并不是最优解。

所以，考虑到针对工业物联网应用领域的使用场景，如图2所示，本发明集成式状态监测边缘计算器中多通道信号采集电子晶圆的更优结构设计，是采用由多个单通道信号采集电子晶圆模块31组合构成多通道信号采集电子晶圆的设计方案，在每个单通道信号采集电子晶圆模块31上单独集成一个单通道的信号采集电路，执行一路信号采集的处理任务；同时，集成式状态监测边缘计算器中的多个微机电传感元件40则可以分别布置在不同的单通道信号采集电子晶圆模块31上，实现单个微机电传感元件与单通道信号采集电子晶圆模块的一对一配合结构设计；作为优先设计，最好采用键合工艺将微机电传感元件40键合布置在单通道信号采集电子晶圆模块31上，有利于降低微机电传感元件40与单通道信号采集电子晶圆模块31的竖向组合结构空间。

这样设计的优点在于，每个单通道信号采集电子晶圆模块上集成的单通道的信号采集电路，就可以根据其需要配合的单个微机电传感元件进行针对性的信号采集电路结构设计，其信号采集频次、放大滤波性能等都可以根据一对一配合的微机电传感元件的感测功能进行独立优化，从而更容易在兼容性和处理性能上达到最优设计，并减少因信号采集电路集成设计产生的不同通道间的信号互扰问题。

在此设计方案的基础上，如果考虑到集成式状态监测边缘计算器内部结构的布局问题，可以根据集成式状态监测边缘计算器产品整体的设计形状需求，来布置多通道信号采集电子晶圆中多个单通道信号采集电子晶圆模块的结构布局方式；例如，如果集成式状态监测边缘计算器产品整体采用长条状设计，如图3所示，则计算处理电子晶圆20可以相应的设计为长条状，而各个单通道信号采集电子晶圆模块31可以呈并行排列的方式平铺布置在计算处理电子晶圆上；如果集成式状态监测边缘计算器产品整体采用矩形状（或圆形）等设计，如图4所示，则计算处理电子晶圆20可以相应的设计为矩形状（或圆形），而各个单通道信号采集电子晶圆模块31可以呈阵列排列的方式平铺布置在计算处理电子晶圆20上。另外，考虑到尽量减少不同通道间信号采集处理的相互干扰，各个单通道信号采集电子晶圆模块之间最好采用相互电隔离的设计；例如，如图2所示，各个单通道信号采集电子晶圆模块31之间可以通过间隔布置的方式实现电隔离，只是这样的设计考虑到每个单通道信号采集电子晶圆模块上还布置了微机电传感元件40，依靠单个道信号采集电子晶圆31与计算处理电子晶圆20连接的导电端子对微机电传感元件的结构支撑可能缺乏足够到位的保护；而作为另一种电隔离设计方式，如图5所示，可以设计各个单通道信号采集电子晶圆模块31之间通过绝缘材料50进行连接并实现电隔离，这样在保证电隔离的同时，还使得多个单通道信号采集电子晶圆模块31之间连接形成整体，对于集成式状态监测边缘计算器内部的整体结构保护和稳定性都更有利。

又例如，在计算处理电子晶圆的结构设计上，可以采用将计算判断处理电路和具备多个信号输入端口的模数转换电路集成在单片晶圆上制成，即采用单片晶圆集成式电路的设计方式，同样也可使得计算处理电子晶圆具备集成度和利用率高的优点。

但对于计算处理电子晶圆而言，采用单片晶圆集成式电路的设计方式的弊端也明显的，由于需要同时将计算判断处理电路和具备多个信号输入端口的模数转换电路集成在单片晶圆上，该需要单片晶圆具备足够的横向面积来提供两种电路的布设，相比于集成单种电路的晶圆所需面积要更大，因此计算处理电子晶圆采用单片晶圆集成式的设计可能相应使得集成式状态监测边缘计算器产品的整体横向占用面积增大；另一方面，如果为了使得集成电路器件尽量精简（目的是有利于产品小型化），模数转换电路中设计的信号输入端口数量最好是与集成式状态监测边缘计算器中微机电传感元件的数量、多通道信号采集电子晶圆中的信号采集电路通道数量相匹配，以避免浪费通道电路器件及其占用的晶圆面积空间，然而针对不同种类工业设备监测所需的微机电传感元件的种类和数量不尽相同，因此，如果模数转换电路中的信号输入端口数量一旦需要跟随微机电传感元件的数量发生变化，则整个计算处理电子晶圆都需要全部重新设计，不利于硬件电路的开发和生产成本的控制。

所以，作为更优的设计方案，如图6所示，本发明集成式状态监测边缘计算器中的计算处理电子晶圆可以采用由模数转换电子晶圆模块21和计算判断电子晶圆模块22组合构成的双晶圆组合式方案，由此，可以将具备多个信号输入端口的模数转换电路集成在模数转换电子晶圆模块21上，将计算判断处理电路集成在计算判断电子晶圆模块22上，模数转换电子晶圆模块21上模数转换电路的输出信号端则可以通过导电端子70与计算判断电子晶圆模块22上计算判断处理电路的数据输入端进行电连接，以实现模数转换电路与计算判断处理电路之间的信号传输。而多通道信号采集电子晶圆则可以设计布置在计算处理电子晶圆中的模数转换电子晶圆模块上，以便于信号采集电路与模数转换电路之间的电路连接。在模数转换电子晶圆模块21和计算判断电子晶圆模块22二者相互独立的方案中，则必要的运行控制电路、数据传输接口电路等则可以集成在计算判断电子晶圆模块22中，用以实现电路工作的运行控制以及对处理所得信号的对外传输控制等必要功能。

这样设计的优点在于，模数转换电路和计算判断处理电路分别独立集成在不同晶圆模块，从而使得模数转换电子晶圆模块上模数转换电路的信号输入端口数量可以根据集成式状态监测边缘计算器中微机电传感元件的数量、多通道信号采集电子晶圆中的信号采集电路通道数量进行独立的匹配设计，而计算判断电子晶圆模块则无需根据通道数量进行硬件电路的改变，只需进行计算判断软件算法的匹配即可，更有利于硬件电路的开发和生产成本的控制。

不仅如此，模数转换电子晶圆模块和计算判断电子晶圆模块的分模块独立设计，也更有利于集成式状态监测边缘计算器内部结构根据不同情况的紧凑性设计。

例如，在设备监测所需的微机电传感元件的数量较多（例如需要四个以上）的情况下，考虑到集成式状态监测边缘计算器内多个微机电传感元件若并行排列或阵列排列平铺布置在模数转换电子晶圆模块上，已经需要占用较大的横向布置空间，这时如果其所占用横向布置空间的下方已经有足够的平铺布置空间，则可以设计将模数转换电子晶圆模块和计算判断电子晶圆模块布置在微机电传感元件下方区域的同一平面上，以有利于集成式状态监测边缘计算器产品的扁平化紧凑空间设计。并且，考虑到多个微机电传感元件需要一定间隔且均最好布置于模数转换电子晶圆模块上方以便于电路信号连接，则作为进一步的结构优化设计方案，如图7所示，可以将多通道信号采集电子晶圆采用由多个单通道信号采集电子晶圆模块31组合构成的设计方案，实现单个微机电传感元件与单通道信号采集电子晶圆模块31的一对一配合结构设计（最好是采用键合工艺将单个微机电传感元件键合布置在一个单通道信号采集电子晶圆模块31上，有利于降低微机电传感元件与单通道信号采集电子晶圆模块31的竖向组合结构空间）；同时，模数转换电子晶圆模块21可通过切割加工等方式将整体设计加工为环状，且其中部孔洞能够容纳布置计算判断电子晶圆模块22，而计算判断电子晶圆模块22在与模数转换电子晶圆模块21布设于同一平面时则布置在模数转换电子晶圆模块21的环状中部孔洞中，使得模数转换电子晶圆模块21相对于计算判断电子晶圆模块22环绕布置，模数转换电子晶圆模块21上模数转换电路的输出信号端可以通过导电端子70与计算判断电子晶圆模块22上计算判断处理电路的数据输入端进行电连接，这样便可以将多组微机电传感元件与单通道信号采集电子晶圆模块31的一对一配合结构（该配合结构在图7中以虚线示出，以便于展示模数转换电子晶圆模块与计算判断电子晶圆模块的分布结构）间隔分布布置在环状的模数转换电子晶圆模块21的上方空间区域，在实现扁平化紧凑空间布局结构的同时，也便于实现各个单通道信号采集电子晶圆模块31与模数转换电子晶圆模块21之间的电路连接装配。

而对于另一种情况，在设备监测所需的微机电传感元件的数量较少（例如只需两个或三个）的情况下，若为了在尽可能减少对横向空间的占用并实现结构紧凑性设计，集成式状态监测边缘计算器的内部布置结构则可以采用层叠式设计的方案；即，如图8所示，此情况下同样可以将多通道信号采集电子晶圆采用由多个单通道信号采集电子晶圆模块31组合构成的设计方案，实现单个微机电传感元件40与单通道信号采集电子晶圆模块31的一对一配合结构设计（同样的，最好是采用键合工艺将单个微机电传感元件40键合布置在一个单通道信号采集电子晶圆模块31上，有利于降低微机电传感元件40与单通道信号采集电子晶圆模块31的竖向组合结构空间），并且，各个单通道信号采集电子晶圆模块31采用层叠布置；而相应的，模数转换电子晶圆模块21和计算判断电子晶圆模块22也采用层叠布置，且模数转换电子晶圆模块21最好布置在计算判断电子晶圆模块22上方（同时也最好是采用键合工艺将模数转换电子晶圆模块21键合布置在计算判断电子晶圆模块22上，有利于降低模数转换电子晶圆模块21与计算判断电子晶圆模块22的竖向组合结构空间）；这样，便可以将层叠布置的多组微机电传感元件40与单通道信号采集电子晶圆模块31的一对一配合结构设置在模数转换电子晶圆模块21的上方，实现竖向层叠的紧凑空间布局结构。

在上述各个单通道信号采集电子晶圆模块采用层叠布置的设计方式中，作为其具体的结构设计而言，其中位于上方的单通道信号采集电子晶圆模块31与计算处理电子晶圆进行电连接的导电端子70可以设计为绕过位于下方的单通道信号采集电子晶圆模块31的形式（例如图8所示），也可以设计为位于上方的单通道信号采集电子晶圆模块31与计算处理电子晶圆进行电连接的导电端子70穿过位于下方的单通道信号采集电子晶圆模块31的形式（例如图9所示），此时当然需要设计保证单通道信号采集电子晶圆模块31与计算处理电子晶圆进行电连接的导电端子70与其穿过的单通道信号采集电子晶圆模块31上的电路之间相互电隔离；其电隔离的具体实现方式，可以是在位于下方的单通道信号采集电子晶圆模块上设置端子过孔，位于上方的单通道信号采集电子晶圆模块与计算处理电子晶圆进行电连接的导电端子间隙配合的穿过所述端子过孔，或者可以进一步的在导电端子与端子过孔的侧壁之间的间隙进一步填充绝缘材料，用以在实现电隔离的同时对导电端子加以更好的结构固定。

并且，作为更进一步优化的结构设计，在上述各个单通道信号采集电子晶圆模块采用层叠布置的设计方式中，如图8、9、10示例所示，还可以采用绝缘材料（例如芯片封装材料等）加工形成竖向设置的绝缘连接板60，将层叠布置的各个单通道信号采集电子晶圆模块31的端侧加以固定连接，使得层叠布置的多组微机电传感元件40与单通道信号采集电子晶圆模块31的一对一配合结构之间通过该绝缘连接板60固定连接形成一个整体结构，具体加工实施时，可以采用现有的芯片封装工艺等方式加工制作该绝缘连接板60实现对层叠布置的各个单通道信号采集电子晶圆模块31的固定连接，即相当于对于层叠布置的多组微机电传感元件40与单通道信号采集电子晶圆模块31的一对一配合结构进行一次预封装使其构成一个整体部件，再连接布置到模数转换电子晶圆模块21上；绝缘连接板60所连接的区域和面积可以根据实际需要而确定，可以设计连接层叠布置的各个单通道信号采集电子晶圆模块31端侧的局部区域（例如图8所示），也可以设计连接层叠布置的各个单通道信号采集电子晶圆模块31端侧的整个周向区域（即相当于实现周侧全封装连接，例如图10所示）。除此之外，在此基础上，如图9和图10所示，还可以进一步的在绝缘连接板60上布置电磁屏蔽材料层61，用以屏蔽微机电传感元件及信号采集电路与外界之间的电磁干扰，从而有利于减少信号采集电路与计算处理电子晶圆之间的信号互扰问题；同样的，布置电磁屏蔽材料层61的区域可以是需要进行电磁屏蔽的局部方向区域，也可以是层叠布置的各个单通道信号采集电子晶圆模块的整个周向区域（即相当于实现周侧全方向的电磁屏蔽；当然，该方式不适用于需要借助电磁感应的微机电传感元件的使用场景）。

针对于内部结构采用层叠式结构设计的集成式状态监测边缘计算器（例如图8、9、10所示示例），其具体制造方法的步骤流程如下：

步骤1）获得计算判断电子晶圆模块、具备多个模拟信号输入端口的模数转换电子晶圆模块、多个单通道信号采集电子晶圆模块、以及多个微机电传感元件；这些器件的获得，可以是预先加工制备得到，或是预先通过买获得；

步骤2）采用键合工艺将每个微机电传感元件分别键合布置在一个单通道信号采集电子晶圆模块上，并实现微机电传感元件的采集信号输出端与其对应的单通道信号采集电子晶圆模块上信号采集电路的信号输入端之间的电连接；

步骤3）将多个键合有微机电传感元件的单通道信号采集电子晶圆模块层叠布置，并采用绝缘材料加工形成竖向设置的绝缘连接板，将层叠布置的各个单通道信号采集电子晶圆模块的端侧加以固定连接，实现对各单通道信号采集电子晶圆模块的预封装；

步骤4）采用键合工艺将模数转换电子晶圆模块键合布置在计算判断电子晶圆模块上，并实现模数转换电子晶圆模块上模数转换电路的输出信号端与计算判断电子晶圆模块上计算判断处理电路的数据输入端之间的电连接；

步骤5）采用键合工艺将计算判断电子晶圆模块键合布置在封装衬底上，并通过导电端子将计算判断电子晶圆模块上计算判断处理电路的输出信号端口从封装衬底引出；

步骤6）将经过预封装的层叠布置的多个单通道信号采集电子晶圆模块设置在模数转换电子晶圆模块的上方，通过导电端子将各个单通道信号采集电子晶圆模块上信号采集电路的采集信号输出端分别电连接至模数转换电子晶圆模块上模数转换电路的不同信号输入端口；

步骤7）通过封装工艺将封装上盖盖合封装在封装衬底上形成封装结构，使得封装衬底与封装上盖之间形成对微机电传感元件、单通道信号采集电子晶圆模块、模数转换电子晶圆模块和计算判断电子晶圆模块的封装空间，完成封装，形成集成式状态监测边缘计算器。

在上述的制造流程中，如果需要屏蔽微机电传感元件及信号采集电路与外界之间的电磁干扰，则可以在上述步骤3中，完成对各单通道信号采集电子晶圆模块的预封装后，进一步的在绝缘连接板的外侧面上（即背向单通道信号采集电子晶圆模块的侧面上）铺设加工电磁屏蔽材料层；此外，如果需进一步的考虑对电磁屏蔽材料层的保护，则可以在电磁屏蔽材料层铺设完成后，在电磁屏蔽材料层铺的外侧面上（即背向单通道信号采集电子晶圆模块的侧面上）再次铺设绝缘连接板，形成电磁屏蔽材料层夹设在绝缘连接板内的夹层布置结构。

另外，考虑到针对工业物联网应用领域中对工业设备的工作状态监测需求场景，很多情况下都需要对设备的振动、声音、温度等信息进行同步的跟踪监测，因此针对这些需求场景所设计的集成式状态监测边缘计算器，其中集成的微机电传感元件中最好能够包括振动传感元件、声音传感元件和温度传感元件（当然，根据不同的实际需求还可以同时布置其它类型的微机电传感元件），振动传感元件、声音传感元件和温度传感元件都采用MEMS工艺制备，并键合在多通道信号采集电子晶圆上，并且每个微机电传感元件分别与多通道信号采集电子晶圆上的一个通道的信号采集电路的信号输入端进行电连接，实现对应一路感测信号的采集，然后分别传输至计算处理电子晶圆上的模数转换电路进行处理，实现至少振动、声音、温度信息的感测采集功能。此外，作为一种特殊设计考虑，如果采用上述的多通道信号采集电子晶圆由多个单通道信号采集电子晶圆模块组合构成、且各个单通道信号采集电子晶圆模块层叠布置的设计方式，则振动传感元件、声音传感元件和温度传感元件也相应形成了层叠布置的方式，在此设计场景下，各微机电传感元件最优选的层叠布置顺序是：温度传感元件布置于最上方的单通道信号采集电子晶圆模块上，声音传感元件布置于最下方的单通道信号采集电子晶圆模块上，而振动传感元件则可布置于位于中部的单通道信号采集电子晶圆模块上；这样的布置方式，更有利于温度传感元件利用最上方空间感测温度，声音传感元件利用层叠结构的最下层借助集成式状态监测边缘计算器的固态结构作为传声介质感测采集到被监测设备的声音信息，而振动传感元件则随集成式状态监测边缘计算器整体与被监测设备一起振动则能够实现对被监测设备振动信息的感测，因此振动传感元件的布置位置要求相对更为宽松灵活。

综上所述，本发明基于微机电传感器融合的集成式状态监测边缘计算器，通过把信号采集电路、计算处理电路分别集成在不同的多通道信号采集电子晶圆和计算处理电子晶圆上，把多通道信号采集电子晶圆设计布置在计算处理电子晶圆上，实现了采集电路与计算处理电路的层叠设计，减小了采集电路和计算处理电路整体占用的横向布设面积，同时还把多个微机电传感元件布置在多通道信号采集电子晶圆上，在具备基于多种信息传感检测的设备状态边缘计算能力的基础上，同时实现了传感元件、采集电路、计算处理电路结构的紧凑性集成布局设计，有利于兼顾实现状态监测边缘计算器产品的小型化；同时，还可以进一步的通过对多通道信号采集电子晶圆的结构优化设计，使得对多路微机电传感元件的信号采集更容易在兼容性和处理性能上达到最优，减少不同通道间的信号互扰问题，提升集成式状态监测边缘计算器产品的工作稳定性；此外，还可以进一步的通过对多通道信号采集电子晶圆、计算处理电子晶圆之间的配合结构布局设计，根据不同应用场景的需要实现集成式状态监测边缘计算器产品内部的扁平化紧凑空间布局以及竖向层叠的紧凑空间布局设计。由此可见，本发明的集成式状态监测边缘计算器解决方案，能够更好的满足工业物联网应用中对具备多种信息传感检测的状态监测边缘计算器产品的小型化和工作稳定性需求，具备很好的市场应用前景。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (4)

1.一种基于微机电传感器融合的集成式状态监测边缘计算器，其特征在于，包括封装结构，以及布置在封装结构内的计算处理电子晶圆、多通道信号采集电子晶圆和多个微机电传感元件；

所述多通道信号采集电子晶圆布置在计算处理电子晶圆上，多通道信号采集电子晶圆上形成有多个通道的信号采集电路，且各不同通道的信号采集电路的信号输出端分别通过导电端子与计算处理电子晶圆上的不同信号输入端口进行电连接；

所述多个微机电传感元件布置在多通道信号采集电子晶圆上，且各个微机电传感元件的采集信号输出端分别通过导电端子与多通道信号采集电子晶圆上不同通道的信号采集电路的信号输入端进行电连接；

所述计算处理电子晶圆上形成有计算判断处理电路以及具备多个信号输入端口的模数转换电路；所述模数转换电路用于分别对来自各个信号输入端口的模拟信号进行模数转换处理，将处理出的数字信号传输至计算判断处理电路；所述计算判断处理电路用于根据来自多个微机电传感元件的采集信号经过处理后得到的数字信号，综合计算和判断所监测设备的工作运行状态；所述计算处理电子晶圆是由模数转换电子晶圆模块和计算判断电子晶圆模块组合构成，所述具备多个信号输入端口的模数转换电路集成在模数转换电子晶圆模块上，所述计算判断处理电路集成在计算判断电子晶圆模块上，且模数转换电子晶圆模块上模数转换电路的输出信号端通过导电端子与计算判断电子晶圆模块上计算判断处理电路的数据输入端进行电连接；所述多通道信号采集电子晶圆布置在计算处理电子晶圆中的模数转换电子晶圆模块上；

所述多通道信号采集电子晶圆是由多个单通道信号采集电子晶圆模块组合构成，每个单通道信号采集电子晶圆模块上形成有一个单通道的信号采集电路；各个微机电传感元件分别布置在不同的单通道信号采集电子晶圆模块上；

各个所述单通道信号采集电子晶圆模块为层叠布置在计算处理电子晶圆上，且对于层叠布置的多组微机电传感元件与单通道信号采集电子晶圆模块的一对一配合结构进行一次预封装使其构成一个整体部件，再连接布置到模数转换电子晶圆模块上；

所述集成式状态监测边缘计算器的制造方法步骤流程如下：

步骤1）获得计算判断电子晶圆模块、具备多个模拟信号输入端口的模数转换电子晶圆模块、多个单通道信号采集电子晶圆模块、以及多个微机电传感元件；这些器件的获得，可以是预先加工制备得到，或是预先通过买获得；

步骤2）采用键合工艺将每个微机电传感元件分别键合布置在一个单通道信号采集电子晶圆模块上，并实现微机电传感元件的采集信号输出端与其对应的单通道信号采集电子晶圆模块上信号采集电路的信号输入端之间的电连接；

步骤3）将多个键合有微机电传感元件的单通道信号采集电子晶圆模块层叠布置，并采用绝缘材料加工形成竖向设置的绝缘连接板，将层叠布置的各个单通道信号采集电子晶圆模块的端侧加以固定连接，实现对各单通道信号采集电子晶圆模块的预封装；

步骤4）采用键合工艺将模数转换电子晶圆模块键合布置在计算判断电子晶圆模块上，并实现模数转换电子晶圆模块上模数转换电路的输出信号端与计算判断电子晶圆模块上计算判断处理电路的数据输入端之间的电连接；

步骤5）采用键合工艺将计算判断电子晶圆模块键合布置在封装衬底上，并通过导电端子将计算判断电子晶圆模块上计算判断处理电路的输出信号端口从封装衬底引出；

步骤6）将经过预封装的层叠布置的多个单通道信号采集电子晶圆模块设置在模数转换电子晶圆模块的上方，通过导电端子将各个单通道信号采集电子晶圆模块上信号采集电路的采集信号输出端分别电连接至模数转换电子晶圆模块上模数转换电路的不同信号输入端口；

步骤7）通过封装工艺将封装上盖盖合封装在封装衬底上形成封装结构，使得封装衬底与封装上盖之间形成对微机电传感元件、单通道信号采集电子晶圆模块、模数转换电子晶圆模块和计算判断电子晶圆模块的封装空间，完成封装，形成集成式状态监测边缘计算器。

2.根据权利要求1所述基于微机电传感器融合的集成式状态监测边缘计算器，其特征在于，位于上方的单通道信号采集电子晶圆模块与计算处理电子晶圆进行电连接的导电端子绕过位于下方的单通道信号采集电子晶圆模块；或者，位于上方的单通道信号采集电子晶圆模块与计算处理电子晶圆进行电连接的导电端子穿过位于下方的单通道信号采集电子晶圆模块，且所述导电端子与其穿过的单通道信号采集电子晶圆模块上的电路之间相互电隔离。

3.根据权利要求1所述基于微机电传感器融合的集成式状态监测边缘计算器，其特征在于，所述绝缘连接板上还设置有电磁屏蔽材料层。

4.根据权利要求3所述基于微机电传感器融合的集成式状态监测边缘计算器，其特征在于，所述电磁屏蔽材料层夹设在所述绝缘连接板内，或者铺设在所述绝缘连接板背向单通道信号采集电子晶圆模块的侧面上。

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