CN117029908A - Mems传感器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种MEMS传感器及其制作方法，该传感器包括封装壳体、红外传感器件和惯性传感器件，红外传感器件与惯性传感器件键合并且被封装于封装壳体内，红外传感器件与惯性传感器件共用ASIC电路。本发明提供的传感器能同时发挥红外探测功能和惯性传感器件的检测功能，而不必进行检测模式的切换，因此可以减少探测器数量、提高传感器的工作可靠性，降低传感器生产成本；将红外传感器件和惯性传感器件集成并且共用ASIC电路，器件集成度高、占用空间小，利于传感器的小型化设计和工业化应用。

Description

MEMS传感器及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种MEMS传感器及其制作方法。
背景技术
惯性传感器件是对物理运动做出反应的器件，并将这种反应转换成电信号，通过电子电路进行放大和处理。惯性传感器件中的MEMS陀螺仪是测量载体相对空间角速率的传感器，可以感知和测量载体的角运动状态和变化；惯性传感器件中的MEMS加速度计是测量载体线加速度的传感器，可以感知和测量载体的线运动状态和变化。将MEMS加速度计、陀螺仪、信号处理电路等功能零件集成在硅芯片内，内置算法，可实现芯片级制导、导航、定位等功能。
红外热成像是将不可见的红外辐射变为可见的热像图，并且能反映出目标表面的温度分布状态。不同物体甚至同一物体不同部位辐射能力和它们对红外线的反射强弱不同，利用物体与背景环境的辐射差异以及景物本身各部分辐射的差异，红外热像图能够呈现景物各部分的辐射起伏，从而显示出景物的特征。非制冷红外焦平面探测器就是一种成像传感器，其工作在室温附近，可将目标的入射红外辐射转换为电学视频信号。
目前，对于配置有惯性传感器件和红外传感器的设备，一般惯性传感器件和红外传感器是分体布置的，二者需要分别占用一定的布置空间，对于消费电子、无人机等空间本就有限的设备，这无疑是不利于这些设备的小型化设计的，提高了这些设备的生产成本。
发明内容
本发明涉及一种MEMS传感器及其制作方法，至少可解决现有技术的部分缺陷。
本发明涉及一种MEMS传感器，包括封装壳体、红外传感器件和惯性传感器件，所述红外传感器件与所述惯性传感器件键合并且被封装于所述封装壳体内，其中，所述红外传感器件与所述惯性传感器件共用ASIC电路。
作为实施方式之一，所述惯性传感器件上方键合所述红外传感器件。
作为实施方式之一，所述红外传感器件包括衬底层和红外焦平面像元阵列，所述衬底层上制作有所述ASIC电路和红外信号引出结构，所述红外信号引出结构分别与所述ASIC电路以及所述封装壳体上的信号管脚电性连接。
作为实施方式之一，所述惯性传感器件包括上盖板、器件层和下盖板，所述器件层为刻蚀有惯性敏感结构的晶圆层。
作为实施方式之一，所述下盖板上制作有惯性传感信号线和惯性信号引出结构，所述惯性传感信号线分别与所述惯性敏感结构和所述惯性信号引出结构电性连接，所述惯性信号引出结构分别与所述ASIC电路以及所述封装壳体上的信号管脚电性连接。
作为实施方式之一，所述惯性传感器件包括陀螺仪和/或加速度计。
作为实施方式之一，采用TSV技术实现所述红外传感器件、所述惯性传感器件与所述封装壳体上的信号管脚之间的电性连接。
作为实施方式之一，所述ASIC电路包括红外ASIC电路和惯性器件ASIC电路。
本发明还涉及上述MEMS传感器的制作方法，包括：
分别制作所述红外传感器件和所述惯性传感器件，将所述红外传感器件与所述惯性传感器件键合后封装于封装壳体内。
进一步地，所述制作红外传感器件的方法包括：
在衬底层上制作ASIC电路，所述ASIC电路包括红外ASIC电路和惯性器件ASIC电路；
在衬底层上制作牺牲层；
在牺牲层上制作红外焦平面像元阵列；
释放牺牲层；
进行封装，形成所述红外传感器件。
本发明至少具有如下有益效果：
本发明中，将MEMS红外传感器与惯性传感器件连接形成为集成器件并进行封装，能同时发挥红外探测功能和惯性传感器件的检测功能，而不必进行检测模式的切换，因此可以减少探测器数量、提高传感器的工作可靠性，降低传感器生产成本，器件集成度高、占用空间小，利于传感器的小型化设计和工业化应用，例如可广泛应用于消费电子、汽车电子、工业、VR、无人机、无人驾驶、机器人、智能制造及高端工业领域。
本发明中，红外传感器件和惯性传感器件共用ASIC电路，也即将二者的ASIC电路设计在一张电路板上，集成度高，可以减少部件数量、节约器件占用空间。
本发明进一步具有如下有益效果：
通过TSV通孔技术，将红外传感器件的ASIC电路信号和惯性传感器件的ASIC电路信号同时引出到器件底端，直接与封装壳体上的信号管脚相连，可以减少打线工艺，简化封装流程，实现快速集成化封装。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的MEMS传感器的结构示意图；
图2为红外传感器件的制作过程图；
图3为惯性传感器件的制作过程图。
具体实施方式
下面对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1，本发明实施例提供一种MEMS传感器，包括封装壳体14、红外传感器件11和惯性传感器件12，所述红外传感器件11与所述惯性传感器件12键合并且被封装于所述封装壳体14内，其中，所述红外传感器件11与所述惯性传感器件12共用ASIC电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，专用集成电路)。
红外传感器件11与惯性传感器件12连接构成为一集成器件，封装壳体14用于封装该集成器件。其中，上述封装壳体14上设有信号管脚。
优选地，所述红外传感器件11叠设于所述惯性传感器件12的上方，红外传感器件11可正常吸收红外辐射，同时，这种结构可以相应地减少器件占用空间，也便于两个器件共用ASIC电路的结构设计。
红外传感器件11和惯性传感器件12共用ASIC电路，也即将二者的ASIC电路设计在一张电路板上，集成度高，可以减少部件数量、节约器件占用空间。优选地，ASIC电路包括红外ASIC电路和惯性器件ASIC电路，例如红外ASIC电路和惯性器件ASIC电路被集成在一张晶圆上，其中，红外传感器件11与红外ASIC电路电性连接，惯性传感器件12与惯性器件ASIC电路电性连接。
在其中一个实施例中，如图1，所述红外传感器件11包括连接在所述惯性传感器件12顶部的衬底层112以及形成在所述衬底层112上的红外焦平面像元阵列111，所述衬底层112上制作有ASIC电路和红外信号引出结构，所述红外信号引出结构分别与所述ASIC电路(具体为其中的红外ASIC电路)以及所述封装壳体14上的信号管脚电性连接。
其中，优选地，上述衬底层112采用晶圆衬底。
其中，如图1和图2，上述红外传感器件11还包括红外封装盖板113，该红外封装盖板113优选为键合在衬底层112上，从而将红外焦平面像元阵列111封装在内。
上述红外封装盖板113容许红外光透过；对于上述封装壳体14，其上部容许红外光透过，或者具有容许红外光透过的红外窗口，可在红外窗口处设置透镜聚焦，可以提高红外传感器的检测精度和响应速度。
在其中一个实施例中，上述惯性传感器件12可以是加速度计和/或陀螺仪等，例如是将MEMS加速度计和陀螺仪等集成在一起，惯性传感器件12感知线振动和/或角速率变化，达到感知和测量载体的运动状态和变化的目的。
进一步地，如图1和图3，所述惯性传感器件12包括上盖板121、器件层122和下盖板123，其中，器件层122夹设在上盖板121与下盖板123之间，所述器件层122为刻蚀有惯性敏感结构的晶圆层。
其中，上盖板121和下盖板123可以采用晶圆制作而成，器件层122与上盖板121之间、器件层122与下盖板123之间可进行键合连接。进一步地，上盖板121与上述衬底层112之间可以键合，则实现了红外传感器件11与惯性传感器件12之间的连接。
优选地，所述下盖板123上制作有惯性传感信号线和惯性信号引出结构，所述惯性传感信号线分别与所述惯性敏感结构和所述惯性信号引出结构电性连接，所述惯性信号引出结构分别与所述ASIC电路(具体为其中的惯性器件ASIC电路)以及所述封装壳体14上的信号管脚电性连接。
在其中一个实施例中，采用TSV技术实现所述红外传感器件11、所述惯性传感器件12与所述封装壳体14上的信号管脚之间的电性连接。基于上述红外传感器件11和惯性传感器件12的结构，相应地：
如图1，在衬底层112上加工有一个或多个第一TSV通孔151，各第一TSV通孔151构成为上述的红外信号引出结构；
在惯性传感器件12上加工有一个或多个第二TSV通孔152，第二TSV通孔152的数量优选为与第一TSV通孔151的数量相同，各第一TSV通孔151与各第二TSV通孔152一一对应配置，其中，每一第一TSV通孔151与对应的第二TSV通孔152上下正对连通。
对于惯性传感器件12包括上盖板121、器件层122和下盖板123的情况，第二TSV通孔152依次贯通上盖板121、器件层122和下盖板123，如图1，第二TSV通孔152包括开设在上盖板121上的上层孔段、开设在器件层122上的中层孔段以及开设在下盖板123上的下层孔段，上层孔段、中层孔段与下层孔段依次正对连通。
通过TSV通孔技术，将红外传感器件11的ASIC电路信号和惯性传感器件12的ASIC电路信号同时引出到器件底端，直接与封装壳体14上的信号管脚相连，可以减少打线工艺，简化封装流程，实现快速集成化封装。
本发明实施例还涉及上述MEMS传感器的制作方法，包括：
制作所述红外传感器件11和所述惯性传感器件12，将所述红外传感器件11与所述惯性传感器件12键合后封装于封装壳体14内。
在其中一个实施例中，如图2，所述红外传感器件11的制作方法包括：
在衬底层112上制作ASIC电路，所述ASIC电路包括红外ASIC电路和惯性器件ASIC电路；例如，在衬底晶圆上集成制作红外ASIC电路和惯性器件ASIC电路；
在衬底层112上制作牺牲层110；该牺牲层110用于在制作红外焦平面像元阵列111时作为支撑；
在牺牲层110上制作红外焦平面像元阵列111；
释放牺牲层110；
进行封装，形成红外传感器件11。
采用TSV技术时，相应地，在衬底层112上加工出对应数量的第一TSV通孔151。
在其中一个实施例中，如图3，对于惯性传感器件12包括上盖板121、器件层122和下盖板123的结构，所述惯性传感器件12的制作方法包括：
分别制作上盖板121、器件层122和下盖板123，再将三者连接起来。
具体地，对于器件层122，可以在一张晶圆上刻蚀出惯性敏感结构；采用TSV技术时，相应地，在该晶圆上加工出对应数量的中层孔段；
对于下盖板123，可以在一张晶圆上制作惯性传感信号线1231；采用TSV技术时，相应地，在该晶圆上加工出对应数量的下层孔段；
对于上盖板121，提供相匹配的晶圆即可；采用TSV技术时，相应地，在该晶圆上加工出对应数量的上层孔段；
将三张晶圆进行键合即可形成惯性传感器件12。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种MEMS传感器，其特征在于：包括封装壳体、红外传感器件和惯性传感器件，所述红外传感器件与所述惯性传感器件键合并且被封装于所述封装壳体内，其中，所述红外传感器件与所述惯性传感器件共用ASIC电路。
2.如权利要求1所述的MEMS传感器，其特征在于：所述惯性传感器件上方键合所述红外传感器件。
3.如权利要求1所述的MEMS传感器，其特征在于：所述红外传感器件包括衬底层和红外焦平面像元阵列，所述衬底层上制作有所述ASIC电路和红外信号引出结构，所述红外信号引出结构分别与所述ASIC电路以及所述封装壳体上的信号管脚电性连接。
4.如权利要求1所述的MEMS传感器，其特征在于：所述惯性传感器件包括上盖板、器件层和下盖板，所述器件层为刻蚀有惯性敏感结构的晶圆层。
5.如权利要求4所述的MEMS传感器，其特征在于：所述下盖板上制作有惯性传感信号线和惯性信号引出结构，所述惯性传感信号线分别与所述惯性敏感结构和所述惯性信号引出结构电性连接，所述惯性信号引出结构分别与所述ASIC电路以及所述封装壳体上的信号管脚电性连接。
6.如权利要求1所述的MEMS传感器，其特征在于：所述惯性传感器件包括陀螺仪和/或加速度计。
7.如权利要求1所述的MEMS传感器，其特征在于：采用TSV技术实现所述红外传感器件、所述惯性传感器件与所述封装壳体上的信号管脚之间的电性连接。
8.如权利要求1-7任一项所述的MEMS传感器，其特征在于：所述ASIC电路包括红外ASIC电路和惯性器件ASIC电路。
9.一种MEMS传感器的制作方法，所述MEMS传感器如权利要求1-8任一项所述，其特征在于，包括：
分别制作所述红外传感器件和所述惯性传感器件，将所述红外传感器件与所述惯性传感器件键合后封装于封装壳体内。
10.如权利要求9所述的MEMS传感器的制作方法，其特征在于，所述制作红外传感器件的方法包括：
在衬底层上制作ASIC电路，所述ASIC电路包括红外ASIC电路和惯性器件ASIC电路；
在衬底层上制作牺牲层；
在牺牲层上制作红外焦平面像元阵列；
释放牺牲层；
进行封装，形成所述红外传感器件。
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