CN207800604U - 一种芯片的集成装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种芯片的集成装置，在第一薄膜、第二薄膜上分别设置有第一压敏电阻、第二压敏电阻；第一压敏电阻、第二压敏电阻分别被构造成惠斯通电路，且分别被配置为输出表征第一薄膜、第二薄膜形变的电信号；在薄膜层上经掺杂还形成有PN结，PN结形成用于检测温度的二极管。本实用新型的集成装置，可以大大降低封装的尺寸，简化了芯片安装的工序。
Description
技术领域
本实用新型涉及传感器领域，更具体地，本实用新型涉及温度传感器、湿度传感器、温度传感器的集成。
背景技术
随着工业数字化、智能化发展，传感器在可穿戴设备、智能家居、智慧交通、工业制造等领域中得到了广泛的应用。而且，随着科技的发展以及用户要求的提高，传感器目前正朝着智能化、集成化、微型化的趋势发展。
气压、温度和湿度是与人们日常生活息息相关的三个物理量，其中气压数据可以用来探测垂直方向的高度变化来进行运动监测、室内导航及辅助气象预报。温度数据可以反映环境或者终端内部的温度状态。湿度数据可以用来检测环境湿度，湿度过小会增加呼吸系统负担，湿度过大会增加霉菌的滋生。因此这三类传感器被广泛应用在智能穿戴及智能家居等领域。
现有的电子设备，都是在电路板上分别贴装压力传感器芯片、湿度传感器芯片、温度传感器芯片，这不但占用了较大的电路板的面积，而且贴装工艺繁琐。
实用新型内容
本实用新型的一个目的是提供了一种芯片的集成装置。
根据本实用新型的一个方面，提供一种芯片的集成装置，包括衬底，以及形成在衬底上的第一内腔、第二内腔，还包括覆盖在衬底上的薄膜层，所述薄膜层覆在第一内腔的部分记为第一薄膜，覆盖在第二内腔的部分记为第二薄膜；在所述第一薄膜、第二薄膜上还分别设置有第一压敏电阻、第二压敏电阻；所述第一压敏电阻、第二压敏电阻分别被构造成惠斯通电路，且分别被配置为输出表征第一薄膜、第二薄膜形变的电信号；
其中，所述第一内腔为真空腔，所述第一薄膜被配置为对气压敏感；所述第二内腔与外界连通，在所述第二薄膜上铺设有湿敏材料，且共同被配置为对湿度敏感；
在所述薄膜层上经掺杂还形成有PN结，所述PN结形成用于检测温度的二极管。
可选地，所述第一薄膜、第二薄膜的位置经过轻掺杂分别形成四个第一压敏电阻以及四个第二压敏电阻，所述第一薄膜、第二薄膜的位置经过重掺杂分别形成用于将四个第一压敏电阻连接成惠斯通电路，以及将四个第二压敏电阻连接成另一惠斯通电路的导电部。
可选地，所述四个第一压敏电阻的初始阻值相等；所述四个第二压敏电阻的初始阻值相等。
可选地，还包括覆盖在薄膜层上的钝化层。
可选地，所述湿敏材料设置在钝化层上对应第二内腔的位置。
可选地，所述钝化层上还设置有用于将导电部露出的开窗，在所述开窗的位置形成与导电部连接在一起的焊盘。
可选地，所述湿敏材料为聚酰亚胺。
可选地，所述薄膜层键合在衬底上。
可选地，所述薄膜层、衬底均为单晶硅材质。
可选地，所述第二内腔通过设置在第二薄膜位置的通孔与外界连通。
本实用新型提出了一种新的传感器芯片结构，在同一个芯片上集成了气压、湿度和温度三种传感器，利用压敏电阻的压阻效应、惠斯通电桥电路来测量环境的气压和湿度变化，利用热敏二极管来测量环境温度。本实用新型的集成装置，可以大大降低封装的尺寸，简化了芯片安装的工序。
通过以下参照附图对本实用新型的示例性实施例的详细描述，本实用新型的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
构成说明书的一部分的附图描述了本实用新型的实施例，并且连同说明书一起用于解释本实用新型的原理。
图1是本实用新型集成装置的剖面图。
图2是本实用新型集成装置的俯视图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本实用新型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实用新型的范围。
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，决不作为对本实用新型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和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术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。
为了减小封装的整体尺寸，本实用新型提供了一种芯片的集成装置，其包括衬底1，在所述衬底1的上端设置有压力传感器结构、湿度传感器结构，以及温度传感器结构，使得可以将压力传感器、湿度传感器、温度传感器集成在同一个芯片上。
参考图1，具体地，本实用新型的集成装置，在衬底1上设置有第一内腔4、第二内腔5。衬底1可以采用单晶硅材料，例如硅晶圆，在硅晶圆上可通过湿法刻蚀(KOH溶液)的方式形成第一内腔4、第二内腔5。
还包括覆盖在衬底1上的薄膜层，所述薄膜层覆在第一内腔4的部分记为第一薄膜2，覆盖在第二内腔5的部分记为第二薄膜3。薄膜层也可以采用单晶硅材质。
薄膜层与衬底1可以采用键合的方式，例如在本实用新型一个具体的实施方式中，可以采用另一硅晶圆键合在作为衬底1的硅晶圆上，之后对衬底1上方的硅晶圆进行减薄，以形成薄膜层。
所述薄膜层覆盖在整个衬底1的上方，其中第一薄膜2覆盖在第一内腔4的位置，使得第一内腔4构成了真空腔结构。该第一薄膜2可以作为对压力敏感的感应膜，当外界压力发生变化时，第一薄膜2会感应外界压力的变化并发生相应的形变。
第二薄膜3覆盖在第二内腔5的位置，由于两个硅晶圆是在真空的环境中进行键合的，因此键合完成后第二内腔5也是真空腔结构。为了使第二内腔5与外界连通，在所述第二薄膜3上设置有连通所述第二内腔5与外界的通孔10。
为了使第二薄膜3可以随外界湿度变化而发生形变，在所述第二薄膜3上铺设有湿敏材料9。该湿敏材料9可以是本领域技术人员所熟知的对湿度敏感的材质，例如聚酰亚胺等。当外界湿度发生变化时，该湿敏材料9会吸收周围环境中的水分子，造成自身的膨胀，从而带动第二薄膜3发生变形。
本实用新型的集成装置，在所述第一薄膜2、第二薄膜3上还分别设置有第一压敏电阻6、第二压敏电阻7；所述第一压敏电阻6、第二压敏电阻7分别被构造成惠斯通电路，且分别被配置为输出表征第一薄膜2、第二薄膜3形变的电信号。
例如可以对第一薄膜2、第二薄膜3的位置分别通过离子注入的方式进行轻掺杂，掺杂的材料可以是硼元素。第一薄膜2、第二薄膜3上经过轻掺杂的区域形成了压敏电阻。为了将各压敏电阻的信号引出，还可以在第一薄膜2、第二薄膜3上相应的位置进行重掺杂，形成与各压敏电阻导通的导电部8。通过该导电部8可以将各压敏电阻的信号引出。这种在单晶硅片上进行重掺杂、轻掺杂的工艺属于本领域技术人员的公知常识，在此不再具体赘述。
其中第一薄膜2位置的第一压敏电阻6可以设置有一个，此时可通过外部的电路将该第一压敏电阻6连接到惠斯通电路中。在本实用新型一个优选的实施方式中，第一薄膜2位置的第一压敏电阻6可以设置有四个，通过导电部8将该四个第一压敏电阻6布置成惠斯通电路，每个第一压敏电阻6构成惠斯通电桥的一个臂。
基于同样的道理，第二薄膜3位置的第二压敏电阻7可以设置有一个，可通过外部的电路将该第二压敏电阻7连接到惠斯通电路中。在本实用新型一个优选的实施方式中，第二薄膜3位置的第二压敏电阻7可以设置有四个，通过导电部8将该四个第二压敏电阻7布置成惠斯通电路，每个第二压敏电阻7构成惠斯通电桥的一个臂。
当外界的压力发生变化时，第一薄膜2会随之发生变形，变形产生的应力作用在第一压敏电阻6上，使得第一压敏电阻6的阻值发生变化，通过惠斯通电桥可以测量电压的变化量，来表征第一薄膜2形变的程度，并推测外界压力的变化量。
当外界的湿度发生变化时，湿敏材料9会带动第二薄膜3发生形变，变形产生的应力作用在第二压敏电阻7上，使得第二压敏电阻7的阻值发生变化，通过惠斯通电桥可以测量电压的变化量，来表征第二薄膜3形变的程度，并推测外界湿度的变化量。
在本实用新型一个优选的实施方式中，当第一压敏电阻6设置有多个时，该多个第一压敏电阻6均匀分布在第一薄膜2上，使得该多个第一压敏电阻6可以尽可能地表达第一薄膜2的整体形变程度。
基于相同的道理，多个第二压敏电阻7均匀分布在第二薄膜3上，使得该多个第二压敏电阻7可以尽可能地表达第二薄膜3的整体形变程度。
其中，惠斯通电桥中的四个第一压敏电阻6的初始阻值优选相等；惠斯通电桥中的四个第二压敏电阻7的初始阻值优选相等，这属于本领域技术人员的公知常识，在此不再具体说明。
本实用新型的集成装置，在第一薄膜2、第二薄膜3的位置掺杂形成压敏电阻的时候，还可以在薄膜层上掺杂形成PN结，所述PN结形成用于检测温度的二极管13。参考图2，可以利用二极管13在不同的温度下，二极管13两端的偏置电压不同，实现温度的测量。
在本实用新型一个优选的实施方式中，为了保护薄膜层，在所述薄膜层的外壁还覆盖有一层钝化层11。钝化层11可以选用本领域技术人员所熟知的氮化硅材质，其可通过沉积的方式形成在薄膜层上，在此不再具体说明。
其中需要注意的是，湿度传感器中的湿敏材料9可以设置在钝化层11与第二薄膜3之间，优选设置在钝化层11上对应第二内腔5的位置。
为了将各惠斯通电路的信号引出，在钝化层11上还设置有开窗，以将钝化层11底下的导电部8露出，在所述开窗的位置形成与导电部8连接的焊盘12，这种焊盘12的设置属于本领域技术人员的公知常识，在此不再具体说明。
本实用新型提出了一种新的传感器芯片结构，在同一个芯片上集成了气压、湿度和温度三种传感器，利用压敏电阻的压阻效应、惠斯通电桥电路来测量环境气压和湿度变化，利用热敏二极管来测量环境温度。本实用新型的集成装置，可以大大降低封装的尺寸，简化了芯片安装的工序。
虽然已经通过示例对本实用新型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，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本实用新型的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本实用新型的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本实用新型的范围由所附权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种芯片的集成装置，其特征在于：包括衬底，以及形成在衬底上的第一内腔、第二内腔，还包括覆盖在衬底上的薄膜层，所述薄膜层覆在第一内腔的部分记为第一薄膜，覆盖在第二内腔的部分记为第二薄膜；在所述第一薄膜、第二薄膜上还分别设置有第一压敏电阻、第二压敏电阻；所述第一压敏电阻、第二压敏电阻分别被构造成惠斯通电路，且分别被配置为输出表征第一薄膜、第二薄膜形变的电信号；
其中，所述第一内腔为真空腔，所述第一薄膜被配置为对气压敏感；所述第二内腔与外界连通，在所述第二薄膜上铺设有湿敏材料，且共同被配置为对湿度敏感；
在所述薄膜层上经掺杂还形成有PN结，所述PN结形成用于检测温度的二极管。
2.根据权利要求1所述的集成装置，其特征在于：所述第一薄膜、第二薄膜的位置经过轻掺杂分别形成四个第一压敏电阻以及四个第二压敏电阻，所述第一薄膜、第二薄膜的位置经过重掺杂分别形成用于将四个第一压敏电阻连接成惠斯通电路，以及将四个第二压敏电阻连接成另一惠斯通电路的导电部。
3.根据权利要求2所述的集成装置，其特征在于：所述四个第一压敏电阻的初始阻值相等；所述四个第二压敏电阻的初始阻值相等。
4.根据权利要求2所述的集成装置，其特征在于：还包括覆盖在薄膜层上的钝化层。
5.根据权利要求4所述的集成装置，其特征在于：所述湿敏材料设置在钝化层上对应第二内腔的位置。
6.根据权利要求4所述的集成装置，其特征在于：所述钝化层上还设置有用于将导电部露出的开窗，在所述开窗的位置形成与导电部连接在一起的焊盘。
7.根据权利要求1所述的集成装置，其特征在于：所述湿敏材料为聚酰亚胺。
8.根据权利要求1所述的集成装置，其特征在于：所述薄膜层键合在衬底上。
9.根据权利要求8所述的集成装置，其特征在于：所述薄膜层、衬底均为单晶硅材质。
10.根据权利要求1所述的集成装置，其特征在于：所述第二内腔通过设置在第二薄膜位置的通孔与外界连通。
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Cited By (2)
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| CN109341932A (zh) * | 2018-11-09 | 2019-02-15 | 青岛歌尔微电子研究院有限公司 | 一种压力传感器芯片及其制造方法 |
| WO2024041431A1 (zh) * | 2022-08-23 | 2024-02-29 | 歌尔微电子股份有限公司 | 集成器件、电子设备及集成器件的制作方法 |
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| CN109341932B (zh) * | 2018-11-09 | 2024-02-02 | 青岛歌尔微电子研究院有限公司 | 一种压力传感器芯片及其制造方法 |
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