CN217483543U - 一种集成传感器芯片 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种集成传感器芯片，包括：MEMS惯性测量单元；信号处理单元，所述MEMS惯性测量单元包括加速度计单元、陀螺仪单元和地磁场传感器单元；所述MEMS惯性测量单元和所述信号处理单元集成在同一芯片上，以形成所述集成传感器芯片。所述集成传感器芯片降低外接信号处理电路的寄生效应对输出的影响，提高了器件集成度，大幅降低了系统集成成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及传感技术领域，具体涉及一种集成传感器芯片。
背景技术
MEMS运动传感器，即MEMS惯性(组合)传感器又称惯性测量单元(InertialMeasurement Unit，简称IMU)，通常包含速度传感器(即加速计)、角速度传感器(即陀螺仪)、磁感应传感器(即磁力计)，这三类传感器的组合就形成了三轴、六轴或九轴惯性组合传感器。
加速度计(Accelerometer、G-Sensor)也叫重力感应器，实际上是可以感知任意方向上的加速度，加速度计通过测量组件在某个轴向的受力情况来得到结果，表现形式为轴向的加速度大小和方向。加速度计包括电容式加速度计，电容式加速度计的质量块与上下极板形成差分电容，通过外界加速度使质量块位移，从而改变与上下极板间的距离，输出得到输出信号。电容式加速度计的优点是具有较好的低频相应且有直流相应，且温漂特性好，灵敏度高。
陀螺仪(Gyroscope、GYRO-Sensor)也叫地感器，陀螺仪侦测的是角速度，基于科里奥利力的原理：当一个物体在设置的坐标系中直线移动时，假设坐标系做一个旋转，那么在旋转的过程中，物体会感受到一个垂直的力和垂直方向的加速度。三轴陀螺仪的工作原理是通过测量三维坐标系内陀螺转子的垂直轴与设备之间的夹角，并计算角速度，通过夹角和角速度来判别物体在三维空间的运动状态。三轴陀螺仪可以同时测定上、下、左、右、前、后等6个方向(合成方向同样可分解为三轴坐标)，最终可判断出设备的移动轨迹和加速度。陀螺仪的原理和加速度计类似，都采用电容差分结构，可采用体硅工艺制备而成。
地磁场传感器是可以测量地球磁场，在不受磁干扰的情况下，如果知道当地的经纬度和海拔，就可以在测量地磁场方向后，利用各种地球磁场模型计算磁倾角、磁偏角，然后就可以算出位置和姿态等。磁强计采用AMR材料(NiFe合金)制备的惠斯通电桥进行磁场检测，通过表面加工工艺可以完成结构制备。
九轴运动传感器是我们手机、平板电脑、游戏机等电子产品中常用的运动感测追踪元件，被用于各类软件、游戏中的交互操控。九轴运动传感器作为集成化传感器模块，减少了电路板和全体空间，更适合用在轻盈便携的电子设备和可穿戴产品中。集成化传感器模块的数据精确度除了器材自身的精度外，还涉及到焊接装配后的纠正，以及针对不同使用的配套算法。适宜的算法能够将来自多种传感器的数据融合，弥补了单个传感器在核算精确的方位和方向时的缺乏，然后完成高精度的运动检测。
对于小型化和提高性能来说，MEMS器件与CMOS的集成化已变得越来越重要，但是大量的MEMS产品仍采用模块组装方式，虽然这种方式的开发时间短，可以独立优化MEMS器件和读出电路，但是其装配和封装成本较高。
实用新型内容
因此，本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术中压力监测系统集成度低、集成成本较高且寄生效应严重的问题，从而提供一种集成传感器芯片。
本实用新型提供一种集成传感器芯片，包括：MEMS惯性测量单元；信号处理单元，所述MEMS惯性测量单元包括加速度计单元、陀螺仪单元和地磁场传感器单元；所述MEMS惯性测量单元和所述信号处理单元集成在同一芯片上，以形成所述集成传感器芯片。
可选的，所述加速度计单元为三轴加速度计单元，所述陀螺仪单元为三轴陀螺仪单元，所述地磁场传感器单元为三轴地磁场传感器单元。
可选的，所述集成传感器芯片在集成传感器芯片的厚度方向上包括依次层设的半导体衬底层、中层器件层和顶层器件层，所述中层器件层用于集成形成所述加速度计单元的第一固定结构和第一可动结构、以及所述陀螺仪单元的第二固定结构和第二可动结构，所述顶层器件层用于集成形成所述信号处理单元和所述地磁场传感器单元。
可选的，所述顶层器件层包括：在所述顶层器件层的厚度方向上依次层设的顶层半导体层、读出电路层和介质层；位于部分所述介质层背向所述读出电路层一侧表面的各向异性磁阻层，所述各向异性磁阻层与所述读出电路层电连接；位于部分所述介质层背向所述读出电路层一侧分立设置的第一顶电极层和第二顶电极层，所述第一顶电极层与所述读出电路层电连接且与部分所述第一可动结构相对设置，所述第二顶电极层与所述读出电路层电连接与部分所述第二可动结构相对设置。
可选的，所述顶层器件层还包括：贯穿所述介质层且间隔设置的第一导电连接件、第二导电连接件和第三导电连接件，所述第一导电连接件、第二导电连接件和第三导电连接件均与所述读出电路层电连接；所述各向异性磁阻层与所述第三导电连接件电连接；所述第一顶电极层与所述第一导电连接件连接，所述第二顶电极层与所述第二导电连接件连接。
可选的，所述中层器件层中具有空腔，所述空腔与所述各向异性磁阻层相对设置。
可选的，所述顶层器件层还包括：位于部分所述介质层背向所述读出电路层一侧的第一顶键合层和第二顶键合层，所述第一顶键合层和所述第二顶键合层均分别与所述读出电路层电连接；所述中层器件层还包括：位于所述第一固定结构背向所述半导体衬底层的一侧表面的第一底层键合层，位于第二固定结构背向所述半导体衬底层一侧表面的第二底层键合层，所述第一底层键合层与所述第一顶键合层相互键合，所述第二底层键合层与所述第二顶键合层相互键合。
可选的，所述顶层器件层还包括：贯穿所述介质层的若干个第四导电连接件，所述第四导电连接件与所述读出电路层电连接；所述第一顶键合层和所述第二顶键合层均分别与部分所述第四导电连接件连接。
可选的，还包括：位于所述半导体衬底层朝向所述中层器件层的一侧表面的第一绝缘层；位于所述第一绝缘层背向所述半导体衬底层一侧表面的第一半导体底电极和第二半导体底电极，所述第一半导体底电极与所述第一顶电极层相对，所述第二半导体底电极与所述第二顶电极层相对；位于所述第一绝缘层背向所述半导体衬底层一侧表面的掺杂键合层；至少部分所述掺杂键合层与所述第一固定结构和所述第二固定结构相互键合。
本实用新型的技术方案具有以下有益效果：
本实用新型的技术方案提供的集成传感器芯片，由于所述MEMS惯性测量单元和所述信号处理单元集成在同一芯片上，不仅可以降低外接信号处理电路的寄生效应对输出的影响，提高了器件集成度，大幅降低了系统集成成本。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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他的附图。
图1为本实用新型一实施例提供的集成传感器芯片的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本实用新型一实施例提供一种集成传感器芯片，结合参考图1，包括：
MEMS惯性测量单元，所述MEMS惯性测量单元包括加速度计单元Q1、陀螺仪单元Q2和地磁场传感器单元Q3；
信号处理单元；
所述MEMS惯性测量单元和所述信号处理单元集成在同一芯片上，以形成所述集成传感器芯片。
在一个实施例中，所述加速度计单元Q1为三轴加速度计单元，所述陀螺仪单元Q2为三轴陀螺仪单元，所述地磁场传感器单元Q3为三轴地磁场传感器单元。
所述集成传感器芯片在集成传感器芯片的厚度方向上包括依次层设的半导体衬底层100、中层器件层B和顶层器件层C，所述中层器件层B用于集成形成所述加速度计单元Q1的第一固定结构223和第一可动结构221、以及所述陀螺仪单元Q2的第二固定结构224和第二可动结构222，所述顶层器件层C用于集成形成所述信号处理单元和所述地磁场传感器单元Q3。
半导体衬底层100的材料包括硅或锗硅，半导体衬底层100还可以选择其他的材料。
所述中层器件层B包括第一器件区和第二器件区，所述第一器件区用于集成形成所述加速度计单元Q1的第一固定结构223和第一可动结构221，所述第二器件区用于集成形成所述陀螺仪单元Q2的第二固定结构224和第二可动结构222。所述中层器件层还包括第三器件区，所述第三器件区中具有空腔。
所述顶层器件层C包括：在所述顶层器件层的厚度方向上依次层设的顶层半导体层300、读出电路层301和介质层302；位于部分所述介质层302背向所述读出电路层301一侧表面的各向异性磁阻层350，所述各向异性磁阻层350与所述读出电路层301电连接；位于部分所述介质层302背向所述读出电路层301一侧分立设置的第一顶电极层351和第二顶电极层352，所述第一顶电极层351与所述读出电路层301电连接且与部分所述第一可动结构221相对设置，所述第二顶电极层352与所述读出电路层301电连接与部分所述第二可动结构222相对设置。
介质层302的材料包括氮化铝、氮化硅或氧化硅。
所述顶层器件层C还包括：贯穿所述介质层302且间隔设置的第一导电连接件、第二导电连接件和第三导电连接件，所述第一导电连接件、第二导电连接件和第三导电连接件均与所述读出电路层301电连接；所述各向异性磁阻层350与所述第三导电连接件电连接；所述第一顶电极层351与所述第一导电连接件连接，所述第二顶电极层352与所述第二导电连接件连接；贯穿所述介质层302的若干个第四导电连接件，所述第四导电连接件与所述读出电路层301电连接。
所述空腔与所述各向异性磁阻层350相对设置。
本实施例中，所述第一导电连接件包括第一中间连接层361和第一插塞341，具体的，第一中间连接层361的一端与所述读出电路层301电连接，第一中间连接层361的另一端与第一插塞341的一端连接，所述第一插塞341的另一端与所述第一顶电极层351电连接。
第二导电连接件包括第二中间连接层362和第二插塞342，具体的，第二中间连接层362的一端与所述读出电路层301电连接，第二中间连接层362的另一端与第二插塞342的一端连接，所述第二插塞342的另一端与所述第二顶电极层352电连接。
第三导电连接件包括第三中间连接层363和第三插塞343，具体的，第三中间连接层363的一端与所述读出电路层301电连接，第三中间连接层363的另一端与第三插塞343的一端连接，所述第三插塞343的另一端与所述各向异性磁阻层350电连接。
本实施例中，所述顶层器件层C还包括：引线层304，所述引线层304的一端与所述第三插塞343连接，所述引线层304的另一端与所述各向异性磁阻层350电连接。
所述第四导电连接件包括第四中间连接层364和第四插塞344，具体的，第四中间连接层364的一端与所述读出电路层301电连接，第四中间连接层364的另一端与第四插塞344的一端电连接。
所述顶层器件层还包括：位于部分所述介质层302背向所述读出电路层301一侧的第一顶键合层311和第二顶键合层312，所述第一顶键合层311和所述第二顶键合层312均分别与所述读出电路层301电连接；位于部分所述介质层302背向所述读出电路层301一侧的附加顶键合层305。附加顶键合层305、所述第一顶键合层311、第二顶键合层312、第一顶电极层351和第二顶电极层352间隔设置。
所述第一顶键合层311、第二顶键合层312和附加顶键合层305的材料包括锗、铝、金、多晶硅或非晶硅。
所述顶层器件层还包括：第二绝缘层303，所述第二绝缘层303位于所述介质层302背向所述读出电路层301一侧表面；所述第一顶键合层311、第二顶键合层312、附加顶键合层305、第一顶电极层351和第二顶电极层352覆盖部分所述第二绝缘层303背向所述介质层302的一侧。
所述附加顶键合层305与所述读出电路层301电学断开。
第一顶电极层351和第二顶电极层352的材料包括金属。
所述中层器件层还包括：位于所述第一固定结构223背向所述半导体衬底层100的一侧表面的第一底层键合层211，位于第二固定结构224背向所述半导体衬底层100一侧表面的第二底层键合层212，所述第一底层键合层211与所述第一顶键合层311相互键合，所述第二底层键合层212与所述第二顶键合层312相互键合。
所述中层器件层还包括：与所述附加顶键合层305相对设置的附加底键合层，所述附加底键合层与所述附加顶键合层305键合在一起。
所述附加底键合层、第一底层键合层211和第二底层键合层212的材料包括锗、铝、金、多晶硅或非晶硅。
在一个具体的实施例中，所述附加底键合层、第一底层键合层211和第二底层键合层212的材料为锗，所述第一顶键合层311、第二顶键合层312和附加顶键合层305的材料为铝。在一个实施例中，附加底键合层、第一底层键合层211和第二底层键合层212的材料为金，所述第一顶键合层311、第二顶键合层312和附加顶键合层305的材料为多晶硅或非晶硅。
所述第一顶键合层311和所述第二顶键合层312均分别与部分所述第四导电连接件连接。具体的，第一顶键合层311与部分第四插塞344连接，第二顶键合层312与部分第四插塞344电连接。
所述集成传感器芯片还包括：位于所述半导体衬底层100朝向所述中层器件层B的一侧表面的第一绝缘层110；位于所述第一绝缘层110背向所述半导体衬底层100一侧表面的第一半导体底电极101和第二半导体底电极102，所述第一半导体底电极101与所述第一顶电极层第一顶电极层351相对，所述第二半导体底电极102与所述第二顶电极层352相对；位于所述第一绝缘层110背向所述半导体衬底层100一侧表面的掺杂键合层103，至少部分所述掺杂键合层103与所述第一固定结构223和所述第二固定结构224相互键合。
所述第一半导体底电极101、第二半导体底电极102以及掺杂键合层103相互间隔设置。所述第一半导体底电极101、第二半导体底电极102以及掺杂键合层103的材料包括P型多晶硅或N型多晶硅。在一个实施例中，所述掺杂键合层103、第一半导体底电极101、第二半导体底电极102的厚度均为2000埃-10000埃。
所述第一绝缘层110的材料包括氧化硅。在一个实施例中，第一绝缘层110的厚度为2000埃-10000埃。
本实施例中，还包括：位于所述顶层半导体层300和所述读出电路层301中的连接口，连接口暴露出部分与读出电路层301电连接的焊盘。
本实施例提供的集成传感器芯片，由于所述MEMS惯性测量单元和所述信号处理单元集成在同一芯片上，不仅可以降低外接信号处理电路的寄生效应对输出的影响，提高了器件集成度，大幅降低了系统集成成本。
本实施例提供的集成传感器芯片，地磁场传感器单元Q3与所述读出电路层301集成在同一晶圆，避免了地磁场传感器单元Q3与加速度计单元Q1的工艺混合流片的情形，避免了地磁场传感器单元Q3与陀螺仪单元Q2的工艺混合流片的情形，降低了工艺的复杂度。
本实施例提供的集成传感器芯片，结构简单，制备难度降低，能做到晶圆级真空封装。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种集成传感器芯片，其特征在于，包括：
MEMS惯性测量单元，所述MEMS惯性测量单元包括加速度计单元、陀螺仪单元和地磁场传感器单元；
信号处理单元；
所述MEMS惯性测量单元和所述信号处理单元集成在同一芯片上，以形成所述集成传感器芯片；
所述集成传感器芯片在集成传感器芯片的厚度方向上包括依次层设的半导体衬底层、中层器件层和顶层器件层，所述中层器件层用于集成形成所述加速度计单元的第一固定结构和第一可动结构、以及所述陀螺仪单元的第二固定结构和第二可动结构，所述顶层器件层用于集成形成所述信号处理单元和所述地磁场传感器单元。
2.根据权利要求1所述的集成传感器芯片，其特征在于，所述加速度计单元为三轴加速度计单元，所述陀螺仪单元为三轴陀螺仪单元，所述地磁场传感器单元为三轴地磁场传感器单元。
3.根据权利要求1所述的集成传感器芯片，其特征在于，所述顶层器件层包括：在所述顶层器件层的厚度方向上依次层设的顶层半导体层、读出电路层和介质层；位于部分所述介质层背向所述读出电路层一侧表面的各向异性磁阻层，所述各向异性磁阻层与所述读出电路层电连接；位于部分所述介质层背向所述读出电路层一侧分立设置的第一顶电极层和第二顶电极层，所述第一顶电极层与所述读出电路层电连接且与部分所述第一可动结构相对设置，所述第二顶电极层与所述读出电路层电连接与部分所述第二可动结构相对设置。
4.根据权利要求3所述的集成传感器芯片，其特征在于，所述顶层器件层还包括：贯穿所述介质层且间隔设置的第一导电连接件、第二导电连接件和第三导电连接件，所述第一导电连接件、第二导电连接件和第三导电连接件均与所述读出电路层电连接；所述各向异性磁阻层与所述第三导电连接件电连接；所述第一顶电极层与所述第一导电连接件连接，所述第二顶电极层与所述第二导电连接件连接。
5.根据权利要求3所述的集成传感器芯片，其特征在于，所述中层器件层中具有空腔，所述空腔与所述各向异性磁阻层相对设置。
6.根据权利要求3所述的集成传感器芯片，其特征在于，所述顶层器件层还包括：位于部分所述介质层背向所述读出电路层一侧的第一顶键合层和第二顶键合层，所述第一顶键合层和所述第二顶键合层均分别与所述读出电路层电连接；
所述中层器件层还包括：位于所述第一固定结构背向所述半导体衬底层的一侧表面的第一底层键合层，位于第二固定结构背向所述半导体衬底层一侧表面的第二底层键合层，所述第一底层键合层与所述第一顶键合层相互键合，所述第二底层键合层与所述第二顶键合层相互键合。
7.根据权利要求6所述的集成传感器芯片，其特征在于，所述顶层器件层还包括：贯穿所述介质层的若干个第四导电连接件，所述第四导电连接件与所述读出电路层电连接；所述第一顶键合层和所述第二顶键合层均分别与部分所述第四导电连接件连接。
8.根据权利要求3所述的集成传感器芯片，其特征在于，还包括：位于所述半导体衬底层朝向所述中层器件层的一侧表面的第一绝缘层；位于所述第一绝缘层背向所述半导体衬底层一侧表面的第一半导体底电极和第二半导体底电极，所述第一半导体底电极与所述第一顶电极层相对，所述第二半导体底电极与所述第二顶电极层相对；位于所述第一绝缘层背向所述半导体衬底层一侧表面的掺杂键合层，至少部分所述掺杂键合层与所述第一固定结构和所述第二固定结构相互键合。
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| CN202220230364.9U CN217483543U (zh) | 2022-01-27 | 2022-01-27 | 一种集成传感器芯片 |
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| CN202220230364.9U CN217483543U (zh) | 2022-01-27 | 2022-01-27 | 一种集成传感器芯片 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN114440879A (zh) * | 2022-01-27 | 2022-05-06 | 西人马联合测控（泉州）科技有限公司 | 一种传感器芯片及其制备方法 |
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2022
- 2022-01-27 CN CN202220230364.9U patent/CN217483543U/zh active Active
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| CN114440879A (zh) * | 2022-01-27 | 2022-05-06 | 西人马联合测控（泉州）科技有限公司 | 一种传感器芯片及其制备方法 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
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