堆叠式MEMS传感器封装体、芯片及其制作方法与流程

本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种堆叠式MEMS传感器封装体、芯片及其制作方法。

背景技术：

传感器（sensor）是一种能感受到被测量的信息，并按一定规律变换为电信号或其他所需形式输出的器件或装置。在种类繁多的传感器中，基于微电子和微机械加工技术制造出来的MEMS传感器成为世界瞩目的重大科技领域之一。与传统传感器相比，它具有体积小、成本低、功耗低、易于集成和实现智能化的特点。同时微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。

MEMS传感器内部主要包括用于采集信号的MEMS结构、采集电路（模拟电路）以及用于处理采集信号的处理电路（数字电路）。在现有技术中，MEMS传感器的制造工艺通常是将采集电路和处理电路都集成在电子元件晶圆上，并直接在电子元件晶圆上生长MEMS结构，最后通过盖板进行键合封装。现有技术存在的问题在于：1）采集电路与处理电路混合同一晶圆上，数字、模拟电路间会产生相互干扰且噪声较大，难以控制，造成传感器性能低下；2）采集电路与处理电路混合同一晶圆上会使电子元件晶圆的尺寸过大，导致芯片面积过大，不利于应用至手持、穿戴等小体积的场景中；3）采集电路（模拟电路）可采用微米级的集成电路生产工艺，而处理电路（数字电路）则需要采用成本更高的纳米级的集成电路生产工艺，现有技术将采集电路和处理电路共同集成在电子元件晶圆上，为了将就数字电路的工艺制程，整个电子元件晶圆都需要采用成本更高的纳米级生产工艺，最终导致MEMS传感器成本居高不下。总之，现有的技术方案严重制约了MEMS传感器朝进一步的智能化、小体积、高指标、高性能、低成本方向发展。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种堆叠式MEMS传感器封装体。

本发明采用的技术方案为：一种堆叠式MEMS传感器封装体，包括：

盖板，用于封装；

一片或多片采集晶圆，其上形成有采集电路和MEMS结构，所述采集电路配合MEMS结构实现传感器采集信号的功能；

一片或多片处理晶圆，其上形成有处理电路，用于控制采集电路和MEMS结构采集信号并将采集到的信号进行处理并输出；

所述一片或多片处理晶圆、一片或多片采集晶圆以及盖板是采用晶圆级键合工艺自下而上键合而成，其中，盖板与采集晶圆或者采集晶圆与采集晶圆之间形成MEMS结构的封装腔体，所有晶圆片之间通过导电桥墩实现电性互联。

优选地，所述盖板下表面具有用于实现封装腔体内真空环境的吸气剂材料层。

优选地，所述采集电路是采用0.13μm~0.5μm集成电路工艺制成；所述处理电路是采用14nm~180nm的集成电路工艺制成。

优选地，所述导电桥墩是金属桥墩。

优选地，所述采集电路是前端处理电路AFE；所述处理包括转换、数据运算和分析；所述处理电路包括具有控制、计算、分析功能的中央处理器CPU或微处理器MPU；配合CPU或MPU进行数字信号处理的数字信号处理电路DSP；接收CPU或MPU信号控制并向采集电路传输控制信号的数模混合电路AD以及接口电路。

本发明的另一个目的在于提供一种堆叠式MEMS传感器芯片，采用的技术方案为：所述堆叠式MEMS传感器芯片由上述堆叠式MEMS传感器封装体进行切片形成。

本发明还提供了一种堆叠式MEMS传感器芯片的制作方法，包括：

步骤S1：准备一片或多片形成有处理电路的处理晶圆和一片或多片形成有采集电路的采集晶圆，其中，所述处理电路用于控制采集电路并将采集到的信号进行处理并输出；

步骤S2：将一片或多片处理晶圆与一片采集晶圆通过晶圆级键合工艺自下而上键合起来，所有晶圆片之间通过导电桥墩实现电性互联；

步骤S3：若采集晶圆为一片，则在所述采集晶圆上生长MEMS结构，所述采集电路配合其上的MEMS结构完成传感器采集信号的功能；若采集晶圆为多片，则在所述采集晶圆生长MEMS结构以后再将下一片采集晶圆键合至所述采集晶圆上，并在下一片采集晶圆上继续生长MEMS结构，重复上述动作直至将所有采集晶圆键合完毕，所述多片采集晶圆之间形成MEMS结构的封装腔体，所述采集电路配合MEMS结构完成传感器采集信号的功能，所有晶圆片之间通过导电桥墩实现电性互联；

步骤S4：准备盖板，将盖板通过晶圆键合工艺键合至采集晶圆上，所述盖板与采集晶圆之间形成MEMS结构的封装腔体；

步骤S5：将封装后的晶圆片进行切片，形成独立的堆叠式MEMS传感器芯片。

优选地，在步骤S4中所述盖板下表面具有用于实现封装腔体内真空环境的吸气剂材料层，步骤S4为：准备盖板，在真空环境下激活吸气剂材料层，再将盖板通过晶圆键合工艺键合至第一晶圆上，所述盖板与第一晶圆之间形成MEMS结构的封装腔体。

优选地，在步骤S1中所述采集电路是采用0.13μm~0.5μm集成电路工艺制成；所述处理电路是采用14nm~180nm的集成电路工艺制成。

优选地，在步骤S1中所述采集电路是前端处理电路AFE；所述处理电路包括具有控制、计算、分析功能的中央处理器CPU或微处理器MPU；配合CPU或MPU进行数字信号处理的数字信号处理电路DSP；接收CPU或MPU信号控制并向采集电路传输控制信号的数模混合电路AD以及接口电路。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：

本发明将采集电路和处理电路分层设计，采用晶圆级键合工艺进行键合并封装，形成垂直的多层堆叠式结构，

1）由于一层晶圆的厚度不到1mm，因此在厚度不明显增加的情况下，能够显著降低晶圆面积，减小芯片尺寸，适合应用于手机、穿戴和手持设备等小体积设备中；

2）在保证晶圆之间电性互联的同时，可实现采集电路和处理电路的完全隔离，降低模拟电路和数字电路之间的干扰和电路噪声，提高传感器性能指标；

3）将模拟电路和数字电路分层设计，采集电路和处理电路可以分别选择适宜的工艺制程，降低传感器工艺成本；

4）处理电路与采集电路分层设置，不仅可以为数字电路提供更大的设计空间，有效提升数字电路设计水平和功能，设置多层采集晶圆还能够实现多种传感器功能。

附图说明

图1是本发明实施例1中的堆叠式MEMS传感器封装体结构示意图；

图2是本发明实施例1中堆叠式MEMS传感器芯片结构示意图；

图3是本发明实施例1堆叠式MEMS传感器芯片制作方法流程图；

图4是本发明堆叠式MEMS传感器芯片逻辑功能示意图；

图5是本发明实施例2中的堆叠式MEMS传感器封装体结构示意图；

图6是本发明实施例2中堆叠式MEMS传感器芯片结构示意图；

图7是本发明实施例2中堆叠式MEMS传感器芯片制作方法流程图；

图8是本发明实施例3中的堆叠式MEMS传感器封装体结构示意图；

图9是本发明实施例3中堆叠式MEMS传感器芯片结构示意图；

图10是本发明实施例3中堆叠式MEMS传感器芯片制作方法流程图。

具体实施方式

下面结合图1至图10，对本发明做进一步详细叙述：

实施例1：参见图1，一种堆叠式MEMS传感器封装体，包括：盖板10，用于封装；一片采集晶圆20，其上形成有采集电路和MEMS结构21，所述采集电路配合MEMS结构21实现传感器采集信号的功能；一片处理晶圆30，其上形成有处理电路，用于控制采集电路和MEMS结构21采集信号并将采集到的信号进行处理并输出；所述处理晶圆30、采集晶圆20以及盖板10是采用晶圆级键合工艺自下而上键合而成，其中，盖板10与采集晶圆20之间形成MEMS结构的封装腔体，采集晶圆20和处理晶圆30之间通过导电桥墩31实现电性互联。

进一步地，所述盖板10下表面还具有吸气剂材料层11，用于实现封装腔体内真空环境，适用于红外热成像传感器或其他需要真空封装的MEMS传感器。

进一步地，所述导电桥墩可以是金属桥墩，也可以由其他能够实现电互联的材料制成。

进一步地，所述采集电路采用的是0.13μm~0.5μm集成电路工艺；所述处理电路采用的是14nm~180nm的集成电路工艺。

本发明将采集电路和处理电路分层设计，采用晶圆级键合工艺进行键合并封装，形成垂直的多层堆叠式结构。由于一层晶圆的厚度不到1mm，因此在厚度不明显增加的情况下，本发明能够显著降低晶圆面积，减小芯片尺寸，适用于手机、穿戴和手持设备等小体积设备；另外，在保证晶圆之间电性互联的同时，实现采集电路和处理电路的完全隔离，降低模拟电路和数字电路之间的干扰和电路噪声，提高传感器性能指标；再者，将模拟电路和数字电路分层设计，采集电路和处理电路可以分别选择适宜的工艺制程，降低传感器工艺成本；更重要的是，处理电路与采集电路分别加工，可以为数字电路提供更大的设计空间，有效提升数字电路设计水平和功能，在相同的面积下，数字电路的密度与功能将会更加强大。

进一步地，所述采集电路是前端处理电路AFE，能够接收处理电路输入的信号并向MEMS结构发送动作指令；所述处理电路包括具有控制、计算、分析功能的中央处理器CPU或微处理器MPU；配合CPU或MPU进行数字信号处理的数字信号处理电路DSP；接收CPU或MPU信号控制并向采集电路传输控制信号的数模混合电路AD以及接口电路，能够实现处理电路控制、转换、数据运算、分析和输出功能。在这个结构基础上只需向传感器内部输入基础指令，例如When、What，CPU或MCU 即可完成一系列控制运算分析并将结果输出。在新的堆叠式结构框架中将中央处理器CPU或微处理器MPU、数字信号处理电路DSP、数模混合电路AD和接口电路集成在一片或多片处理晶圆上，能够使得传感器芯片不需外接电路即可实现内部控制、转换、数据运算、分析和输出功能，进一步降低传感器芯片所应用的终端产品体积，尤其适用于安装至高精度、低功耗、小体积的终端产品上。当然，上述是本发明优选的实施方式，本发明的处理电路还可以根据需求增设或减少相应功能模块。

参见图2，是本发明堆叠式MEMS传感器芯片结构示意图，所述堆叠式MEMS传感器芯片是将上述堆叠式MEMS传感器封装体切片形成。堆叠式MEMS传感器芯片中盖板、采集晶圆和处理晶圆等结构特点如上述描述，在此不再赘述。

参见图3，基于上述堆叠式MEMS传感器芯片，本发明还提供了一种堆叠式MEMS传感器芯片的制作方法，包括：

步骤S1：准备形成有处理电路的一片处理晶圆30和形成有采集电路的一片采集晶圆20，其中，所述采集电路用于采集信号；所述处理电路用于控制采集电路并将采集到的信号进行处理并输出。

优选地，所述采集电路是采用0.13μm~0.5μm集成电路工艺制成；所述处理电路是采用14nm~180nm的集成电路工艺制成。

步骤S2：将采集晶圆20通过晶圆级键合工艺键合至处理晶圆30上，所述采集晶圆20和处理晶圆30之间通过导电桥墩实现电性互联。

优选地，所述导电桥墩可以是金属桥墩，当然也可以由其他能够实现电互联的材料制成。

步骤S3：在采集晶圆20上生长MEMS结构21，所述采集电路配合MEMS结构21完成传感器采集信号的功能。

步骤S4：准备盖板10，将盖板10通过晶圆键合工艺键合至采集晶圆20上，所述盖板10与采集晶圆20之间形成MEMS结构21的封装腔体。

作为优选的方案，所述盖板10下表面具有用于实现封装腔体内真空环境的吸气剂材料层11，适用于红外热成像传感器或其他需要真空封装的MEMS传感器。这里，步骤S4为：准备盖板10，在真空环境下激活吸气剂材料层11，再将盖板10通过晶圆键合工艺键合至采集晶圆20上，所述盖板10与采集晶圆20之间形成MEMS结构的封装腔体。此时，封装腔体内为真空环境。

作为另一个优选的方案，如果传感器中的MEMS结构21需要工作在惰性气体环境下，这里，步骤S4还可以是：准备盖板10，在惰性气体保护的环境下将盖板10通过晶圆键合工艺键合至采集晶圆20上，所述盖板10与采集晶圆20之间形成MEMS结构的封装腔体。此时。封装腔体内是惰性气体保护的环境。

步骤S5：将封装后的封装体进行切片即可形成独立的堆叠式MEMS传感器。

进一步地，在步骤S1中所述采集电路是前端处理电路AFE；所述处理电路包括具有控制、计算、分析功能的中央处理器CPU或微处理器MPU；配合CPU或MPU进行数字信号处理的数字信号处理电路DSP；接收CPU或MPU信号控制并向采集电路传输控制信号的数模混合电路AD以及接口电路，能够实现处理电路控制、转换、数据运算、分析和输出功能。在这个结构基础上只需向传感器内部输入基础指令，例如When、What，CPU或MCU 即可完成一系列控制运算分析并将结果输出。

参见图4，为本发明优选实施例的逻辑示意图，堆叠式MEMS传感器芯片完整的一次工作过程是：通过接口电路向CPU或MPU输入信号，CPU或MPU开始工作并可以指令数字信号处理电路DSP对输入信号进行处理后向数模混合电路AD传输数字信号，数模混合电路AD将接受到的数字信号转换成模拟信号传输至前端处理电路AFE，由前端处理电路AFE向MEMS结构发送动作指令，MEMS结构接收指令后采集被测信号并发回至MEMS结构，MEMS结构将采集到的信号转换成电信号后发回至前端处理电路AFE，AFE接收后对该信号进行初步处理即传送至数模混合电路，数模混合电路将采集到的模拟信号转换至数字信号后发送至CPU或MPU，CPU或MPU可以指令数字信号处理电路DSP对该数字信号进行数据处理后发回CPU或MPU，CPU或MPU将经过运算处理分析后的信号通过接口电路输出。

实施例2：参见图5，本实施例同样提供一种堆叠式MEMS传感器封装体，其他部分与实施例1相同，区别在于：所述处理晶圆30为2片晶圆，分别为处理晶圆1（30a）和处理晶圆2(30b)。优选地，所述盖板10下表面还具有吸气剂材料层11，用于实现封装腔体内真空环境，适用于红外热成像传感器或其他需要真空封装的MEMS传感器。所述导电桥墩可以是金属桥墩，也可以由其他能够实现电互联的材料制成。所述采集电路采用的是0.13μm~0.5μm集成电路工艺；所述处理电路采用的是14nm~180nm的集成电路工艺。

与实施例1相同，所述处理晶圆上的处理电路可以包括具有控制、计算、分析功能的中央处理器CPU或微处理器MPU；配合CPU或MPU进行数字信号处理的数字信号处理电路DSP；接收CPU或MPU信号控制并向采集电路传输控制信号的数模混合电路AD以及接口电路，各部分电路可以按照需求设置在处理晶圆1或处理晶圆2上。将上述封装体切片后即可形成独立的堆叠式MEMS传感器，如图6所示。

参见图7，基于上述堆叠式MEMS传感器芯片，其制作过程具体可以包括：

步骤S1：准备形成有处理电路的处理晶圆1（30a）和处理晶圆2（30b）以及形成有采集电路的采集晶圆20，其中，所述处理电路用于控制采集电路并将采集到的信号进行处理并输出。

步骤S2：将处理晶圆1（30a）通过晶圆级键合工艺键合至处理晶圆2（30b）上，再将采集晶圆20通过晶圆级键合工艺键合至处理晶圆2（30b）上，三片晶圆之间通过导电桥墩31实现电性互联。

步骤S3：在采集晶圆20上生长MEMS结构，所述采集电路配合MEMS结构完成传感器采集信号的功能。

步骤S4：准备盖板10，将盖板10通过晶圆键合工艺键合至采集晶圆20上，所述盖板10与采集晶圆20之间形成MEMS结构的封装腔体。

作为优选的方案，所述盖板10下表面具有用于实现封装腔体内真空环境的吸气剂材料层11，适用于红外热成像传感器或其他需要真空封装的MEMS传感器。这里，步骤S4为：准备盖板10，在真空环境下激活吸气剂材料层11，再将盖板10通过晶圆键合工艺键合至采集晶圆20上，所述盖板10与采集晶圆20之间形成MEMS结构的封装腔体。此时，封装腔体内为真空环境。

作为另一个优选的方案，如果传感器中的MEMS结构需要工作在惰性气体环境下，这里，步骤S4还可以是：准备盖板10，在惰性气体保护的环境下将盖板10通过晶圆键合工艺键合至采集晶圆20上，所述盖板10与采集晶圆20之间形成MEMS结构的封装腔体。此时。封装腔体内是惰性气体保护的环境。

步骤S5：将封装后的封装体进行切片，即形成独立的堆叠式MEMS传感器。

相对于实施例1，实施例2提供的技术方案能够进一步增大处理电路的设计空间，增强处理电路功能。

实施例3：参见图8，本实施例还提供一种堆叠式MEMS传感器封装体，其他部分与实施例1相同，区别在于：所述采集晶圆20为2片晶圆，分别是采集晶圆1（20a）和采集晶圆2(20b)，在采集晶圆1和采集晶圆2上分别生长有MEMS结构21a和21b。这里，MEMS结构21a和21b实现的功能可以相同也可以不同，由采集晶圆上的采集电路进行驱动。优选地，所述盖板10下表面还具有吸气剂材料层11，用于实现封装腔体内真空环境，适用于红外热成像传感器或其他需要真空封装的MEMS传感器。所述导电桥墩可以是金属桥墩，也可以由其他能够实现电互联的材料制成。所述采集电路采用的是0.13μm~0.5μm集成电路工艺；所述处理电路采用的是14nm~180nm的集成电路工艺。

与实施例1相同，本实施例中处理晶圆上的处理电路可以包括具有控制、计算、分析功能的中央处理器CPU或微处理器MPU；配合CPU或MPU进行数字信号处理的数字信号处理电路DSP；接收CPU或MPU信号控制并向采集电路传输控制信号的数模混合电路AD以及接口电路。

参见图9，将上述封装体切片后即可形成独立的堆叠式MEMS传感器芯片。

参见图10，基于上述堆叠式MEMS传感器芯片，其制作过程具体可以包括：

步骤S1：准备形成有处理电路的处理晶圆30以及形成有采集电路的采集晶圆1（20a）和采集晶圆2（20b），其中，所述处理电路用于控制采集电路并将采集到的信号进行处理并输出。

步骤S2：采集晶圆1（20a）通过晶圆级键合工艺键合至处理晶圆30上，两片晶圆之间通过导电桥墩31实现电性互联。

步骤S3：在采集晶圆20a上生长MEMS结构21a，之后再将采集晶圆2（20b）键合至采集晶圆1（20a）上，并在采集晶圆2（20b）上继续生长MEMS结构21b，所述采集晶圆1和采集晶圆2之间形成MEMS结构的封装腔体，所述采集电路配合MEMS结构完成传感器采集信号的功能，所有晶圆之间通过导电桥墩实现电性互联。

这里，采集晶圆1上生长的MEMS结构21a与采集晶圆2上生长的MEMS结构21b可以相同或者不同，不同的MEMS结构可以用于实现不同的传感器功能。

需要注意的是，这里的MEMS结构21a是由采集晶圆20b键合封装，由于吸气剂需要高温激活，晶圆不适合直接与吸气剂接触，因此MEMS结构21a适合工作在空气或者惰性气体环境下。此时，步骤S3为：在采集晶圆20a上生长MEMS结构21a，之后在空气或惰性气体保护的环境下将采集晶圆2（20b）键合至采集晶圆1（20a）上，并在采集晶圆2（20b）上继续生长MEMS结构21b，处理晶圆、采集晶圆1和采集晶圆2之间通过导电桥墩实现电性互联，所述采集晶圆1和采集晶圆2之间形成MEMS结构的封装腔体，所述采集电路配合MEMS结构完成传感器采集信号的功能。

若MEMS结构21a仍然需要工作在真空环境下，则需要在封装腔体内部设置与采集晶圆1和2隔热良好的吸气剂，此时，步骤S3为：在采集晶圆20a上生长MEMS结构21a，在真空环境激活吸气剂再将采集晶圆2（20b）键合至采集晶圆1（20a）上，并在采集晶圆2（20b）上继续生长MEMS结构21b，所述采集晶圆1和采集晶圆2之间形成MEMS结构21a的封装腔体，所述采集电路配合MEMS结构21a、21b完成传感器采集信号的功能，所有晶圆片之间通过导电桥墩实现电性互联。

步骤S4：准备盖板10，将盖板10通过晶圆键合工艺键合至采集晶圆20b上，所述盖板10与采集晶圆20b之间形成MEMS结构21b的封装腔体。

作为优选的方案，所述盖板10下表面具有用于实现封装腔体内真空环境的吸气剂材料层11，适用于红外热成像传感器等其他需要在真空环境下工作的MEMS结构。这里，步骤S4为：准备盖板10，在真空环境下激活吸气剂材料层11，再将盖板10通过晶圆键合工艺键合至采集晶圆20b上，所述盖板10与采集晶圆20b之间形成MEMS结构21b的封装腔体。此时，封装腔体内为真空环境。

作为另一个优选的方案，如果传感器中的MEMS结构21b需要工作在惰性气体环境下，这里，步骤S4还可以是：准备盖板10，在惰性气体保护的环境下将盖板10通过晶圆键合工艺键合至采集晶圆20b上，所述盖板10与采集晶圆20b之间形成MEMS结构21b的封装腔体。此时，封装腔体内是惰性气体保护的环境。

步骤S5：将封装后的封装体进行切片，即形成独立的堆叠式MEMS传感器。

相对于实施例1和实施例2，实施例3提供的技术方案中具有多个采集晶圆，能够实现多种传感器功能。

在上述实施例中，实施例1中采集晶圆和处理晶圆分别为1片，实施例2中采集晶圆为1片、处理晶圆为2片，实施例3中采集晶圆为2片、处理晶圆为1片。相对于实施例1，实施例2提供的技术方案能够进一步增大处理电路的设计空间，增强处理电路功能；实施例3提供的技术方案能够增加传感器功能。

当然，本发明中采集电路和处理晶圆的片数还可以根据需要设置成2、2,2、3，3、2,3、3或其他组合。需要注意的是，采集晶圆和处理晶圆的片数并不是越多越好，一方面会增加工艺流程，另外还会使芯片厚度增加，建议根据需要进行适宜的选择。

总之，以上仅为本发明较佳的实施例，并非用于限定本发明的保护范围，在本发明的精神范围之内，对本发明所做的等同变换或修改均应包含在本发明的保护范围之内。