一种异构互联物联网阻抗测量芯片

1.本发明涉及阻抗测量芯片技术领域，特别涉及一种异构互联物联网阻抗测量芯片。


背景技术：

2.在近年来集成电路技术的发展中，超大规模集成电路通过制造工艺的提升实现了芯片性能的倍增和功耗的下降，同时微加工技术的尺度也在不断逼近物理线宽的极限。在传统cmos工艺下摩尔定律增长难度越来越大时，出现了通过引入新的器件类型，新的封装结构，新的复合材料实现更高密度电路集成的超越摩尔定律发展路线。通过将不同功能模块集成在同一平台上，既能提升集成度，降低单项功能成本，又能够提高整个系统的信息处理能力。然而包含不同功能的模块在同一芯片上制造，其所要求的不同加工工艺方式如何整合兼容是一大挑战。除了制造工艺的不同，不同功能模块的衬底材料也不尽相同，比如mems传感器加工中用到的制作工艺和特殊材料难以和传统cmos工艺实现良好的兼容。在新一代的集成电路设计中，除了二维方向上的封装内互联集成，还需要三维集成技术使得芯片模块实现垂直方向上的多功能集成，以提升传统的二维平面方向上集成电路中互联的性能，提高模块之间信号的传输速度，降低时延，从而实现更高的集成度。随着新一代信息技术的发展，物联网技术在互联网技术基础上通过各类专用芯片，将互联网进行扩展和延伸，将各种信息传感设备和网络结合，实现人机之间，设备与设备之间高效的互联互通，物联网技术的发展离不开芯片技术发展的支持，芯片技术的发展也能在物联网技术上的应用得到促进。在阻抗测量应用领域，传统的阻抗测量仪器需要更高的成本，也不利于在物联网时代的小系统集成中发挥作用，一般的阻抗测量芯片则是只包含了部分的结构，仍然需要若干外围芯片协助完成功能，需要占用更大的空间，如果能够使用异构互联芯片提高芯片内电路的集成度，将不同功能的电路集中在同一芯片中，就能够有效降低空间占用，拓宽芯片应用场景。
3.现有技术公开了一种阻抗测量系统，包括接头单元、正反向单元、电流信号、顺序逻辑单元、模数转换器；通过接头单元与电路板的待测点电性连接，根据测量主机发出的电流控制信号，输出正向电流信号或负向电流信号，并将其传送到接头单元的连接点，使该电路板的待测点根据流经的电流信号产生相对的阻抗；根据该测量主机发出的转换信号，将通过该接头单元读取到的阻抗进行数字信号转换，将转换后的数字信号传送至测量主机，令与测量主机电性连接的显示单元显示该数字信号代表的阻抗；该技术方案能够提高测量的准确度，进而大幅增加测量的效率；但是该技术方案没有解决电路集成以及设备之间互联互通的问题。


技术实现要素：

4.本发明为了解决电路集成度低，设备与设备之间的互联互通效率低的问题，提供了一种异构互联物联网阻抗测量芯片，通过将不同功能模块集成在异构互联结构中，提高
集成度，降低单项功能成本，通过物联网技术实现信息互联。
5.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
6.一种异构互联物联网阻抗测量芯片包括：功能模块和异构互联结构，所述的功能模块如下：物联网芯片模块、通信接口、传感器模块、电源管理模块、微处理器模块、存储器模块、数字信号处理模块、信号调理链路模块；
7.所述的物联网芯片模块、通信接口、传感器模块、电源管理模块、微处理器模块、存储器模块、数字信号处理模块和信号调理链路模块集成在所述的异构互联结构上，且相互之间构建电路互联；
8.所述的物联网芯片模块与所述的微处理器模块的第一端口电性连接；
9.所述的通信接口的第一端口与所述的微处理器模块的第二端口电性连接；
10.所述的传感器模块与所述的微处理器模块的第三端口电性连接；
11.所述的数字信号处理模块的第一端口与微处理器模块的第四端口电性连接；
12.所述的数字信号处理模块的第二端口与通信接口的第二端口电性连接；
13.所述的存储器模块与微处理器模块的第五端口电性连接；
14.所述的信号调理链路模块包括输入线路和输出线路，所述的输入线路与输出线路与待测物连接，所述的数字信号处理模块的第三端口与输入线路电性连接，所述的微处理器模块的第六端口与输出线路电性连接；
15.所述的电源管理模块包括电源芯片，所述的电源管理模块通过外部供电对各个功能模块提供电源网络支持。
16.本发明的工作原理如下：
17.所述的信号链路模块将采集到的信息发送给数字信号处理模块，数字信号处理模块将信息处理后发送到微处理器，微处理器对信息进行处理；异构互联结构将不同的功能模块集成在一起，提高了芯片上电路集成度；物联网芯片模块实现了阻抗测量芯片系统与物联网云端之间的通信。
18.优选地，所述的输出线路设有数模转换器、滤波器链路和运算放大电路；所述的输入线路设有模数转换器、滤波器链路和运算放大电路；
19.所述的输入线路的电路连接方式如下：运算放大电路的输入端与待测物电性连接，滤波器链路的输入端与运算放大电路的输出端电性连接，模数转换器的输入端和滤波器链路的输出端电性连接，模数转换器的输出端和数字信号处理模块的第三端口电性连接；
20.所述的输出线路的电路连接方式如下：数模转换器的输入端和微处理器模块的第六端口电性连接，数模转换器的输出端和滤波器链路的输入端电性连接，运算放大电路的输入端和滤波器链路的输出端电性连接，运算放大电路的输出端和待测物的电性连接；所述的信号调理链路模块用于激励产生与信号收集。
21.优选地，所述的物联网芯片模块包括物联网通信芯片，用于与物联网云端之间进行通信。
22.优选地，所述的微处理器模块包括mcu处理器以及fpga芯片，用于数据处理。
23.优选地，所述的通信接口用于与外部芯片之间进行通信；所述的传感器模块用于测量所处时空环境的状态，包括时间、地点、加速度等；所述的存储器模块用于存储初始状
态配置参数以及工作数据；所述的数字信号处理模块用于处理数字信号数据。
24.优选地，所述的异构互联结构包括第一衬底层，第二衬底层、邦定层，衬底多层互联模块和嵌入式无源器件；
25.所述的嵌入式无源器件包括电阻、电容、电感；所述的电阻、电容、电感是在第一衬底层和第二衬底层之间加工而成的无源器件；
26.在所述的第一衬底层和所述的第二衬底层上设置有各个功能模块、嵌入式无源器件和各种互联线；
27.所述的邦定层在所述的第一衬底层和所述的第二衬底层之间，位于第一衬底层的下方，且位于第二衬底层的上方；为所述的第一衬底层和所述的第二衬底层之间提供电路互联；
28.所述的衬底多层互联模块包括两种堆叠方式：第一种堆叠方式为两个衬底层中夹着邦定层的多层堆叠方式，多个上述三层夹心结构的堆叠；第二种堆叠方式为在夹心结构与夹心结构之间背对背不存在邦定层时，在衬底中刻蚀出布线通道，使得衬底之间能够在垂直方向上进行布线连接的堆叠方式；
29.所述的衬底多层互联模块设有各个功能模块；所述的衬底多层互联模块设置在第一衬底层的上方。
30.进一步地，不同衬底层的材料是不同的，用于连接衬底层的邦定层的材料也不同，所述的第一衬底层和第二衬底层通过邦定层连接，所述的邦定层使用的材料为多晶硅材料，所述的多晶硅材料为一表面为三五族化合物薄膜的多晶硅材料。
31.更进一步地，所述的第一衬底层和第二衬底层通过所述的邦定层进行连接时，首先由两衬底层上各自完成位处于表面的电路加工，然后将邦定层与其中任意一衬底层结合，再将另一衬底层电路表面与邦定层结合，再经过加工后形成电气连接；
32.所述的邦定层与第一衬底层和第二衬底层之间的电气连接是通过在邦定层上加工连线通道，并在其中填充金属材料形成邦定层互联线，第一衬底层的功能模块与第二衬底层的功能模块之间通过邦定层互联线电气连接。
33.进一步地，所述的嵌入式无源器件中的电阻按照异构电阻器件设计方法进行设置，电容按照异构电容器件设计方法进行设置，电感按照异构电感器件设计方法进行设置。
34.更进一步地，所述的异构电阻器件设计方法，电阻元件构成包含至少一种金属材料，通过所述邦定层连接在第一衬底层和第二衬底层之间，使用不同金属材料与加工结构得到所需的电阻特性，作为任一衬底层上功能模块的外围器件使用；
35.所述的异构电容器件设计方法，基本的电容元件构成包含至少一种金属材料，同时包含至少一种电介质材料，通过所述邦定层连接在第一衬底层和第二衬底层之间，通过不同的金属材料、电介质材料与加工结构得到所需的电容特性，作为任一衬底层功能模块的外围器件使用；
36.所述的异构电感器件设计方法，基本的电感元件构成包含至少一种金属材料，在第一衬底层和第二衬底层的任一衬底层上加工圆形、八角形、或正方形的平面电感结构，通过所述的邦定层连接在第一衬底层和第二衬底层之间，通过不同的金属材料与加工结构得到所需的电感特性，作为任一衬底层上功能模块的外围器件使用。
37.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
38.1.该异构互联物联网阻抗测量芯片能够更高效地集成阻抗测量电路，在单芯片内实现阻抗测量系统较为丰富完备的功能，相比传统的阻抗测量系统大大降低了外围电路的设计成本。
39.2.该异构互联物联网阻抗测量芯片可通过物联网运用云端高效计算能力与设备间高速互联通信方式提高效率，扩展阻抗测量在人体健康，工业检测等方面的应用。
40.3.所述的异构互联结构针对集成电路中使用不同衬底材料的模块在垂直方向上的集成提供了解决方案，从而能够使得单芯片的集成度与性能提高。
41.4.该芯片中使用到的异构互联结构通过在衬底层之间加工嵌入式无源器件的方式，提高了芯片中电路器件的集成度，能够减少集成电路芯片在使用到分立式无源器件实现功能，节约多模块集成情况下时对整体结构面积体积的占用。
附图说明
42.图1为本发明所述的异构互联物联网阻抗测量芯片的电路连接示意图。
43.图2为本发明所述的异构互联结构的结构示意图。
44.图3为本发明所述的嵌入式无源器件的设计方法结构示意图。
45.其中：101、物联网芯片模块；102、通信接口；103、传感器模块；104、电源管理模块；105、微处理器模块；106、存储器模块；107、数字信号处理模块；108、数模转换器；109、滤波器链路；110、运算放大电路；111、模数转换器；201、衬底多层互联模块；202、第一衬底层和第二衬底层上的功能模块的芯片；203、衬底多层互联模块上的功能模块的芯片；204、第一衬底层；205、邦定层；206、第二衬底层；301、电介质；302、第一衬底层上的第一种金属；303、第二种金属结构；304、第三种金属结构；305、第二衬底层上的第四种金属。
具体实施方式
46.下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。
47.实施例1
48.如图1所示，一种异构互联物联网阻抗测量芯片，包括：功能模块和异构互联结构，所述的功能模块如下：物联网芯片模块101、通信接口102、传感器模块103、电源管理模块104、微处理器模块105、存储器模块106、数字信号处理模块107、信号调理链路模块；
49.所述的物联网芯片模块101、通信接口102、传感器模块103、电源管理模块104、微处理器模块105、存储器模块106、数字信号处理模块107和信号调理链路模块集成在所述的异构互联结构上，且相互之间构建电路互联；
50.所述的物联网芯片模块101与所述的微处理器模块105的第一端口电性连接；
51.所述的通信接口102的第一端口与所述的微处理器模块105的第二端口电性连接；
52.所述的传感器模块103与所述的微处理器模块105的第三端口电性连接；
53.所述的数字信号处理模块107的第一端口与微处理器模块105的第四端口电性连接；
54.所述的数字信号处理模块107的第二端口与通信接口102的第二端口电性连接；
55.所述的存储器模块106与微处理器模块105的第五端口电性连接；
56.所述的信号调理链路模块包括输入线路和输出线路，所述的输入线路与输出线路
与待测物连接，所述的数字信号处理模块107的第三端口与输入线路电性连接，所述的微处理器模块105的第六端口与输出线路电性连接；
57.所述的电源管理模块104包括电源芯片，所述的电源管理模块104通过外部供电对阻抗测量芯片的各个功能模块提供电源网络支持。
58.本发明的工作原理如下：
59.所述的信号链路模块将采集到的信息发送给数字信号处理模块107，数字信号处理模块107将信息处理后发送到微处理器模块，微处理器模块对信息进行处理；异构互联结构将不同的功能模块集成在一起，提高了芯片上电路集成度；物联网芯片模块101实现了阻抗测量芯片系统与物联网云端之间的通信，用于物联网通信，身份识别以及安全加密。
60.在本实施例中，所述的输出线路设有数模转换器108、滤波器链路109和运算放大电路110；所述的输入线路设有模数转换器111、滤波器链路109和运算放大电路110；
61.所述的输入线路的电路连接方式如下：运算放大电路110的输入端与待测物电性连接，滤波器链路109的输入端与运算放大电路110的输出端电性连接，模数转换器111的输入端和滤波器链路109的输出端电性连接，模数转换器111的输出端和数字信号处理模块107的第三端口电性连接；
62.所述的输出线路的电路连接方式如下：数模转换器108的输入端和微处理器模块105的第六端口电性连接，数模转换器108的输出端和滤波器链路109的输入端电性连接，运算放大电路110的输入端和滤波器链路109的输出端电性连接，运算放大电路110的输出端和待测物的电性连接；所述的信号调理链路模块用于激励产生与信号收集。
63.信号的激励产生与信号采集链路可以是多通道进行组合的，实现完整阻抗测量功能的电路包括芯片内部电路与外部无源器件组合而成的电路，在本实施例中仅对芯片内部电路进行说明。
64.在本实施例中，所述的物联网芯片模块101包括物联网通信芯片，用于与物联网云端之间进行通信。
65.在本实施例中，所述的微处理器模块105包括mcu处理器以及fpga芯片，用于数据处理。所述的通信接口102用于与外部芯片之间进行通信；所述的传感器模块103用于测量所处时空环境的状态，包括时间、地点、加速器等；所述的存储器模块106用于存储初始状态配置参数以及工作数据，可以是eeprom或者是flash；所述的数字信号处理模块107使用dsp芯片处理数字数据。
66.实施例2
67.在本实施例中，如图2所示，所述的异构互联结构包括第一衬底层204，第二衬底层206、邦定层205，衬底多层互联模块201和嵌入式无源器件；
68.在本实施例中，还包括设置在第一衬底层204和第二衬底层206上的功能模块的芯片202、互联在衬底多层互联模块201上的功能模块的芯片203；第一衬底层204和第二衬底层206上的功能模块的芯片202可以是微处理器、模数转换器111、电源芯片等各类功能模块的芯片，也可以是mcu、eeprom、dac、dsp、电源管理单元pmu、mems传感器、具有通信加密以及身份识别等功能的物联网芯片、射频天线木模块；互联在衬底多层互联模块201上的功能模块的芯片203可以是微处理器，数模转换器、电源芯片等各类功能模块的芯片。
69.所述的嵌入式无源器件包括电阻、电容、电感；所述的电阻、电容、电感是在第一衬
底层204和第二衬底层206之间加工而成的无源器件；在衬底层之间加工的嵌入式无源器件能够尽可能地靠近衬底层上的芯片模块，从而减少引出走线与外部smt分立式无源器件连接的资源占用；
70.在所述的第一衬底层204和所述的第二衬底层206上设置有各个功能模块、嵌入式无源器件和各种互联线；
71.所述的邦定层205在所述的第一衬底层204和所述的第二衬底层206之间，位于第一衬底层204的下方，且位于第二衬底层206的上方；为所述的第一衬底层204和所述的第二衬底层206之间提供电路互联；
72.所述的衬底多层互联模块201包括两种堆叠方式：第一种堆叠方式为两个衬底层中夹着邦定层205的多层堆叠方式，多个上述三层夹心结构的堆叠；第二种堆叠方式为在夹心结构与夹心结构之间背对背不存在邦定层205时，在衬底中刻蚀出布线通道，使得衬底之间能够在垂直方向上进行布线连接的堆叠方式；
73.所述的衬底多层互联模块201设有各个功能模块；所述的衬底多层互联模块201设置在第一衬底层204的上方。
74.在本实施例中，不同衬底层的材料是不同的，用于连接衬底层的邦定层205的材料也不同，所述的第一衬底层204和第二衬底层206通过邦定层205连接，所述的邦定层205使用的材料为多晶硅材料，所述的多晶硅材料为一表面为三五族化合物薄膜的多晶硅材料；简化不同工艺之间集成时电气连接以及提高散热效率。
75.更具体的，所述的第一衬底层204和第二衬底层206通过所述的邦定层205进行连接时，首先由两衬底层上各自完成位处于表面的电路加工，然后将邦定层205与其中任意一衬底层结合，再将另一衬底层电路表面与邦定层205结合，再经过加工后形成电气连接；
76.所述的邦定层205与第一衬底层204和第二衬底层206之间的电气连接是通过在邦定层上加工连线通道，并在其中填充金属材料形成邦定层互联线，第一衬底层204的功能模块与第二衬底层206的功能模块之间通过邦定层互联线电气连接。
77.实施例3
78.如图3所示，所述的嵌入式无源器件中的电阻按照异构电阻器件设计方法进行设置，电容按照异构电容器件设计方法进行设置，电感按照异构电感器件设计方法进行设置。
79.所述的异构电阻器件设计方法，异构电容器件设计方法，异构电感器件设计方法为了实现参数设计更多元，器件密度更高的无源器件集成，都通过结构不同的衬底层之间规划合适的互连材料与几何尺寸。加工三种嵌入式器件的材料由以下部分组成：电介质301，第一衬底层204上的第一种金属302，第二种金属结构303，第三种金属结构304，第二衬底层206上的第四种金属305；
80.所述的异构电阻器件设计方法，电阻元件构成包含至少一种金属材料，通过所述邦定层205连接在第一衬底层204和第二衬底层206之间，使用不同金属材料与加工结构得到所需的电阻特性，作为任一衬底层上功能模块的外围器件使用；
81.所述的异构电容器件设计方法，电容元件构成包含至少一种金属材料，同时包含至少一种电介质材料，通过所述邦定层205连接在第一衬底层204和第二衬底层206之间，通过不同的金属材料、电介质材料与加工结构得到所需的电容特性，作为任一衬底层上功能模块的外围器件使用；如图3所示的电容设计方法通过在第一衬底层204与第二衬底层206
之间使用不同种类的金属和电介质材料加工成平行板电容器结构，该平行板电容器结构利用了两衬底层，而引脚又可以通过金属互联的方式回到同一衬底层上或者连接两个衬底层。
82.所述的异构电感器件设计方法，电感元件构成包含至少一种金属材料，在第一衬底层204和第二衬底层206的任一衬底层上加工圆形、八角形、或正方形的平面电感结构，通过所述的邦定层205连接在第一衬底层204和第二衬底层206之间，通过不同的金属材料与加工结构得到所需的电感特性，作为任一衬底层上功能模块的外围器件使用；由于衬底层之间可以相互连接，因此图3中展示的平面电感形状可以同时在两个衬底层上加工完成，然后进行连接，并且可以进行若干个图案的连接，从而利用不同衬底层上的材料特性加工所需的电感值。
83.显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。