集成热式加速度和红外传感器的单芯片的制作方法

集成热式加速度和红外传感器的单芯片
【技术领域】
1.本实用新型涉及mems(微机电系统)器件领域，尤其涉及一种集成热式加速度和红外传感器的单芯片(或传感器芯片)。

背景技术：

2.近年来，基于mems技术的加速度传感器和红外传感器广泛的应用于人们的日常生活之中，比如运动，健康监测，防疫监控等等。加速度传感器可以用来监测设备的状态，起到姿势探测，运动感知等作用。红外传感器则可以起到温度探测，红外成像，人体感应监测等作用。
3.目前的技术，通常需要两颗独立的器件，一颗加速度传感器和一颗红外探测器来完成加速度测量和红外温度测量。由于加速度传感器和红外热电堆传感器的制作工艺不同，通常需要分别流片，封装后再组装在同一块基板上面。这需要更多的基板的面积和更多的成本。
4.因此，有必要提出一种技术方案来克服上述问题。

技术实现要素：

5.本实用新型的目的之一在于提供一种集成热式加速度和红外传感器的单芯片，其可以提升集成度，降低芯片占用面积和使用成本。
6.根据本实用新型的一个方面，本实用新型提供一种集成热式加速度和红外传感器的单芯片，其包括第一晶圆部，所述第一晶圆部包括：第一衬底；第一腔体，其设置于所述第一衬底中，所述第一腔体内密封有填充气体，所述填充气体为对特定红外光谱不吸收或者吸收较少的气体；悬桥式传感器结构，其设置于所述第一衬底的正面且与所述第一腔体相对，其可切换为加速度检测模式或红外检测模式；信号处理电路，其设置于所述第一衬底的正面，其用于对所述悬桥式传感器结构产生的传感信号进行处理。
7.进一步的，所述悬桥式传感器结构包括：支撑层，其位于所述第一衬底的正面且位于所述第一腔体上方；热电堆，其包括第一热电堆单元、第二热电堆单元、第三热电堆单元和第四热电堆单元，所述第一热电堆单元和第二热电堆单元设置于x轴方向，且分别位于所述第一腔体的相对的第一侧边和第二侧边，所述第三热电堆单元和第四热电堆单元设置于y轴方向，且分别位于所述第一腔体的相对的第三侧边和第四侧边，其中，x轴和y轴组成直角坐标系；加热器，其布置于所述悬桥式传感器结构的中部。
8.进一步的，所述加热器包括四组加热单元，其中，两组加热单元并行布置于x轴方向，另两组加热单元并行布置于y轴方向。
9.进一步的，所述集成热式加速度和红外传感器的单芯片还包括第二晶圆部，所述第二晶圆部的正面与所述第一晶圆部的正面相键合，所述第二晶圆部包括：第二衬底；第二腔体，其设置于所述第二衬底中且与所述悬桥式传感器结构相对，所述第二腔体内密封有所述填充气体。
10.进一步的，当处于加速度检测模式时，对所述加热器施加电流以加热所述填充气体，所述信号处理电路基于第一热电堆单元和第二热电堆单元输出的电压信号的差值，获取在x轴方向的加速度；所述信号处理电路基于第三热电堆单元和第四热电堆单元输出的电压信号的差值，获取在y轴方向的加速度，当处于红外温度检测模式时，关闭所述加热器，通过开关将第一热电堆单元、第二热电堆单元、第三热电堆单元和第四热电堆单元输出的电压信号串联起来，使所述热电堆输出总电压信号，所述信号处理电路基于所述热电堆输出的总电压信号，获取红外温度。
11.进一步的，所述热电堆由n掺杂或者p掺杂的多晶硅与金属组成；所述热电堆由n掺杂和p掺杂的多晶硅组成；所述热电堆由其他具有塞贝克效应的材料组成；或所述加热器由金属化的多晶硅或金属制作。
12.进一步的，当处于加速度检测模式时，所述填充气体作为检测加速度的媒介；当处于红外检测模式时，所述填充气体则起到绝热的作用，增强红外探测效率。
13.进一步的，所述填充气体为氮气、氙气或氪气；所述信号处理电路与所述悬桥式传感器结构具有相同的层次，同时制作而成。
14.与现有技术相比，本实用新型利用cmos
‑
mems加工工艺，将热式加速度传感器和热电堆红外传感器集成在同一颗芯片上，共享相同的传感器结构，可以根据需求，在加速度测量与红外温度探测之间切换，分别实现对加速度和温度的测量，从而提升集成度，降低芯片占用面积和使用成本。
【附图说明】
15.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
16.图1为本实用新型在一个实施例中的集成热式加速度和红外传感器的单芯片的纵向剖面示意图；
17.图2为本实用新型在一个实施例中如图1所示的悬桥式传感器结构的俯视图；
18.图3为本实用新型在一个实施例中如图2所示的悬桥式传感器结构的制造方法的流程示意图。
【具体实施方式】
19.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
20.此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本实用新型至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连。
21.请参考图1所示，其为本实用新型在一个实施例中的集成热式加速度和红外传感器的单芯片的纵向剖面示意图。图1所示的集成热式加速度和红外传感器的单芯片包括第
一晶圆部110、第二晶圆部120和填充气体(未标识)。通过晶圆级封装后，会进行晶圆切割的步骤以形成多个相互独立的封装结构，即独立芯片。以晶圆切割前的角度来看，即晶圆级的角度来看，第一晶圆部110和第二晶圆部120分别属于两个独立的晶圆，以晶圆切割后的角度来看，即芯片级的角度来看，第一晶圆部110和第二晶圆部120可以被理解为从相应晶圆下切割下来的晶片。
22.所述第一晶圆部110包括第一衬底112、mems悬桥式传感器结构(或悬桥式探测结构)114、信号处理电路(未图示)和第一腔体116。第一腔体116自所述第一衬底112的正面延伸至所述第一衬底112内；mems悬桥式传感器结构114设置于第一衬底112的正面上，且与所述第一腔体116相对(或所述第一腔体116位于所述mems悬桥式传感器结构114的下方)，所述mems悬桥式传感器结构114用于进行加速度测量和红外温度测量；信号处理电路设置于第一衬底112的正面上，其用于对所述mems悬桥式传感器结构114产生的传感信号(例如，电压信号)进行处理。在图1所示的具体实施例中，所述第一衬底112为硅衬底，位于mems悬桥式传感器结构114下方的所述第一腔体116可以通过刻蚀硅衬底获得。
23.所述第二晶圆部120包括第二衬底122和第二腔体124，所述第二腔体124 自所述第二衬底122的正面延伸至所述第二衬底122内，所述第二晶圆部120 的正面(或第二衬底122的正面)与所述第一晶圆部110的正面相键合，且所述第二腔体124与所述mems悬桥式传感器结构114相对。在图1所示的具体实施例中，第二衬底122为盖子(capping)圆片，位于mems悬桥式传感器结构114 上方的所述第二腔体124可以通过capping圆片刻蚀或者加工获得；所述第二晶圆部120的背面(或所述第二晶圆部120远离所述第一晶圆部110的一面) 上设置(或覆盖)有红外滤光涂层130。
24.所述第一腔体116和第二腔体124内需密封填充气体，所述填充气体为对特定红外光谱不吸收或者较少吸收的气体，其可以是氮气，氙气，氪气等。当单芯片(或mems悬桥式传感器结构114)处于加速度检测模式时，所述填充气体作为检测加速度的媒介；当单芯片(或mems悬桥式传感器结构114)处于红外检测模式时，所述填充气体则可以起到很好绝热的作用，增强红外探测效率。
25.请参考图2所示，其为本实用新型在一个实施例中如图1所示的悬桥式传感器结构的俯视图。图2所示的mems悬桥式传感器结构包括支撑层210、热电堆220和加热器230。为了方便后面的描述，在图2中定义直角坐标系，其中， x轴从左向右延伸，y轴从下向上延伸，且x轴和y轴所在平面平行于图1所示第一晶圆部110的表面。
26.所述支撑层210位于第一衬底112的正面且位于所述第一腔体116上方，所述支撑层材料可以为二氧化硅，氮化硅，多晶硅，金属或者有机材料，所述支撑层材料本身可用作吸收红外线。
27.所述热电堆220包括四组热电堆单元，即第一热电堆单元tp1、第二热电堆单元tp2、第三热电堆单元tp3和第四热电堆单元tp4，分别布置在第一腔体116 的上下左右四个方向(即第一晶圆部110的表面方向)。其中，第一热电堆单元tp1和第二热电堆单元tp2设置于x轴方向，且分别位于所述第一腔体116 的相对的第一侧边和第二侧边，第三热电堆单元tp3和第四热电堆单元tp4设置于y轴方向，且分别位于所述第一腔体116的相对的第三侧边和第四侧边。所述热电堆220可以由n掺杂或者p掺杂的多晶硅与金属(例如，铝)组成，也可以由n掺杂和p掺杂的多晶硅组成，也可以由其他具有塞贝克效应的材料组成。
28.所述加热器230布置于所述mems悬桥式传感器结构114的中部，比如中心位置，其包括四组加热单元(未标识)，其中，两组加热单元并行布置于x轴方向，另两组加热单元并行布置于y轴方向。所述加热器230可以由金属化的多晶硅或金属制作而成。
29.在一个实施例中，所述信号处理电路与所述mems悬桥式传感器结构114具有相同的层次，同时制作而成。所述信号处理电路包含运放，模数转换器等信号处理单元。
30.以下结合图2具体介绍图1所示的集成热式加速度和红外传感器的单芯片的工作过程。
31.当图1所示的单芯片处于加速度检测模式时，通过给所述加热器230施加电流，使所述加热器230加热封闭腔体(例如，第一腔体116和第二腔体124) 内的填充气体，所述填充气体受热后随着加速度方向和大小流动。通过检测封闭腔体内被加热的填充气体的流动的方向和速度，就可以得到加速度的方向和大小。
32.四个方向的热电堆单元tp1、tp2、tp3和tp4所处的温度分别为t1、t2、t3和t4；四个方向的热电堆单元tp1、tp2、tp3和tp4输出的电压信号分别为v1、 v2、v3和v4。
33.无加速度时,温度呈对称分布，故四个方向的热电堆单元tp1、tp2、tp3和 tp4的温度相同。
34.t1＝t235.t3＝t436.因此，四个方向的热电堆单元tp1、tp2、tp3和tp4输出的电压信号也相同:
37.v1＝v238.v3＝v439.若有x轴方向的加速度，且方向为正(或负)时，x轴方向对应的热电堆单元tp1、tp2的温度发生变化，且正比于x轴方向的加速度，两组热电堆单元tp1 和tp2的电压信号也随x轴方向的加速度发生变化：
40.t1‑
t2＝δt
x
41.δt
x
∝
a
x
42.v1‑
v2＝δv
x
∝
a
x
43.其中，δt
x
为x轴方向对应的热电堆单元tp1、tp2的温度差，a
x
为x轴方向的加速度，δv
x
为x轴方向对应的热电堆单元tp1、tp2的电压信号差。所述信号处理电路基于第一热电堆单元tp1和第二热电堆单元tp2输出的电压信号的差值δv
x
＝v1
‑
v2，得到(或获取)在x轴方向的加速度a
x
。
44.同理，若有y轴方向的加速度，且方向为正(或负)时，y轴方向对应的热电堆单元tp3、tp4的温度发生变化，且正比于y轴方向的加速度，两组热电堆单元tp3和tp4的电压信号也随y轴方向的加速度发生变化：
45.t3‑
t4＝δt
y
46.δt
y
∝
a
y
47.v3‑
v4＝δv
y
∝
a
y
48.其中，δt
y
为y轴方向对应的热电堆单元tp3、tp4的温度差，a
y
为y轴方向的加速度，δv
y
为y轴方向对应的热电堆单元tp3、tp4的电压信号差。所述信号处理电路基于第三热电堆单元tp3和第四热电堆单元tp4输出的电压信号的差值δvy＝v3‑
v4，得到(或获取)在y轴
方向的加速度a
y
。
49.当图1所示的单芯片处于红外温度检测模式时，加热器230关闭。整个mems 悬桥式传感器结构114都能够吸收红外射线后温度升高，热量主要通过与第一衬底112相接的mems悬桥式传感器结构114流出，所以形成了mems悬桥式传感器结构114中部温度高，四周温度低的温度分布。由于塞贝克效应，温差导致四组热电堆单元tp1、tp2、tp3和tp4产生电压差。通过开关(未图示)将第一热电堆单元tp1、第二热电堆单元tp2、第三热电堆单元tp3和第四热电堆单元tp4输出的电压信号串联起来，所述热电堆220输出的总电压信号为：
50.v
total
＝v1+v2+v3+v451.总电压信号v
total
正比于红外射线的强度，所述信号处理电路基于所述热电堆220输出的总电压信号，得出(或获取)相应的红外温度。
52.也就是说，当图1所示的单芯片处于加速度检测模式时，对所述加热器230 施加电流以加热所述封闭腔内的填充气体，所述信号处理电路基于第一热电堆单元tp1和第二热电堆单元tp2输出的电压信号的差值，得到在y轴方向的加速度；所述信号处理电路基于第三热电堆单元tp3和第四热电堆单元tp4输出的电压信号的差值，得到在y轴方向的加速度。当图1所示的单芯片处于红外温度检测模式时，关闭所述加热器230，通过开关将第一热电堆单元tp1、第二热电堆单元tp2、第三热电堆单元tp3和第四热电堆单元tp4输出的电压信号串联起来，所述热电堆220输出总电压信号，所述信号处理电路基于所述热电堆 220输出的总电压信号，得到红外温度。
53.请参考图3所示，其为本实用新型在一个实施例中如图2所示的悬桥式传感器结构的制造方法的流程示意图，其利用标准的cmos电路工艺在第一衬底112 上制作悬桥式传感器结构。图3所示的悬桥式传感器结构的制造方法包括如下步骤。
54.步骤301、提供第一衬底112。在一个实施例中，所述第一衬底112为硅衬底。
55.步骤302、在所述第一衬底112上形成支撑层210，在一个实施例中，在所述第一衬底112上生长氧化硅薄膜充当支撑层210。
56.步骤303、在所述支撑层210上沉积多晶硅，对所述沉积的多晶硅进行p型和/或n型掺并且图形化。这取决于所述热电堆220的组成：若所述热电堆220 是由n型掺杂和p型掺杂的多晶硅组成，则对所述多晶硅进行p型和n型掺杂并且图形化；若所述热电堆220是由n型掺杂的多晶硅和金属组成，则对所述多晶硅进行n型掺杂并且图形化；若所述热电堆220是由p型掺杂的多晶硅和金属组成，则对所述多晶硅进行p型掺杂并且图形化。
57.步骤304、对沉积的多晶硅金属化，以制成加热器230。所述金属化材料可以是硅化钛或者硅化钨。
58.步骤305、在掺杂和金属化的多晶硅层上沉积第一介质层。
59.步骤306、在所述第一介质层上形成贯穿所述第一介质层且与所述多晶硅互连的通孔。
60.步骤307、在形成有所述通孔的第一介质层上沉积第一金属层并图形化。若所述热电堆220是由n型掺杂和p型掺杂的多晶硅组成，则图形化的第一金属层主要作为导线；若所述热电堆220是由金属和n型掺杂或p型掺杂的多晶硅组成，则图形化的第一金属层作为所述热电堆220的正极或负极。在一个实施例中，所述第一金属层的材料为铝。
61.步骤308、在图形化的第一金属层上沉积第二介质层。
62.步骤309、在所述第二介质层上沉积第二金属层并图形化，所述图形化的第二金属层可以用作改善红外吸收效率。在一个实施例中，所述第二金属层的材料为铝。
63.步骤310、在图形化的第二金属层上沉积第三介质层。
64.步骤311、在所述第三介质层上沉积钝化层。所述钝化层可以是氮化硅等材料。
65.步骤312、在所述钝化层上制作刻蚀保护层。刻蚀保护层可以是光刻胶也可以是钝化材料比如聚酰亚胺。
66.步骤313、基于刻蚀保护层向下逐层刻蚀形成刻蚀孔240，以露出第一衬底 112。
67.步骤314、经由刻蚀孔240对第一衬底112进行深硅刻蚀(drie)、干法刻蚀，以制作空腔，将薄膜下方的第一衬底112去除，形成绝热空腔即第一腔体 116。第一腔体116的纵向的刻蚀深度在50～400微米左右；侧向刻蚀深度在40～ 100微米左右。
68.步骤315、在第一腔体116内充满纯度可控的填充气体，比如氮气，氙气，氪气等。当图1所示的单芯片处于加速度检测模式时，填充气体作为检测加速度的媒介；当图1所示的单芯片处于红外检测模式时，填充气体则可以起到很好绝热的作用，增强红外探测效率。
69.综上所述，本实用新型利用cmos
‑
mems加工工艺，将热式加速度传感器和热电堆红外传感器集成在同一颗芯片上，共享相同的传感器结构，可以根据需求，在加速度测量与红外温度探测之间切换，分别实现对加速度和温度的测量，从而提升集成度，降低芯片占用面积和使用成本。
70.在本实用新型中，“连接”、“相连”、“连”、“接”等表示电性连接的词语，如无特别说明，则表示直接或间接的电性连接。
71.以上所述仅为本实用新型的较佳实施方式，本实用新型的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本实用新型揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

技术特征：

1.一种集成热式加速度和红外传感器的单芯片，其特征在于，其包括第一晶圆部，所述第一晶圆部包括：第一衬底；第一腔体，其设置于所述第一衬底中，所述第一腔体内密封有填充气体，所述填充气体为对特定红外光谱不吸收或者吸收较少的气体；悬桥式传感器结构，其设置于所述第一衬底的正面且与所述第一腔体相对，其可切换为加速度检测模式或红外检测模式；信号处理电路，其设置于所述第一衬底的正面，其用于对所述悬桥式传感器结构产生的传感信号进行处理。2.根据权利要求1所述的集成热式加速度和红外传感器的单芯片，其特征在于，所述悬桥式传感器结构包括：支撑层，其位于所述第一衬底的正面且位于所述第一腔体上方；热电堆，其包括第一热电堆单元、第二热电堆单元、第三热电堆单元和第四热电堆单元，所述第一热电堆单元和第二热电堆单元设置于x轴方向，且分别位于所述第一腔体的相对的第一侧边和第二侧边，所述第三热电堆单元和第四热电堆单元设置于y轴方向，且分别位于所述第一腔体的相对的第三侧边和第四侧边，其中，x轴和y轴组成直角坐标系；加热器，其布置于所述悬桥式传感器结构的中部。3.根据权利要求2所述的集成热式加速度和红外传感器的单芯片，其特征在于，所述加热器包括四组加热单元，其中，两组加热单元并行布置于x轴方向，另两组加热单元并行布置于y轴方向。4.根据权利要求2所述的集成热式加速度和红外传感器的单芯片，其特征在于，其还包括第二晶圆部，所述第二晶圆部的正面与所述第一晶圆部的正面相键合，所述第二晶圆部包括：第二衬底；第二腔体，其设置于所述第二衬底中且与所述悬桥式传感器结构相对，所述第二腔体内密封有所述填充气体。5.根据权利要求2或4所述的集成热式加速度和红外传感器的单芯片，其特征在于，当处于加速度检测模式时，对所述加热器施加电流以加热所述填充气体，所述信号处理电路基于第一热电堆单元和第二热电堆单元输出的电压信号的差值，获取在x轴方向的加速度；所述信号处理电路基于第三热电堆单元和第四热电堆单元输出的电压信号的差值，获取在y轴方向的加速度，当处于红外温度检测模式时，关闭所述加热器，通过开关将第一热电堆单元、第二热电堆单元、第三热电堆单元和第四热电堆单元输出的电压信号串联起来，使所述热电堆输出总电压信号，所述信号处理电路基于所述热电堆输出的总电压信号，获取红外温度。6.根据权利要求2或4所述的集成热式加速度和红外传感器的单芯片，其特征在于，所述热电堆由其他具有塞贝克效应的材料组成；或所述加热器由金属化的多晶硅或金属制作。7.根据权利要求2或4所述的集成热式加速度和红外传感器的单芯片，其特征在于，当处于加速度检测模式时，所述填充气体作为检测加速度的媒介；
当处于红外检测模式时，所述填充气体则起到绝热的作用，增强红外探测效率。8.根据权利要求2或4所述的集成热式加速度和红外传感器的单芯片，其特征在于，所述填充气体为氮气、氙气或氪气；所述信号处理电路与所述悬桥式传感器结构具有相同的层次，同时制作而成。

技术总结

本实用新型提供一种集成热式加速度和红外传感器的单芯片，其包括第一晶圆部，第一晶圆部包括：第一衬底；第一腔体，其设置于第一衬底中，第一腔体内密封有填充气体，填充气体为对特定红外光谱不吸收或者吸收较少的气体；悬桥式传感器结构，其设置于第一衬底的正面且与第一腔体相对，其可切换为加速度检测或红外检测模式；信号处理电路，其设置于第一衬底的正面，其用于对悬桥式传感器结构产生的传感信号进行处理。与现有技术相比，本实用新型共享相同的传感器结构，可以在加速度测量与红外温度探测之间切换，分别实现对加速度和温度的测量，从而提升集成度，降低芯片占用面积和使用成本。成本。成本。