本發(fā)明涉及MEMS系統(tǒng)集成制造技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種三維單片集成傳感器系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

當前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與人工智能技術(shù)在給人們生活帶來便利的同時，對于傳感器系統(tǒng)，在體積、散熱、集成化、傳輸速度和執(zhí)行功能等方面提出更加嚴格的要求，如數(shù)據(jù)在線實時檢測，極端環(huán)境下精準作業(yè)以及高速高質(zhì)量的通訊服務(wù)等，這使得傳感器系統(tǒng)所包含的各類傳感器的數(shù)量也越來越多，同時為便于人們的使用，最終產(chǎn)品化的傳感器系統(tǒng)體積不能過大。隨著半導體行業(yè)的高速發(fā)展，系統(tǒng)中的傳感器以及電路部件數(shù)量的急劇增加，未來傳感器系統(tǒng)有著高度集成化、小型化的發(fā)展趨勢，以滿足更加智能化、人性化的要求。例如無線通訊行業(yè)，在5G通訊即將全面到來的背景下，射頻濾波器芯片作為無線通訊的基本單元，小體積、多頻段射頻濾波器是未來無線通訊射頻前端的重要發(fā)展趨勢。

針對現(xiàn)有傳感器系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)的封裝工藝，用硅片封帽封裝傳感器，封裝后的傳感器器件縱向厚度過大。另外，傳統(tǒng)工藝集成傳感器時，是制作完成多個傳感器后，再進行電路布線連接。這類封裝及電路連接工藝雖能夠滿足傳感器系統(tǒng)集成需求，但是存在著體積較大、不易高度集成化、成品率低等缺點。因此有必要提供一種新型技術(shù)方案來解決傳統(tǒng)工藝存在的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本申請實施例通過提供一種三維單片集成傳感器系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中傳感器系統(tǒng)體積較大、不易高度集成化、成品率較低的問題。

本申請實施例提供一種三維單片集成傳感器系統(tǒng)，包括：集成電路晶圓、傳感器層、薄膜封裝層；所述傳感器層包括多個傳感器，所述傳感器集成在所述集成電路晶圓上，所述薄膜封裝層位于所述傳感器層之上；

所述集成電路晶圓包括：襯底、電路模塊層、第一絕緣層。

優(yōu)選的，所述電路模塊層中集成有多個電路模塊，所述第一絕緣層中布有導電通道，所述電路模塊通過所述導電通道與所述傳感器相連。

優(yōu)選的，所述電路模塊層中還設(shè)有第一端口、第二端口；所述第一端口作為信號輸入端，所述第二端口作為信號輸出端。

優(yōu)選的，所述第一端口通過所述導電通道與第一電路模塊相連，所述第二端口通過導電通道與第二電路模塊相連。

優(yōu)選的，所述第一絕緣層中設(shè)有犧牲層。

優(yōu)選的，所述薄膜封裝層包含第二絕緣層、第一封裝層、第二封裝層。

優(yōu)選的，所述薄膜封裝層在每個所述傳感器之上均形成一個單獨的薄膜封帽。

優(yōu)選的，所述傳感器層上刻蝕有用于釋放所述第一絕緣層的第一通孔。

優(yōu)選的，所述第一封裝層上刻蝕有用于釋放所述第二絕緣層的第二通孔。

本申請實施例中提供的一個或多個技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點：

在本申請實施例中，提供的三維單片集成傳感器系統(tǒng)包括集成電路晶圓、傳感器層、薄膜封裝層，其中，傳感器層包括多個傳感器，傳感器集成在集成電路晶圓上，薄膜封裝層位于傳感器層之上；集成電路晶圓包括襯底、電路模塊層、第一絕緣層，因此本發(fā)明能夠使大量的傳感器器件-封裝-互連電路三維單片集成，有效縮減了單個集成芯片的體積，能滿足未來MEMS系統(tǒng)中傳感器數(shù)量爆炸式增長的需求；另一方面，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案能讓大量傳感器在同一集成電路晶圓上集成制造并進行封裝，省去后續(xù)繁雜的布線以及鍵合封裝，提高制造成品率以及MEMS系統(tǒng)可靠性。本發(fā)明滿足高度集成化和小型化的傳感器系統(tǒng)制作需求。

附圖說明

為了更清楚地說明本實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一個實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例提供的一種三維單片集成傳感器系統(tǒng)中集成電路晶圓的縱向剖面圖；

圖2為在集成電路晶圓上的第一絕緣層中沉積犧牲層后，集成電路晶圓的縱向剖面圖；

圖3為在集成電路晶圓上生長制造多個傳感器后，未封裝的三維單片集成傳感器系統(tǒng)的縱向剖面圖；

圖4為經(jīng)薄膜封裝后，三維單片集成傳感器系統(tǒng)的縱向剖面圖。

其中，1-集成電路晶圓、2-傳感器層、3-薄膜封裝層；

101-襯底、102-電路模塊層、103-第一絕緣層、104-導電通道、105-犧牲層、106-第一端口、107-第二端口、108-下空腔、109-第一電路模塊、110-第二電路模塊、111-第三電路模塊、112-第四電路模塊；

201-上電極、202-壓電材料、203-下電極、204-第一通孔、205-第一傳感器、206-第二傳感器、207-第三傳感器；

301-第二絕緣層、302-第一封裝層、303-第二封裝層、304-上空腔、305-第二通孔。

具體實施方式

為了更好的理解上述技術(shù)方案，下面將結(jié)合說明書附圖以及具體的實施方式對上述技術(shù)方案進行詳細的說明。

本實施例提供了一種三維單片集成傳感器系統(tǒng)，如圖1-4所示，包括：集成電路晶圓1、傳感器層2、薄膜封裝層3；所述傳感器層2包括多個傳感器，所述傳感器集成在所述集成電路晶圓1上，所述薄膜封裝層3位于所述傳感器層2之上。

參考圖1，所述集成電路晶圓1包含襯底101、電路模塊層102、第一絕緣層103。所述集成電路晶圓1以所述襯底101作為基底，具體的，所述襯底101所采用的材料是高阻硅，能有效減少能量損耗。

其中，所述電路模塊層102中集成有多個電路模塊，所述第一絕緣層103中布有導電通道104，所述電路模塊通過所述導電通道104與所述傳感器相連。

所述電路模塊層102中還設(shè)有第一端口106、第二端口107；所述第一端口106作為信號輸入端，所述第二端口107作為信號輸出端。

以所述電路模塊的數(shù)量為四個為例進行說明，四個所述電路模塊(即第一電路模塊109、第二電路模塊110、第三電路模塊111、第四電路模塊112)集成制造在所述電路模塊層102中。通過所述導電通道104，四個所述電路模塊均與所述傳感器層2相連。所述導電通道104應(yīng)采用導電性良好的金屬，如金、銀等。所述第一端口106與所述第二端口107分別作為信號的輸入端和輸出端。

所述第一端口106通過所述導電通道104與所述第一電路模塊109相連接，即所述第一電路模塊109作為輸入端電路模塊。所述第二端口107通過所述導電通道104與所述第二電路模塊110相連接，即所述第二電路模塊110作為輸出端電路模塊。

參考圖2、圖3、圖4，在傳感器下方設(shè)置有空腔，由于電極材料與真空空腔或空氣空腔的聲阻抗不匹配，可增強聲波反射，減少器件的能量損失，增強品質(zhì)因子(Q值)，能使傳感器更好的工作。在所述第一絕緣層103中刻蝕出溝槽，然后在其中生長沉積形成犧牲層105，便于傳感器的集成制造，后續(xù)所述犧牲層105會通過第一通孔204釋放形成下空腔108。在本發(fā)明其他實施例中，存在某些傳感器不需要在其下方刻蝕出空腔(例如，聲學器件中有“增強聲波反射以提高Q值”的傳感器需要有空腔，其他領(lǐng)域的微型器件可以不設(shè)置空腔)也能正常工作，這種情況下，則所述集成電路晶圓1的所述第一絕緣層103不用設(shè)置所述犧牲層105。

參考圖1、圖2、圖3，在所述集成電路晶圓1上通過沉積、光刻等MEMS制程工藝，制造出多個傳感器，構(gòu)成所述傳感器層2。

參看圖2、圖3，所述傳感器層2由上電極201、壓電材料202、下電極203堆疊而成。從所述第一端口106輸入電信號到電極(包括所述上電極201、所述下電極203)，由于逆壓電效應(yīng)，所述壓電材料202產(chǎn)生振動，此時各傳感器中會產(chǎn)生體聲波或聲表面波，并在傳感器層2中傳播，由所述第二端口107輸出。以傳感器的數(shù)量為三個為例，包含第一傳感器205、第二傳感器206、第三傳感器207。所述第一傳感器205的下電極203通過導電通道104與所述第一電路模塊109相連，所述第一傳感器205的上電極201通過導電通道104與所述電路模塊第三111相連；所述第二傳感器206的下電極203與所述電路模塊第三111相連，所述第二傳感器206的上電極201與所述第四電路模塊112相連；所述第三傳感器207的下電極203與所述第二電路模塊110相連，所述第三傳感器207的上電極201與所述第四電路模塊112相連。

需要說明的是，在本實施例的示意圖圖3中，有四個電路模塊(即第一電路模塊109、第二電路模塊110、第三電路模塊111、第四電路模塊112)和三個傳感器(即第一傳感器205、第二傳感器206、第三傳感器207)。在實際生產(chǎn)制造中，電路模塊、傳感器的數(shù)量可以大于或遠大于示意圖中數(shù)量，來集成為滿足要求的MEMS系統(tǒng)。

參考圖4，所述薄膜封裝層3生長制造在所述傳感器層2之上，包含第二絕緣層301、第一封裝層302、第二封裝層303。在本實施例中，所述第二絕緣層301材料采用二氧化硅，所述第一封裝層302材料采用氮化鋁或碳化硅等，所述第二封裝層303材料采用硅基材料或高分子材料等。

參考圖3、圖4，在生長制造所述薄膜封裝層3的過程中，通過第二通孔305來刻蝕釋放所述第二絕緣層301部分材料，形成傳感器的上空腔304，其中所述第一封裝層302起到了上空腔保護墻的作用，同時，通過所述第一通孔204來刻蝕釋放所述犧牲層105，形成傳感器的下空腔108。所述薄膜封裝層3在每個傳感器之上形成一個個薄膜封裝腔，使得每個傳感器的工作不受外接環(huán)境干擾，且不受其它傳感器的影響。

特別地，本發(fā)明提供的技術(shù)方案能很好運用在無線通訊射頻前端濾波器的集成制造中，在該實施例中，上述傳感器就是各類聲波諧振器，所述第一傳感器205對應(yīng)的是第一蘭姆波諧振器，所述第二傳感器206對應(yīng)的是薄膜體聲波諧振器，所述第三傳感器207對應(yīng)的是第二蘭姆波諧振器。在同一所述集成電路晶圓1上，制造的聲波諧振器通過電路模塊連接，構(gòu)成多頻段射頻濾波器，以滿足5G無線通訊的要求。

最后所應(yīng)說明的是，以上具體實施方式僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照實例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。