一种三轴MEMS陀螺集成微系统及其制造方法

技术领域

本申请涉及微系统的技术领域，特别是一种三轴MEMS陀螺集成微系统及其制造方法。

背景技术

微系统(Micro-System)是近十年来大力发展的现代前沿技术，是以微电子、光电子、微机电系统(micro-electro-mechanical system，MEMS)为基础，结合体系架构和算法，运用系统工程的设计方法，将传感、通信、处理、执行、微能源等功能单元采用微纳尺度的微系统封装技术集成在一起的微型复杂系统。MEMS陀螺集成微系统是将MEMS陀螺、信号处理电路通过先进封装技术集成在一起的微系统，可以实现对物体角速度的测量，主要应用于无人机、机器人、消费电子等领域。现有的MEMS陀螺集成微系统主要是利用高密度的封装基板将MEMS陀螺芯片和信号处理电路芯片集成在一起，少数利用2.5D转接板封装技术实现更高密度的集成，其主要缺陷是：

(1)利用高密度封装基板的方法集成密度已经达到极限，无法进一步缩减器件体积，满足更高集成密度的应用需求。

(2)由于一般的MEMS陀螺芯片都带有密封帽，其整体厚度是信号处理电路芯片的2倍以上，所以利用2.5D转接板的方法在Z方向上尺寸差异较大、系统整体厚度大，并且不利于信号处理电路芯片的散热。

发明内容

本申请提供一种三轴MEMS陀螺集成微系统及其制造方法，目的是解决现有高密度封装基板的方法集成密度不够高、2.5D转接板方法厚度大、不利于散热等问题。

第一方面，提供了一种三轴微机电系统MEMS陀螺集成微系统，包括：

三轴MEMS陀螺芯片，包括陀螺机械结构；

转接板芯片，与所述陀螺机械结构键合连接，所述转接板芯片具有转接板凹槽，所述转接板凹槽与所述陀螺机械结构相对设置，以形成所述陀螺机械结构的陀螺保护腔体。

与现有技术相比，本申请提供的方案至少包括以下有益技术效果：

(1)本发明的三轴MEMS陀螺集成微系统采用了2.5D转接板封装技术，将三轴MEMS陀螺芯片、可编程逻辑电路芯片、小信号检测处理芯片、模\数转换芯片、数\模转换芯片、驱动芯片、配置存储芯片、转接板芯片集成为单个封装器件，系统集成密度高、体积小，解决了以往利用高密度封装基板的方法集成密度有限的问题。

(2)本发明的三轴MEMS陀螺集成微系统采用兼有陀螺密封盖和转接板功能的转接板芯片，将厚度一致的陀螺芯片和信号处理电路芯片通过2.5D封装技术集成在同一平面，系统整体厚度小、并且厚度均匀一致，解决了以往2.5D转接板封装方法制作的MEMS陀螺集成微系统Z方向上尺寸差异较大、系统整体厚度大的问题。

(3)本发明的三轴MEMS陀螺集成微系统由于系统整体厚度均匀一致，易于直接在信号处理芯片表面增加散热片进行散热，解决了以往2.5D转接板封装方法制作的MEMS陀螺集成微系统不利于信号处理电路芯片的散热的问题。

(4)本发明的三轴MEMS陀螺集成微系统将三轴MEMS陀螺芯片、可编程逻辑电路芯片、小信号检测处理芯片、模\数转换芯片、数\模转换芯片、驱动芯片、配置存储芯片、转接板芯片集成为单个封装器件，具备角速度测量、模数转换、数模转换、高速数据处理等多种功能，提升了系统整体工作效率，并且易于集成到上一级系统中。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述陀螺机械结构的靠近转接板芯片的一侧设置有陀螺芯片布线，转接板芯片设置有顶层布线，所述陀螺芯片布线与所述顶层布线相互连接。

在键合的基础上设置布线连接，可以保证信号传输质量。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述转接板凹槽在所述三轴MEMS陀螺芯片上的投影区域位于所述陀螺芯片布线以外。

由此可以避免影响信号交互。

结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，其特征在于，所述三轴MEMS陀螺集成微系统还包括以下中的一个或多个：

可编程逻辑电路芯片、小信号检测处理芯片、模\数转换芯片、数\模转换芯片、驱动芯片、配置存储芯片。

第二方面，提供了一种三轴MEMS陀螺集成微系统，包括：

转接板芯片；

三轴MEMS陀螺芯片，设置于转接板芯片，所述三轴MEMS陀螺芯片包括硅衬底、陀螺机械结构和陀螺盖帽，所述陀螺机械结构位于所述硅衬底和陀螺盖帽之间，所述陀螺盖帽面向所述转接板芯片设置；

其中，所述陀螺盖帽的靠近所述陀螺机械结构的一侧具有第一盖帽凹槽，所述第一盖帽凹槽与所述陀螺机械结构相对设置，以形成所述陀螺机械结构的陀螺保护腔体。

解决现有高密度封装基板的方法集成密度不够高、2.5D转接板方法厚度大、不利于散热等问题。

结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，其特征在于，所述陀螺机械结构的靠近所述陀螺盖帽的一侧设置有第一陀螺芯片布线，所述陀螺盖帽的靠近所述陀螺机械结构的一侧设置有第二陀螺芯片布线，所述第一陀螺芯片布线和所述第二陀螺芯片布线键合连接；

所述陀螺盖帽还具有导通孔和第三陀螺芯片布线，所述第三陀螺芯片布线位于所述陀螺盖帽的靠近所述转接板芯片的一侧，所述导通孔连接在所述第二陀螺芯片布线和所述第三陀螺芯片布线之间，且与所述第一盖帽凹槽间隔设置。

在键合的基础上设置布线连接，可以保证信号传输质量。

结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，其特征在于，所述三轴MEMS陀螺集成微系统还包括以下中的一个或多个：

可编程逻辑电路芯片、小信号检测处理芯片、模\数转换芯片、数\模转换芯片、驱动芯片、配置存储芯片。

第三方面，提供了一种电子设备，所述电子设备包括如上述第一方面中的任意一种实现方式中所述的三轴MEMS陀螺集成微系统。

第四方面，提供了一种三轴MEMS陀螺集成微系统的加工方法，包括：

获取转接板芯片原材；

在转接板芯片加工得到转接板凹槽；

在转接板凹槽周围制作布线和焊盘；

通过芯片-晶圆键合工艺将三轴MEMS陀螺芯片的陀螺机械结构组装到转接板芯片原材上，以得到三轴MEMS陀螺集成微系统。

第五方面，提供了一种三轴MEMS陀螺芯片的加工方法，包括：

通过刻蚀工艺制作出具有陀螺机械结构的机械结构晶圆；

通过刻蚀工艺制作出具有第一盖帽凹槽的陀螺盖帽晶圆；

通过刻蚀、PECVD、溅射、电镀工艺，在所述陀螺盖帽晶圆上制作出导通孔；

通过晶圆键合工艺将所述机械结构晶圆和所述陀螺盖帽晶圆组装到一起；

通过减薄工艺，在所述陀螺盖帽晶圆的远离所述机械结构晶圆的一侧进行减薄，使所述导通孔外露；

通过划片工艺分离得到三轴MEMS陀螺芯片。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种三轴MEMS陀螺集成微系统的示意性结构图。

图2为本申请实施例提供的一种三轴MEMS陀螺集成微系统的示意性结构图。

图3为本申请实施例提供的一种三轴MEMS陀螺集成微系统的工作原理示意图。

图4为本申请实施例提供的一种三轴MEMS陀螺芯片的加工方法的示意性流程图。

图5为本申请实施例提供的一种三轴MEMS陀螺集成微系统的加工方法的示意性流程图。

图6为本申请实施例提供的一种三轴MEMS陀螺集成微系统的示意性结构图。

图7为本申请实施例提供的一种三轴MEMS陀螺集成微系统的加工方法的示意性流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细的描述。

图1是本申请实施例提供的一种三轴MEMS陀螺集成微系统的示意性结构图。

三轴MEMS陀螺集成微系统1可以包括转接板芯片9和三轴MEMS陀螺芯片2。三轴MEMS陀螺芯片2设置在转接板芯片9上。三轴MEMS陀螺芯片2可以包括硅衬底19、陀螺机械结构18和陀螺盖帽21。硅衬底19和陀螺盖帽21之间可以形成有陀螺保护腔体10。陀螺机械结构18位于硅衬底19和陀螺盖帽21之间，且陀螺机械结构18可以在陀螺保护腔体10内振动。

陀螺盖帽21可以位于三轴MEMS陀螺芯片2的靠近转接板芯片9的一侧。陀螺盖帽21可以面向转接板芯片9设置，以使得三轴MEMS陀螺芯片2和转接板芯片9可以通过陀螺盖帽21电连接。陀螺盖帽21可以具有硅通孔(TSV)11。陀螺盖帽21的靠近陀螺机械结构18的一侧可以设置有陀螺芯片布线22b。陀螺盖帽21的背离陀螺机械结构18的一侧可以设置有陀螺芯片布线17。陀螺盖帽21的硅通孔(TSV)11可以连接在陀螺芯片布线17和陀螺芯片布线22b之间。

本发明提出的三轴MEMS陀螺集成微系统1的信号连接方法为：陀螺机械结构18的靠近陀螺盖帽21的一侧可以设置有陀螺芯片布线22a。通过晶圆键合工艺，陀螺芯片布线22a可以与陀螺盖帽21的陀螺芯片布线22b互相连接(陀螺芯片布线22a和陀螺芯片布线22b可以结合为陀螺芯片布线22)。陀螺盖帽21的硅通孔(TSV)11可以在陀螺芯片布线22与陀螺盖帽21另一侧的陀螺芯片布线17之间实现信号互连。三轴MEMS陀螺芯片2可以通过芯片-晶圆键合工艺组装到转接板芯片9上。陀螺芯片布线17可以与转接板芯片9上的顶层布线12在键合时互相连接。

在一些实施例中，转接板芯片9上还可以设置有其他器件。如图1和图2所示，转接板芯片9上还可以设置有可编程逻辑电路芯片3、小信号检测处理芯片4、模\数转换芯片5、数\模转换芯片6、驱动芯片7、配置存储芯片8。上述器件例如可以通过倒装焊工艺组装到转接板芯片9上。其中，上述器件底部微凸点20与转接板芯片9的顶层焊盘14互相连接。三轴MEMS陀螺芯片2可以通过转接板芯片9与该上述器件交互信号。在一种可能的场景下，转接板芯片9上的顶层布线12、底层布线13(分别位于转接板芯片9的两侧)可以实现不同芯片之间在X和Y方向上的信号互连，转接板芯片9上的硅通孔(TSV)11可以实现在Z方向上的信号互连。

下面结合图3，阐述本发明提出的三轴MEMS陀螺集成微系统1的一种可能的工作原理。三轴MEMS陀螺芯片2通过其陀螺机械结构18可以感知其受外力所产生的在X、Y、Z三个方向上的角速度，输出与角速度相关的三路模拟信号；这三路模拟信号传输到小信号检测处理芯片4中，将模拟信号进行转换、滤波、放大和信号调制；模拟信号继续传输到模\数转换芯片5，进行模数转换得到数字信号，将此数字信号输出给可编程逻辑电路芯片3；可编程逻辑电路芯片3利用陀螺算法代码对接收到的数字信号进行处理，得到陀螺角速度数据，输出系统，同时得到陀螺控制数字信号，将此数字信号输出给数\模转换芯片6；数\模转换芯片6对数字信号进行数模转换得到模拟信号；该模拟信号输入到驱动芯片7，经过信号调制和放大后输出给三轴MEMS陀螺芯片2，实现对三轴MEMS陀螺芯片2的驱动；配置存储芯片8用于存储陀螺算法，并将该算法配置到可编程逻辑电路芯片3。

在一种可能的场景中，三轴MEMS陀螺芯片2是一款电容式三轴MEMS陀螺，测量范围±180°/s，零偏稳定性5°/h，角度随机游走

在一种可能的场景中，可编程逻辑电路芯片3是一款100万等效系统门FPGA，，内部包含了可编程逻辑模块(CLB)、通用输入输出模块(IOB)以及各种IP资源，可通过JTAG、串行模式或并行模式现场配置，灵活实现各种所需功能。可编程逻辑电路芯片3采用串行配置模式，将存储在配置存储芯片8的陀螺算法配置到可编程逻辑电路芯片3，利用该算法将接收到的三路12位数字信号进行处理，得到三路14位陀螺控制数字信号，将此数字信号输出给数\模转换芯片6，同时得到陀螺角速度数据，输出系统。

在一种可能的场景中，小信号检测处理芯片4是一款多功能的高精度、低噪声信号检测芯片，可以将三轴MEMS陀螺芯片2输出的微小电容模拟信号，经过C/V变换转换成电压信号，再对此信号进行滤波、放大和信号调制。

在一种可能的场景中，模\数转换芯片5是一款三通道12位模\数转换器，采用多级差分输入的流水线结构和输出逻辑纠错电路来保证在整个工作温度范围内和30MHz采样频率下的12位精度。模\数转换芯片5将小信号检测处理芯片4输出的信号转换为三路12位数字信号提供给可编程逻辑电路芯片3。

在一种可能的场景中，数\模转换芯片6是一款三通道14位数\模转换器，转换精度50MSPS，可实现数模转换、数字控制逻辑和满量程输出电流控制。数\模转换芯片6对接收到的三路14位陀螺控制数字信号进行数模转换得到模拟信号，将此陀螺控制模拟信号输出给驱动芯片7。

在一种可能的场景中，驱动芯片7是一款专用MEMS陀螺驱动芯片，可以将数\模转换芯片6输出的陀螺模拟控制信号进行调制、放大，实现对三轴MEMS陀螺芯片2的谐振驱动控制。

在一种可能的场景中，配置存储芯片8是一款可反复擦写、非易失的在线可编程32Mbit FLASH型存储器。配置存储芯片8用于存储陀螺算法，可通过外部软件将并将陀螺算法烧写进配置存储芯片8，配置存储芯片8接收到可编程逻辑电路芯片3的信号后，将陀螺算法配置到可编程逻辑电路芯片3。

在一些实施例中，为减少三轴MEMS陀螺芯片的整体厚度，陀螺盖帽21的靠近陀螺机械结构18的一侧可以具有第一盖帽凹槽。第一盖帽凹槽可以与陀螺机械结构18相对设置，从而陀螺机械结构18可以在第一盖帽凹槽内振动。也就是说，第一盖帽凹槽可以是陀螺保护腔体10的一部分。为避免影响信号交互，第一盖帽凹槽可以与陀螺盖帽21的硅通孔(TSV)11间隔设置。

在一些实施例中，为减少三轴MEMS陀螺芯片2的整体厚度，陀螺盖帽21的背离陀螺机械结构18的一侧可以具有第二盖帽凹槽。第二盖帽凹槽可以用于容置陀螺芯片布线17。也就是说，陀螺芯片布线17可以嵌入第二盖帽凹槽所形成的空间内。

在一些实施例中，为减少三轴MEMS陀螺芯片2的整体厚度，第二盖帽凹槽可以用于容置转接板芯片9上的顶层布线12。也就是说，第二盖帽凹槽所形成的空间可以用于实现陀螺芯片布线17和顶层布线12的互连空间。为避免布线干涉，顶层布线12在三轴MEMS陀螺芯片上的投影区域可以位于第二盖帽凹槽内。

在一些实施例中，通过减小三轴MEMS陀螺芯片的整体厚度，可以使三轴MEMS陀螺芯片的整体厚度2的整体厚度与转接板芯片9上其他器件的厚度大体相同。因此本发明提出的三轴MEMS陀螺集成微系统1的整体厚度一致。

下面结合图4，介绍图1所示的三轴MEMS陀螺芯片2的一种可能的制造方法。

①通过刻蚀工艺制作出带有陀螺机械结构18的机械结构晶圆23，通过刻蚀工艺制作出陀螺盖帽晶圆24的陀螺保护腔体10，通过刻蚀、PECVD、溅射、电镀工艺制作出硅通孔(TSV)11，②通过晶圆键合工艺将机械结构晶圆23和陀螺盖帽晶圆24组装到一起，形成密封结构，保证陀螺机械结构18的性能，③通过减薄工艺将陀螺盖帽晶圆24减薄，通过划片工艺分离出三轴MEMS陀螺芯片2，厚度450um。

下面结合图5，介绍图1所示的三轴MEMS陀螺集成微系统1的一种可能的制造方法。

①准备制作转接板芯片9的Si晶圆，②通过热氧化工艺制作SiO

图6是本申请实施例提供的另一种三轴MEMS陀螺集成微系统的示意性结构图。

三轴MEMS陀螺集成微系统1可以包括转接板芯片9和三轴MEMS陀螺芯片2。三轴MEMS陀螺芯片2设置在转接板芯片9上。三轴MEMS陀螺芯片2可以包括硅衬底19、陀螺机械结构18。也就是说，与图1所示的三轴MEMS陀螺芯片相比，三轴MEMS陀螺芯片2可以不具有陀螺盖帽21。陀螺盖帽21可以被省去，以减少三轴MEMS陀螺芯片2的整体厚度。因此，可以使三轴MEMS陀螺芯片的整体厚度2的整体厚度与转接板芯片9上其他器件的厚度大体相同。因此本发明提出的三轴MEMS陀螺集成微系统1的整体厚度一致。

陀螺机械结构18可以位于三轴MEMS陀螺芯片2的靠近转接板芯片9的一侧。陀螺机械结构18可以面向转接板芯片9设置，以使得三轴MEMS陀螺芯片2和转接板芯片9可以通过陀螺机械结构18电连接。陀螺机械结构18的靠近转接板芯片9的一侧可以设置有陀螺芯片布线17。从而三轴MEMS陀螺芯片2可以通过芯片-晶圆键合工艺组装到转接板芯片9上。陀螺芯片布线17可以与转接板芯片9上的顶层布线12在键合时互相连接。

为使陀螺机械结构18具有足够的振动空间，转接板芯片9可以设置有转接板凹槽。转接板凹槽可以与陀螺机械结构18相对设置，从而陀螺机械结构18可以在转接板凹槽内振动。也就是说，转接板凹槽可以为陀螺机械结构18提供陀螺保护腔体10。为避免影响信号交互，转接板凹槽在三轴MEMS陀螺芯片2上的投影区域可以位于陀螺芯片布线17以外。

与图1和图2所示的实施例类似，在图6所示的三轴MEMS陀螺集成微系统1中，转接板芯片9上还可以设置有可编程逻辑电路芯片3、小信号检测处理芯片4、模\数转换芯片5、数\模转换芯片6、驱动芯片7、配置存储芯片8。

在一种可能的场景中，三轴MEMS陀螺芯片2是一款电容式三轴MEMS陀螺，测量范围±450°/s，零偏稳定性10°/h，角度随机游走

在一种可能的场景中，可编程逻辑电路芯片3是一款350万等效系统门FPGA，包含多种硬IP系统级模块，包括强大的36Kb Block RAM/FIFO、第二代25x18 DSP Slice、带有集成数字时钟管理器(DCM)和锁相环(PLL)时钟发生器的增强型时钟管理模块以及高级配置选项。可编程逻辑电路芯片3采用串行配置模式，将存储在配置存储芯片8的陀螺算法配置到可编程逻辑电路芯片3，利用该算法将接收到的三路14位数字信号进行处理，得到三路16位陀螺控制数字信号，将此数字信号输出给数\模转换芯片6，同时得到陀螺角速度数据，输出系统。

在一种可能的场景中，小信号检测处理芯片4是一款多功能的高精度、低噪声信号检测芯片，可以将三轴MEMS陀螺芯片2输出的微小电容模拟信号，经过C/V变换转换成电压信号，再对此信号进行滤波、放大和信号调制。

在一种可能的场景中，模\数转换芯片5是一款三通道14位，100MSPS采样率的流水线模\数转换器。模\数转换芯片5将小信号检测处理芯片4输出的信号转换为三路14位数字信号提供给可编程逻辑电路芯片3。

在一种可能的场景中，数\模转换芯片6是一款三通道16位、转换精度400MSPS的低功耗高性能数模转换器。数\模转换芯片6对接收到的三路14位陀螺控制数字信号进行数模转换得到模拟信号，将此陀螺控制模拟信号输出给驱动芯片7。

在一种可能的场景中，驱动芯片7是一款专用MEMS陀螺驱动芯片，可以将数\模转换芯片6输出的陀螺模拟控制信号进行调制、放大，实现对三轴MEMS陀螺芯片2的谐振驱动控制。

在一种可能的场景中，配置存储芯片8是一款可反复擦写、非易失的在线可编程64Mbit FLASH型存储器。配置存储芯片8用于存储陀螺算法，可通过外部软件将并将陀螺算法烧写进配置存储芯片8，配置存储芯片8接收到可编程逻辑电路芯片3的信号后，将陀螺算法配置到可编程逻辑电路芯片3。

图6所示的三轴MEMS陀螺集成微系统1的信号连接方法和工作原理可以参照图1至3所示的实施例，在此不再详细赘述。

下面结合图7，介绍图6所示的三轴MEMS陀螺集成微系统1的一种可能的制造方法。

①准备制作转接板芯片9的Si晶圆，②通过热氧化工艺制作SiO

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。