一种微机电系统芯片及电子设备的制作方法

本申请涉及微机电系统技术领域，特别是涉及一种微机电系统芯片及电子设备。

背景技术：

微机电系统(mems，micro-electro-mechanicalsystem)是在半导体制造技术基础上发展起来的，融合了光刻、腐蚀、薄膜、liga(lithogrophyelectroformingmicromolding，x光深刻精密电铸模造成形)、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件。微机电系统是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。

其中，微机电系统侧重于超精密机械加工，目前的微机电系统将机械模块(例如传感器)和信号调理电路集成在一个芯片上，单芯片在机械加工过程中，影响信号调理电路的性能和可靠性。受到工艺、晶圆材料等的限制，单芯片mems的局限性很大，尤其是信号调理电路的性能会有很大的制约；机械的加工过程也会造成电路部分性能和可靠性的影响。

技术实现要素：

本申请提供一种微机电系统芯片及电子设备，以解决影响信号处理电路的性能和可靠性的技术问题。

为解决上述技术问题，本申请提供一种微机电系统芯片，所述微机电系统芯片包括第一芯片和第二芯片；所述第一芯片和所述第二芯片堆叠设置；且所述第一芯片和所述第二芯片连接。

其中，所述第一芯片设置有第一键合柱，所述第二芯片设置有第二键合柱，所述第一键合柱和所述第二键合柱进行键合，以使所述第一芯片和所述第二芯片连接。

其中，所述第一芯片为微机械模块，包括传感器，用于产生所述第一信号；

其中，所述第一芯片为微机械模块，包括传感器，用于产生所述第一信号；

所述第二芯片为信号调理模块，包括：

一次处理电路，与所述传感器连接，接收所述第一信号，并对所述第一信号进行采样处理，输出采样信号；

信号调理电路，与所述一次处理电路连接，用于处理所述采样信号。

其中，所述第一芯片为微机械模块，包括：

传感器，用于产生第一信号；

一次处理电路，与所述传感器连接，接收所述第一信号，并对所述第一信号进行采样处理，输出采样信号；

所述第二芯片为信号调理模块，包括：

信号调理电路，与所述一次处理电路连接，用于处理所述采样信号。

其中，所述第二芯片至少包括第一子芯片和第二子芯片，所述第一芯片与所述第一子芯片和所述第二子芯片的至少之一堆叠设置。

其中，所述第一芯片、所述第一子芯片与所述第二子芯片依次堆叠设置，所述第一芯片与所述第一子芯片连接，所述第一子芯片与所述第二子芯片连接。

其中，所述第一芯片包括：

传感器，用于产生第一信号；

一次处理电路，与所述传感器连接，接收所述第一信号，并对所述第一信号进行采样处理，输出采样信号；

所述第一子芯片包括：

模拟信号处理电路，与所述一次处理电路连接，用于处理所述采样信号，输出模拟信号；

所述第二子芯片包括：

数字信号处理电路，与所述模拟信号处理电路连接，用于处理所述模拟信号。

其中，所述第一芯片设置有第一键合柱，所述第一子芯片的第一表面设置有第二键合柱，所述第一子芯片的第二表面设置有第三键合柱，所述第二子芯片设置有第四键合柱，所述第一表面与所述第二表面相对设置；

其中，所述第一键合柱和所述第二键合柱进行键合，以使所述第一芯片与所述第一子芯片连接；所述第三键合柱和所述第四键合柱进行键合，以使所述第一子芯片与所述第二子芯片连接。

其中，所述第一子芯片包括：

衬底，设置有第一通孔；

芯片主体，设于所述衬底上，设置有多层金属层，相邻的两个所述金属层之间设有第二通孔；

连接件，设置于所述第二通孔内，用于将所述多层金属层连接；

所述第三键合柱，设置于所述第一通孔内，与所述多层金属层中靠近所述衬底的金属层连接。

其中，每个所述第二通孔在所述衬底上的投影与对应的所述第一通孔部分重叠或者完全重叠。

为解决上述技术问题，本申请进一步提供一种电子设备，所述电子设备包括上述微机电系统芯片。

本申请的微机电系统芯片包括第一芯片和第二芯片，所述第一芯片和所述第二芯片堆叠设置，且所述第一芯片和所述第二芯片连接。由于微机电系统芯片包括堆叠设置的第一芯片和第二芯片，因此第一芯片可设置为微机械模块，第二芯片可设置为信号调理模块，在对微机械模块进行机械加工时，避免影响信号调理模块的性能和可靠性，进而提高微机电系统芯片的性能和可靠性。此外，所述第一芯片设置有第一键合柱，所述第二芯片设置有第二键合柱，所述第一键合柱和所述第二键合柱进行键合，实现所述第一芯片和所述第二芯片连接，避免在第一芯片和第二芯片之间设置连接线，结构简单，以使第一芯片和第二芯片之间传输信号的寄生参数小，进而提高信号的处理精度。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，这些附图示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于说明本申请的技术方案。

图1是现有的微机电系统芯片一实施例的结构示意图；

图2是现有的微机电系统芯片另一实施例的结构示意图；

图3是本申请微机电系统芯片一实施例的结构示意图；

图4是图3中第一芯片和第二芯片的结构示意图；

图5是图3中第一芯片和第二芯片一实施例的框架示意图；

图6是图3中第二芯片设置信号线的结构示意图；

图7是图3中第一芯片和第二芯片另一实施例的框架示意图；

图8是本申请微机电系统芯片另一实施例的结构示意图；

图9是图8中第一芯片、第一子芯片和第二子芯片一实施例的框架示意图；

图10是本申请第一子芯片一实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其他实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其他实施例相结合。

本申请的描述中，需要说明书的是，除非另外明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械来能接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间隔相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况连接上述属于在本申请的具体含义。

请参见图1所示，微机电系统芯片10可以包括第一芯片11、第二芯片12和连接线13，第一芯片11为微机械模块，第二芯片12为信号调理模块，第一芯片11和第二芯片12位于同一平面上，第一芯片11通过连接线13连接第二芯片12。具体地，第一芯片11和第二芯片12均需要设置引线，以实现第一芯片11通过连接线13连接第二芯片12。

请参见图2所示，微机电系统芯片20可以包括第一芯片21、第二芯片22和封装基板23，第一芯片21为微机械模块，第二芯片22为信号调理模块，第一芯片21和第二芯片22设置于封装基板23的同一表面上，且第一芯片21和第二芯片22通过封装基板23实现连接。其中，封装基板23设置有连接线，用于连接第一芯片21和第二芯片22。

其中，微机电系统芯片10的第一芯片11和第二芯片12、微机电系统芯片20的第一芯片21和第二芯片22均需要设置连接线(或者引线)，导致寄生电容较大，即信号寄生参数大，信号串扰严重，造成信号调理电路处理困难。同时微机电系统芯片整体的结构复杂，实现困难，可靠性低，成本高。

本申请提供一实施例的微机电系统芯片30，如图3所示，该微机电系统芯片30包括第一芯片31和第二芯片32，第一芯片31和第二芯片32堆叠设置，以形成3d(3dimensional，三维)微机电系统芯片。由于第一芯片31和第二芯片32堆叠设置，因此能够灵活的扩展功能，同时也可以缩小微机电系统芯片30的面积，以预留更多空间给其他微机电系统芯片。

其中，第一芯片31堆叠设置在第二芯片32上。在其他实施例中，第二芯片32可以堆叠设置在第一芯片31上。当然进一步的，还可以有三个或者三个以上的芯片垂直堆叠放置在一起。

进一步，第一芯片31和第二芯片32连接，即第一芯片31和第二芯片32直接连接，避免在第一芯片31和第二芯片32之间设置连接线(或者引线)，结构简单，易于实现，降低成本，提高微机电系统芯片30的可靠性。这样的堆叠连接以使第一芯片31和第二芯片32之间传输信号的寄生参数小，减少信号串扰，能够更好地传输信号，进而提高信号的处理精度。

如图3所示，第一芯片31设置有第一键合柱311，第二芯片32设置有第二键合柱321，第一键合柱311和第二键合柱321进行键合，以使第一芯片31和第二芯片32连接。具体地，第一芯片31的正面设置第一键合柱311，第二芯片32的正面设置第二键合柱321，第一键合柱311和第二键合柱321进行键合，因此第一芯片31和第二芯片32实现面对面键合。

可选地，如图4所示，第一芯片31包括第一衬底312和第一顶层金属层313，第一顶层金属层313设置于第一衬底312上。第一芯片31靠近第一顶层金属层313的表面为第一芯片31的正面，第一芯片31的正面设置有多个孔314，每个孔314对应设置有与第一顶层金属层313连接的第一焊盘，以形成第一键合柱311。可选地，第一芯片31还包括设置于第一衬底312和第一顶层金属层313之间的多层金属层。

第二芯片32包括第二衬底322和第二顶层金属层323，第二顶层金属层323设置于第二衬底322上。第二芯片32靠近第二顶层金属层323的表面为第二芯片32的正面，第二芯片32的正面设置有多个孔324，每个孔324对应设置有与第二顶层金属层323连接的第二焊盘，以形成第二键合柱321。可选地，第二芯片32还包括设置于第二衬底322和第二顶层金属层323之间的多层金属层。

本实施例通过第一键合柱311和第二键合柱321进行键合，实现第一芯片31和第二芯片32连接，避免在第一芯片31和第二芯片32之间设置连接线(或者引线)，结构简单，易于实现，降低成本，提高微机电系统芯片30的可靠性。这样的键合连接以使第一芯片31和第二芯片32之间传输信号的寄生参数小，减少信号串扰，能够更好地传输信号，进而提高信号的处理精度。

结合图3和图5所示，第一芯片31为微机械模块，第二芯片32为信号调理模块。由于微机电系统芯片30的微机械模块和信号调理模块分别设置，因此在对微机械模块(第一芯片31)进行机械加工时，能够避免影响信号调理模块(第二芯片32)的性能和可靠性，进而提高微机电系统芯片30的性能和可靠性。

具体地，第一芯片31包括传感器，传感器可以包括加速度计、陀螺仪以及压力传感器中的至少一种。其中，传感器用于产生第一信号，第一信号可以为传感器检测到的信号。

第二芯片32包括一次处理电路和信号调理电路，一次处理电路与传感器连接，用于接收第一信号，并对第一信号进行采样处理，以得到采样信号。其中，一次处理电路可以为基本电路处理电路，用于与传感器配合进行信号的采样处理。

信号调理电路也可以称为二次处理电路，与一次处理电路连接，接收采样信号，用于处理采样信号；信号调理电路可以包括滤波器、放大器、信号通路选择和信号处理电路。

滤波器与一次处理电路连接，用于对采样信号进行滤波处理，以滤除或者降低采样信号中的噪声，滤波器可以为rc滤波器。

放大器与滤波器连接，用于对滤波后的信号进行放大；由于滤波后的信号很弱，因此需要放大后才能进行后续处理，本申请可以根据滤波后的信号选择不同的放大器，例如：放大器包括单端输入的放大器、电流信号的放大器或电压信号的放大器等。

信号通路选择与放大器连接，用于对放大后的信号进行通路选择，用于输出不同的信号给信号处理电路。在放大后的信号仅存在唯一的处理方式的情况下，信号调理电路可以不包括信号通路选择。

信号处理电路与信号通路选择或者放大器连接，用于对选择后的信号或者放大后的信号进行处理；信号处理电路可以包括模拟信号处理电路或者数字信号的处理电路。为了提高信号处理的精度和速度，可以将输入的信号(例如选择后的信号或者放大后的信号)进行模拟数字转换，然后通过信号处理电路进行处理。信号处理电路处理后的信号，可以作为第二芯片32的输出信号。

本实施例的第一芯片31仅包括传感器，第二芯片32包括一次处理电路和信号调理电路，因此第一芯片31采用机械加工工艺进行生产制造，第二芯片32采用电路加工工艺进行生产制造，实现第一芯片31和第二芯片32进行分别生产制造，相互不干扰，进而提高微机电系统芯片30的性能和可靠性。

如图3-4所示的第一芯片31和第二芯片32实现面对面键合，因此第二芯片32的输出信号无法从第二芯片32的正面设置与外部电路连接的信号线。

可选地，如图6所示，第二芯片32进一步包括第一金属层325、第一背部焊盘326、第二背部焊盘327以及信号线328，第二衬底322远离第一金属层325的表面为第二芯片32的背面，第一背部焊盘326、第二背部焊盘327以及信号线328设置于第二芯片32的背面。

第一金属层325设置于第二衬底322上，且第一金属层325与第二衬底322的距离最小，即第一金属层325与第二衬底322的距离小于第二顶层金属层323与第二衬底322的距离。

第二衬底322设置有第一开孔329，第一背部焊盘326设置于第一开孔329内，与第一金属层325连接，用于将第一金属层325引出。第二背部焊盘327设置于第一背部焊盘326上，与第一背部焊盘326和信号线328连接，用于作为信号线328的连接焊盘。

本实施例可以通过以下工艺流程制备第一背部焊盘326、第二背部焊盘327以及信号线328。首先，将需要设置信号线328的第二衬底322进行打磨处理，以使打磨后的第二衬底322厚度便于后续设置第一开孔329。然后，在打磨后的第二衬底322进行刻蚀，以在第二衬底322设置第一开孔329。然后，刻蚀并制备第一背部焊盘326，以将第一金属层325引出。最后，制备第二背部焊盘327，以作为信号线328的连接焊盘。

其中，第二芯片32的第一金属层325用于输出第二芯片32的输出信号。在其他实施例中，第二芯片32的其他金属层用于输出第二芯片32的输出信号，则需要将其他金属层连接至第一金属层325，以输出第二芯片32的输出信号。

本实施例通过在第二芯片32的背面设置第一背部焊盘326、第二背部焊盘327以及信号线328，以通过信号线328输出第二芯片32的输出信号。此外，第一芯片31也可以采用相同的方式设置信号线，在此不再赘述。

在一实施例中，结合图3和图7所示，第一芯片31为微机械模块，第二芯片32为信号调理模块，其中第一芯片31包括传感器和一次处理电路，传感器用于产生第一信号，一次处理电路与传感器连接，接收第一信号，并对第一信号进行采样处理，输出采样信号。

第二芯片32包括信号调理电路，与一次处理电路连接，接收采样信号，用于处理采样信号。信号调理电路可以包括滤波器、放大器、信号通路选择和信号处理电路，信号调理电路与上述实施例所揭示的信号调理电路相同，在此不再赘述。

本实施例第一芯片31包括传感器和一次处理电路，以使传感器和一次处理电路紧密配合，能够保证采样信号的精度和准确性。

请进一步参见图8所示，微机电系统芯片80包括第一芯片81和第二芯片82，第二芯片82至少包括第一子芯片821和第二子芯片822，第一芯片81与第一子芯片821和第二子芯片822的至少之一堆叠设置。在其他实施例中，第二芯片82可以根据实际需要设置多个子芯片，例如第二芯片82可以设置有三个子芯片或者五个子芯片。

本实施例以第一芯片81、第一子芯片821和第二子芯片822依次堆叠设置为例进行说明，其中第一子芯片821堆叠设置在第二子芯片822上，第一芯片81堆叠设置在第一子芯片821上。其中，第一芯片81与第一子芯片821连接，第一子芯片821与第二子芯片822连接。

在其他实施例中，第一芯片81可以堆叠设置在第一子芯片821上，第二子芯片822和第一子芯片821设置于在同一平面上。

结合图9所示，第一芯片81包括传感器和一次处理电路，传感器用于产生第一信号，一次处理电路与传感器连接，接收第一信号，并对第一信号进行采样处理，输出采样信号。第一子芯片821包括模拟信号处理电路，模拟信号处理电路与一次处理电路连接，用于处理采样信号，输出模拟信号。第二子芯片822包括数字信号处理电路，数字信号处理电路与模拟信号处理电路连接，接收模拟信号，用于处理模拟信号，以输出第二芯片82的输出信号(数字信号)。

其中，模拟信号处理电路包括滤波器和放大器，数字信号处理电路包括信号通路选择和信号处理电路，其中滤波器、放大器、信号通路选择和信号处理电路与上述实施例的滤波器、放大器、信号通路选择和信号处理电路相同，在此不再赘述。

本实施例的滤波器和放大器为模拟电路，信号通路选择和信号处理电路为数字电路，即第一子芯片821包括滤波器和放大器，第二子芯片822包括信号通路选择和信号处理电路，能够分别对第一子芯片821和第二子芯片822进行制造，因此本实施例的第一子芯片821和第二子芯片822能够利用不同的工艺进行制造，以充分利用不同工艺的优势。

在第一子芯片821中，滤波器中的滤波电容或滤波电阻需要特殊的模拟制造工艺；放大器，尤其是高精度放大器，基于精度或者特定器件的要求，需要特定的模拟制造工艺。在第二子芯片822中，信号通路选择和信号处理单元作为数字电路，可以采用专门的数字工艺，有助于提高数据的处理速度，降低功耗。

如图8所示，第一芯片81设置有第一键合柱811，第一子芯片821的第一表面(正面)设置有第二键合柱823，第一子芯片821的第二表面(背面)设置有第三键合柱824，第二子芯片822设置有第四键合柱825，第一子芯片821的第一表面与第二表面相对设置。

其中，第一键合柱811和第二键合柱823进行键合，以使第一芯片811与第一子芯片821连接；第三键合柱824和第四键合柱825进行键合，以使第一子芯片821与第二子芯片822连接。第一键合柱811、第二键合柱823和第四键合柱825的结构均可以与上述实施例的第一键合柱311的结构相同，在此不再赘述。

请一并参见图10所示，第一子芯片821进一步包括衬底8211、芯片主体8212、连接件8213以及第三键合柱824。其中，芯片主体8212设置于衬底8211上，芯片主体8212设置有多层金属层，多层金属层可以包括金属层m1、m2、……、mn，金属层m1为芯片主体8212的底层金属层，金属层mn为芯片主体8212的顶层金属层，其中n为大于1的整数。

衬底8211设置有第一通孔8214，衬底8211可以进行打磨处理，在打磨后的衬底8211进行刻蚀，以在衬底8211设置第一通孔8214，第一通孔8214穿过整个衬底8211。相邻的两个金属层之间设有第二通孔8215，例如金属层m2和金属层m1之间设置有第二通孔8215，金属层mn和金属层mn-1之间设置有第二通孔8215。其中，每个第二通孔8215在衬底8211上的投影与对应的第一通孔8214可以部分重叠或者完全重叠，本实施例的每个第二通孔8215在衬底8211上的投影与第一通孔8214完全重叠，利于设置第二通孔8215和第一通孔8214。

连接件8213设置于第二通孔8215内，即在每个第二通孔8215内均设置有连接件8213，连接件8213用于连接相邻的两个金属层，进而将多层金属层连接。例如，连接件8213用于连接金属层mn和金属层mn-1，连接件8213用于连接金属层m2和金属层m1，即芯片主体8212通过在每个第二通孔8215内设置连接件8213，以将金属层m1、m2、……、mn依次连接在一起，第二通孔8215也可以称为片内连接孔。

这里需要说明的是，图10中示意连接件8213和第二通孔8215设置在金属层m2和金属层m1之间的情况，即：这里用于连接金属层m2和金属层m1，第二通孔8215设置在金属层m2和金属层m1之间，连接件8213设置于第二通孔8215内。

在连接件8213将多层金属层连接之后，衬底8211的第一通孔8214可以通过填充导体，例如金属，以形成第三键合柱824。即第三键合柱824设置于第一通孔8214内，与多层金属层中靠近衬底8211的金属层连接。其中，多层金属层中靠近衬底8211的金属层为金属层m1，第三键合柱824与金属层m1连接，以使第一子芯片821的背面设置第三键合柱824。

本申请进一步提供一种电子设备，该电子设备包括上述实施例所揭示的微机电系统芯片。其中，电子设备具体可以包括但不限于个人计算机、智能手机(便携式电话)、数字静态照相机、平板终端、手表、喷墨式喷射装置(例如喷墨打印机)、笔记本型个人计算机、电视、摄像机、汽车导航装置、防盗设备、医疗器械(例如电子体温计、血压计、血糖计、心电图测量仪、超声诊断仪、电子内窥镜)、测量设备等。

综上所述，本申请微机电系统芯片30包括第一芯片31和第二芯片32，第一芯片31和第二芯片32堆叠设置，能够缩小微机电系统芯片30的面积，以预留更多空间给其他微机电系统芯片。第一芯片31和第二芯片32连接，以使第一芯片31和第二芯片32之间传输信号的寄生参数小，减少信号串扰，能够更好地传输信号，进而提高信号的处理精度。

本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“左”、“右”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。