集成微机电系统 (MEMS) 传感器设备 背景技术 诸如个人导航设备 (PND) 和智能手机之类的移动设备通常都具备某种形式的导 航和地图定向应用。这些移动设备通常利用磁罗盘， 即使是在该设备没有保持水平 (not held level) 时， 磁罗盘也必须工作， 这就需要将微机电系统 (MEMS) 加速计或陀螺仪与磁 传感器集成在一起。典型的移动设备包括磁罗盘传感器以及单独的 MEMS 加速计或陀螺仪 传感器。然而， 将这些传感器作为两个单独的传感器设备包含在移动设备中会占用大的印 刷电路板 (PCB) 占用面积 (footprint)。 由于移动导航设备对于成本和尺寸都非常敏感， 所 以任何能够降低成本或减少罗盘硬件的印刷电路板 (PCB) 占用面积的方案都是希望的。
发明内容
本发明的一个实施例提供了集成传感器设备。 该集成传感器设备包括具有表面部 分的第一衬底和以堆叠 (stacked) 结构耦合到第一衬底的表面部分的第二衬底， 其中， 在 第一衬底和第二衬底之间限定了空腔。 集成传感器还包括至少部分位于第一衬底中的一个 或多个微机电系统 (MEMS) 传感器， 其中， MEMS 传感器与空腔连通 (communcate)。该集成传 感器设备还包括一个或多个附加传感器。 附图说明 参照以下关于附图的描述， 本发明的特征对于本领域技术人员来说将会是显而易 见的。 应当理解， 对于附图的描述仅仅是本发明的典型实施例， 因而不应认为是对本发明范 围的限制， 将通过使用附图来描述本发明额外的特征和细节， 其中 ：
图 1 是包括集成 MEMS 和磁传感器的个人导航设备 (PND) 的一个实施方式 ；
图 2A-2C 是堆叠 MEMS 传感器设备的可替换实施例的截面侧视图 ；
图 2D 是图 2A 的堆叠 MEMS 传感器设备的顶视图 ； 并且
图 3 是形成集成 MEMS 传感器设备的方法的一个实施例的流程图。
具体实施方式
在以下的详细描述中， 对实施例进行了足够详细的描述以使本领域技术人员能够 实施本发明。可以理解， 可以在不偏离本发明的范围的情况下使用其他实施例。因此， 以下 的详细描述不应该被认为是限制。
随后描述的实施例涉及集成微机电系统 (MEMS) 传感器设备， 包括 MEMS 传感器和 至少一个附加传感器， 例如磁传感器。 通常， MEMS 传感器被覆盖衬底以形成加速计运行所需 的空腔， 并且， MEMS 传感器被包围在塑模 (plastic molded) 封装中。MEMS 衬底的一部分及 罩盖 (cap) 衬底一般是留下不用的。在本发明的一个实施例中， MEMS 传感器和磁传感器被 集成在单个堆叠结构中。在一个实施方式中， 利用 MEMS 传感器的罩盖的电学上未使用 ( 空 白 ) 半导体区域来以堆叠结构容纳一个或多个附加传感器， 从而形成集成传感器设备。
现有的集成 MEMS 传感器设备是微型的传感器设备， 其减少设备中使用的半导体衬底材料的量， 同时减少封装设备的 PCB 占用面积。与在单独的半导体芯片中形成传感器 时相比， 将加速计 ( 此后也称为倾角传感器 ) 或陀螺仪和磁传感器集成在共同的半导体设 备中减少了传感器所占的尺寸。例如， 磁传感器裸片和倾斜传感器裸片能够堆叠在一起以 减小封装尺寸， 从而减小封装占用面积。由于在本发明的实施例中更加充分地利用已经可 用的衬底区域， 制造成本也会更低。
图 1 是包括集成 MEMS 和磁传感器 130 的个人导航设备 (PND)100 的一个实施例。 PND 100 可以是移动 ( 手持式 ) 导航设备、 智能手机或任何类似的被配置为在需要定向信息 的导航和应用中帮助用户的移动设备。例如， 用户可以是职业第一反应者或公众成员。PND 100 包括被配置为运行导航和定向程序模块 120 的处理器 110。显示器 140 将导航信息呈 现给用户， 并且可以包括液晶显示 (LCD)、 数字显示器或其它。能够被显示的导航信息包括 位置信息、 定向信息、 地图、 罗盘方向、 预定路径或在导航中有用的其它任何信息。
定向信息是与 PND 100 的当前定向有关的信息， 并且能够使用集成 MEMS 和磁传感 器 130( 此后也称为集成 MEMS 传感器 ) 来确定。集成 MEMS 和磁传感器 130 向处理器 110 提供关于加速度、 滚动及方向数据 ( 即， 关于罗盘的方向 ) 的信息。PND 100 能够在一个单 独的集成 MEMS 传感器 130 中使用感测加速度及陀螺仪数据的三个轴。在可替换的实施例 中， PND 100 包括多个集成 MEMS 传感器 130， 每一个分别用于加速度或陀螺仪数据的不同 轴。PND 100 的部件根据需要使用合适的接口彼此通信地耦合并且互连。 图 2A-2C 示出了堆叠传感器设备 200、 200’ 和 200” 的可替换实施例。集成 MEMS 传感器设备 200、 200’ 和 200” 包括具有表面部分 212 的第一衬底 210。第一衬底 210 包含 至少一个 MEMS 传感器 220。第二衬底 240 耦合到第一衬底 210 的表面部分 212。在一些实 施例中， MEMS 传感器 220 的一部分位于第二衬底 240 中。传感器设备 200、 200’ 和 200” 包 括至少一个附加传感器 250， 如磁传感器。
第一衬底 210 和第二衬底 240 可以由各种材料组成， 如硅、 玻璃、 石英或其它类似 材料。在一个实施例中， 第二衬底 240 是用于覆盖 MEMS 传感器 220 的罩盖。该罩盖能够使 用已知的接合工艺， 如玻璃熔融 (fritz) 接合、 胶合或焊接， 密封地附着于衬底 210 的表面 部分 212。
MEMS 传感器 220 可以包括一个或多个加速计、 陀螺仪或其组合， 以及流量传感器、 气体检测器或任何其它在衬底 210 或罩盖 240 的至少一个中有电学上未使用部分的适合于 MEMS 技术的传感器。例如， 三个加速计轴能够用在单个传感器设备 200 中。类似地， 两个陀 螺仪轴也能够用在单个传感器设备 200 中。在一个实施例中， MEMS 传感器 220 包括倾斜传 感器裸片。
集成传感器设备 200、 200’ 和 200” 还包括在第一衬底 210 和第二衬底 240 之间形 成的空腔 230。第二衬底 240 作为罩盖来保护 MEMS 传感器 220 免受外部环境影响， 并密封 空腔 230。MEMS 传感器 220 与空腔 230 连通。如图 2A-2C 所示， 空腔 230 穿过衬底 210 的 表面部分 212 形成。然而， 在可替换的实施例中， 空腔 230 在第二衬底 240 的底部 242 中形 成。空腔 230 被密封以容纳真空或惰性气体。空腔 230 用于向 MEMS 传感器 220 提供运动 的自由， 实现诸如振动或旋转之类的运动。
第二衬底 240( 即， 罩盖 ) 包括底部 242 和顶部 244。在 MEMS 设备中， 罩盖 ( 及第 一衬底 210 的一部分 ) 通常在顶部 244 上包括电学上未使用 ( 即， 空白 ) 部分。衬底的空
白部分是电学上未被 MEMS 传感器 220 使用的任何部分。图 2A 示出了其中一个或多个传感 器 250 位于第二衬底 240 中的实施例。传感器设备 200 的该实施例提供 ： 顶部 244 的部分 或全部电学上未使用部分容纳一个或多个传感器 250。传感器 250 能够包括磁传感器、 压 力传感器、 温度传感器或任何类型的合适的电子电路。 在可替换的实施例中， 罩盖还包括有 源 MEMS 传感器元件或构成整个集成 MEMS 传感器设备 200 的一部分。图 2D 是图 2A 的堆叠 MEMS 传感器设备 200 的顶视图， 示出了在第二衬底 240 的顶部 244 中的一个或多个附加传 感器 250。
如图 2B 的实施例中所示， 一个或多个附加传感器 250 位于 MEMS 传感器设备 200’ 的第一衬底 210 的电学上未使用部分中。如图 2C 的实施例中所示， 一个或多个附加传感器 250 位于 MEMS 传感器设备 200” 的第一衬底 210 和第二衬底 240 的电学上未使用部分中。
在图 2A-2D 的实施例中， MEMS 传感器 220 和传感器 250 是电隔离的。在可替换的 实施例中， MEMS 传感器 220 和传感器 250 不是电隔离的。来自每个传感器的引线可能会伸 出它们各自的衬底。传感器设备 200、 200’ 和 200” 的实施例还包括金属或衬底框架 ( 未示 出 )， 其使得来自传感器 220 和 250 的输出能够连接到其它设备 ( 如， 通过导线或引线 )。 传 感器设备 200、 200’ 和 200” 还包括封装 ( 如塑模封装 )， 以便组装到下一级的设备 ( 如 PND 100 中 )。封装使得传感器设备 200、 200’ 和 200” 更容易处理且更加坚固。
图 3 是将传感器与 MEMS 设备集成的方法 300 的一个实施例的流程图。在第一衬 底中形成 MEMS 传感器的至少一部分 (310)。如果 MEMS 传感器不是完全在第一衬底中形成 的， 则其余部分形成在第二衬底中。制造 MEMS 有源晶圆的一个示例性的方法是 Micragem 标准。 Micragem 标准包括 ： 首先在玻璃晶圆中蚀刻空腔。 然后以图案形成 (pattern) 电极、 线路及接合焊盘 (bond pad)。绝缘硅 (SOI) 处理晶圆阳极接合到玻璃晶圆。蚀刻硅处理晶 圆和隐埋氧化层。接下来， 沉积低压金属。执行平版印刷图案和深反应离子蚀刻 (DRIE) 以 释放硅微结构。形成 MEMS 传感器元件。然而， Micragem 标准只是一个示例性的方法， 本领 域技术人员已知的形成 MEMS 传感器其它适合的方法都被考虑到。
一旦形成了 MEMS 传感器 (310)， 就形成了一个或多个传感器或电路。这些附加传 感器可以在第一衬底、 第二衬底 ( 例如 MEMS 罩盖晶圆 ) 或其组合的空白部分之上或之内制 造 (320)。 将这些传感器制造到罩盖晶圆上的方法将取决于要制造的特定传感器。 对于制造 用于提供罗盘数据的磁传感器的示例性过程， 参见 1997 年 6 月 6 日提交的、 名称为 “Method of Fabricating a Magnetoresistive Sensor” 的美国专利号 5820924， 在此通过引用将其 全部内容合并于此。
一旦所有传感器都被制造， 就使用现有的机械方法将第二衬底 ( 罩盖晶圆 ) 接合 到第一衬底 (330)。这就产生了集成的 MEMS 和传感器堆叠， 其然后被封装以生产微型传感 器设备 (340)。
在一个实施例中， 单个设备封装包括集成的磁传感器和倾斜传感器。倾斜传感器 裸片的电学上未使用的硅表面被用作磁传感器裸片。 磁传感器裸片和倾斜传感器裸片堆叠 在一起以减小封装尺寸， 从而减小设备的占用面积。 由于重用了硅区域， 所以将降低成本并 减小占用面积。这种组合的倾斜传感器和磁传感器能够被用来在 PND 中提供位置和定向信 息。
本发明可以在不脱离其实质特征的情况下以其它特定方式来实施。 在特定实施例中描述的方面和限制可以与其它实施例结合。 所描述的实施例在各方面都应当认为仅是说 明性的而不是限制性的。因此本发明的范围由所附权利要求而不是前面的描述来限定。落 入与权利要求同等的意义或范围内的所有变化都被包含在其范围之内。