本發(fā)明提供一體化近感探測微系統(tǒng)及其制備方法，屬于探測器。

背景技術：

1、近感探測器作為系統(tǒng)終端運作的核心裝置，集信息感知、信息處理及信息交互為一體，其主要作用是探測物理信號中包含的距離信息并進行決策。近感探測器決定了系統(tǒng)整體效能發(fā)揮的及時性、有效性及充分性，其先進性也一直是世界各國角逐競爭的主流方向之一。不同于一般的探測系統(tǒng)，近感探測具有檢測時間短、響應速度快、可利用資源少、容納空間小的應用特點，對瞬時性、低功耗、小型化及可靠性提出了更嚴苛的要求。

2、在各類近感探測器中，基于調頻連續(xù)波體制的軟件無線電近感探測器通過感知空間中的電磁波信號實現定距及控制，通常由天線、射頻前端、數字處理器(特指fpga)、供電系統(tǒng)四部分組成，相比別的探測體制，該體制探測器具有體積小、功耗低、連續(xù)監(jiān)測、算法靈活等優(yōu)勢。

3、傳統(tǒng)的調頻連續(xù)波軟件無線電近感探測系統(tǒng)主要存在以下兩個問題：

4、1、結構分散，不利于系統(tǒng)的小型化：多數現有的專利及文獻僅包含射頻芯片的單一集成，或者數字及存儲器集成，當涉及到與系統(tǒng)其他元件的集成時則多用pcb板級集成，元件封裝尺寸及轉接板互連尺寸都較大；此外體積、數量占比均為最高的無源器件，包含天線、電阻、電容等，現有技術多采用外置表貼的方案，垂直及水平尺寸占比較大。

5、2、可靠性差，阻容元件采用人工表貼的方式，各轉接板之間用轉接口或飛線的方式連接，整個系統(tǒng)制備過程中可能出現虛焊、漏焊，器件規(guī)格不符等諸多問題；集成度變高，使得天線與射頻芯片之間、射頻芯片之間、射頻芯片與數字芯片之間距離更近，不同類型的信號之間存在干擾；此外在射頻領域，大面積的接地層的尺寸可類比工作頻率的波長，會引發(fā)諧振，產生嚴重的寄生效應，影響信號傳輸質量。

6、這些問題與近感探測器的需求相互矛盾，是制約近感探測器功能擴展與應用實現的重要因素。

技術實現思路

1、為了滿足近感探測器小型化及高可靠的需求，解決現有探測器集成度低、可靠性差的問題，本發(fā)明提出了一種針對軟件無線電近感探測系統(tǒng)的一體化三維集成方法，采用晶圓級熱壓鍵合及扇出工藝，將檢測良好的裸芯片及無源器件在封裝基板上進行互連，形成天線-射頻-數字-電源一體化集成的單芯片，從而提高系統(tǒng)的集成度和可靠性?；緦崿F手段是針對天線這樣的大型無源器件設計以晶圓級熱壓鍵合工藝為主的制備方法，選用集成無源器件(integrate?passive?device,ipd)芯片用來替代大量分散的阻容元件，并與其他功能的芯片一起采用晶圓級扇出技術進行封裝。對天線、功分器及射頻芯片的水平布局進行設計，對射頻信號線和射頻芯片設計屏蔽及散熱結構，避免集成度變高產生的新的干擾及散熱問題。

2、具體技術方案為：

3、一體化近感探測微系統(tǒng)，為調頻連續(xù)波體制，包括：fpga、模數/數模轉換芯片ad/da，調理電路、r陣列、開關陣列、耦合器coupler、天線、功分器、低噪聲放大器lna、混頻器mixer、帶通濾波器bpf、自動增益控制電路agc和電源芯片；

4、使用fpga作為調制信號發(fā)生器，數模轉換芯片da將fpga生成的數字調制波形轉換為模擬調制波形，da之后是調理電路，濾波的同時提供額外的增益，以便設置射頻壓控振蕩器vco的直流偏置電壓，使vco的輸出頻率范圍與天線的帶寬相匹配，該電路的輸出由r陣列的輸入電阻具體決定，r陣列的電阻是由fpga控制開關陣列決定的。接收機采用超外差架構，vco輸出的射頻信號被一分為二，一路經耦合器coupler的輸出端口作為發(fā)射信號依次經過功分器、天線向空間輻射，另一路經耦合器coupler的耦合端及低噪聲放大器lna送到混頻器mixer作為本振信號。發(fā)射信號與回波信號通過混頻器mixer混頻，并由帶通濾波器bpf進行濾波(下變頻)，從而得到差頻信號，再經過自動增益控制電路agc將輸出幅值控制在最佳范圍，并由模數轉換芯片ad采樣濾波后的差頻信號，送入fpga中實現測距算法。電源芯片將外部輸入總電源分壓并為系統(tǒng)中的有源器件提供不同數值的穩(wěn)定電壓。

5、本發(fā)明提供的一體化近感探測微系統(tǒng)的結構，采用多層轉接板堆疊；具體的：

6、第一層無源器件轉接板，設有天線、功分器；天線和功分器通過天線饋電通孔互連，形成頂層無源器件一體化結構，天線和功分器之間的夾層為無源結構接地層，功分器一側有功分器電阻；

7、第二層射頻器件轉接板，內嵌有調理芯片、開關陣列、射頻芯片rf-ic、自動增益控制芯片agc、包含阻容電感器件及r陣列的ipd芯片；

8、第三層數字電源器件轉接板內嵌有fpga、模數/數模轉換芯片ad/da、電源芯片和ipd芯片；第三層數字電源器件轉接板外側設有電源接口、系統(tǒng)配置及信號輸出接口和地接口。

9、轉接板之間通過設于其表面的絕緣層和重布線層實現同層信號的水平互連，通過穿透基板的信號垂直導通孔及焊球實現異層信號的垂直互連，降低微系統(tǒng)在較高頻段內的損耗。

10、同一層轉接板的各芯片水平分布，芯片底部設有接地散熱垂直通孔以實現芯片背部接地和散熱的功能。

11、第一層無源器件轉接板材料采用玻璃襯底及電阻率在1000ohm·cm以上高阻硅的硅襯底；

12、第二層射頻器件轉接板材料采用電阻率在1000ohm·cm以上的高阻硅的硅基襯底；

13、第三層數字電源器件轉接板材料采用常用的硅基板。射頻信號的水平布線采用共面波導的形式，射頻信號的垂直焊球采用類同軸形式。

14、在制備方法上，第一層無源器件轉接板上的天線、功分器和功分器電阻組成的無源結構采用玻璃-硅晶圓級熱壓鍵合的方式，在介電常數低的玻璃襯底上完成天線和一側的無源結構接地層的制備，而功分器、功分器電阻及另一側無源結構接地層則制備在機械性能好的硅襯底上，再將玻璃襯底和硅襯底進行晶圓級熱壓鍵合；

15、第二層射頻器件轉接板采用硅基扇出工藝(fan-out)實現芯片埋入硅基襯底及信號互連；

16、第三層數字電源器件轉接板采用硅基扇出工藝(fan-out)實現各個芯片的布局布線。

17、本發(fā)明具有的技術效果：

18、1、集成度高：采用三維異構垂直集成方法，將調頻連續(xù)波近感探測器系統(tǒng)的天線、射頻芯片、fpga、電源、阻容元件等進行一體化集成，集成后的探測器水平尺寸不超過射頻工作頻率的波長，垂直尺寸不超過5.0mm，相比同類的采用pcb集成的探測器，其集成尺寸大幅度提高。

19、2、可靠性高：采用焊球進行不同層介質基板的互連，縮短了信號互連的間距，降低了引線導致的寄生效應；對射頻芯片及走線添加了由tsv-焊球-tsv構成的接地屏蔽結構，起到散熱和信號保護的作用，提高了信號質量，同時利用主要結構的工藝實現屏蔽結構制作，無需額外工藝，降低制作成本；芯片背部設有接地散熱結構，提高芯片的散熱能力。

20、3、靈活性高：系統(tǒng)采用fpga芯片作為數字端的芯片，fpga作為可編程數字芯片，比arm、dsp等結構具有更靈活的算法設計優(yōu)勢，可以根據采集的回波信號變換不同的處理算法；在調理電路部分加入了fpga電控r陣列的設計，可以通過fpga決定r陣列電阻從而影響調理電路的輸出電壓波形，避免電路固化后電阻難以改變，降低調試難度；此外結構分為三層轉接板，各轉接板上分布著不同的功能器件，可以分結構完成制作及調試。

21、4、工藝一致性好：采用晶圓級工藝，可同時制作多顆芯片，除了降低工藝成本，同一批晶圓的芯片還能確保較高的工藝一致性，弱化工藝導致的結構尺寸變化而造成的芯片性能的差距。