CN104321874A - 载体衬底和铁电层组成的传感器布置以及用于制造和使用的传感器布置的方法 - Google Patents
载体衬底和铁电层组成的传感器布置以及用于制造和使用的传感器布置的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN104321874A CN104321874A CN201380014440.6A CN201380014440A CN104321874A CN 104321874 A CN104321874 A CN 104321874A CN 201380014440 A CN201380014440 A CN 201380014440A CN 104321874 A CN104321874 A CN 104321874A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- transducer
- ferroelectric
- ferroelectric layer
- carrier substrates
- layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 title claims abstract description 48
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 10
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 40
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 31
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 18
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 10
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims description 9
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims description 9
- 229910002367 SrTiO Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 claims description 6
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 claims description 6
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 5
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 claims description 5
- 239000004744 fabric Substances 0.000 claims description 4
- 229910013641 LiNbO 3 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000001652 electrophoretic deposition Methods 0.000 claims description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 3
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 claims description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 claims description 2
- 238000005234 chemical deposition Methods 0.000 claims 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 37
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 36
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 24
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 9
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 9
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 9
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 9
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 8
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 7
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 6
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 6
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 5
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 4
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 4
- 238000000572 ellipsometry Methods 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 3
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 3
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 3
- 239000012876 carrier material Substances 0.000 description 2
- 238000000224 chemical solution deposition Methods 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 2
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 2
- 230000005619 thermoelectricity Effects 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 1
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 1
- 239000002178 crystalline material Substances 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000005621 ferroelectricity Effects 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 239000011368 organic material Substances 0.000 description 1
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 1
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
- H10N30/302—Sensors
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/40—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/43—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
- H01L29/49—Metal-insulator-semiconductor electrodes, e.g. gates of MOSFET
- H01L29/51—Insulating materials associated therewith
- H01L29/516—Insulating materials associated therewith with at least one ferroelectric layer
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/12—Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
- G01L9/0072—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
- G01L9/0076—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using photoelectric means
- G01L9/0077—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using photoelectric means for measuring reflected light
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N3/08—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
- G01J5/20—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
- G01J5/34—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using capacitors, e.g. pyroelectric capacitors
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Abstract
本发明涉及传感器布置，其包括载体衬底以及在载体衬底上布置的铁电层，其中传感器布置具有用于读出铁电层的介电常数的装置。其特征在于，铁电层结晶地布置在载体衬底上。公开用于制造传感器布置的方法及传感器布置的使用。
Description
技术领域
本发明涉及由载体衬底和铁电层组成的传感器布置以及用于制造和使用布置的方法。
背景技术
众所周知，在绝缘的可极化的材料（所谓的电介质）中，通过外部电场E(Vm-1)可导致极化Pi(Asm-2)。对于电介质在压电的材料中除外部电场以外还由压力，拉力或扭力导致的外部机械变形导致载荷位移并因此材料的电极化。对此正和负晶格组合件通过变形如此位移，使得产生电偶极矩，由此感应在向外中性晶体的表面上的显见的载荷。压电的那些材料整合在概念热电下，其还在没有外部电场具有电偶极矩，偶极矩基于晶格中的扭曲和因此沿着载荷重心的位移引起，并且因此导致晶体的电极化。之后这个物质已经在没有电场的情况下自发地极化。具有电偶极矩的那些物质最终整合在概念铁电下，其通过提供外部电场改变自发极化的方向。在材料有关的居里温度之上该现象消失，并且材料转变为顺电状态。这个过程是可逆的，也就是在在低于居里温度的情况下开始具有结构改变的相位转变并且材料重新转变为铁电状态。通常介电常数，因此还有介电常数的改变，在转变的范围中的温度的情况下最大。介电常数的可逆的尽可能大的改变在此直接在相位转变之上温度范围上实现。
多数铁电体是氧化物。已知铁电体是具有钙钛矿结构（Perowskit-Struktur）的离子晶体，例如BaTiO3。一些材料示出仅仅在薄层中铁电特性，例如SrTiO3。铁电层基本上在集成电路中并且在移动无线电技术中使用。
根据对铁电体的新开发(R.Wördenweber，E.Hollmann，R.Ott，T.Hürtgen，Kai Keong Lee(2009). Improved ferroelectricity of strained SrTiO3 thin films
on sapphire. J Electroceram 22:363-368)可知，由铁电SrTi03(STO)制成的薄膜可通过取向附生生长和晶格参数的接受例如在CeO2暂存的蓝宝石上支撑。支撑的STO的绝缘特性通过层的电容获得。
压力和弯曲传感器的工作原理通常基于将要测量的参数转化为电信号。这可以直接或间接进行。压力和弯曲传感器可以用来直接测量压力或者弯曲并且用于其他参数（例如温度，流量或位置）的间接确定。
根据应用，期望的测量精度和成本使用例如(压)电阻传感器，压电的传感器，电感传感器，电容传感器和光学传感器。经常例如在高莱探测器（Golay-Zelle）中使用这些传感器的组合。
压电的压力传感器特征在于，在具有相对轴的晶体中借助于要测量的压力感应载荷分离，该载荷分离产生电压。这因此还作为压电的效应对已知状态起作用，通过压力在晶体的内部中使离子位移，离子在表面上与机械施加的力成比例地形成电载荷。例如借助于放大器载荷转化成与其成比例的电压。在压力电阻传感器的情况下相反材料的特定电阻改变直到其拉力或压力负载中断。这个效果也在没有相对轴的晶体（例如在如硅的半导体中）上出现。
压电的压力传感器和在应变传感器中使用的压力电阻传感器布置的通常的问题为，其构建相对复杂并且因此成本高。这个传感器的灵敏度同样需要提高。
此外缺点在于，热电在技术相关用于领域中经常导致干扰的人工损坏，其覆盖了真正感兴趣的压电结果。焦热电材料制成的压力传感器可以指示错误的正信号，因为其在加热信号下出现，虽然根本没有压力改变存在。
发明内容
本发明的任务和解决方案
本发明的任务为提出一种传感器布置，其相对于根据现有技术的压电的和焦热电的传感器具有提高的敏感性和灵敏度并且在此尤其简单并且低成本地制造。
本发明的进一步的任务为，给出用于制造传感器布置的方法以及传感器布置的使用。
该任务通过权利要求1所述的传感器布置以及根据从属权利要求的其制造的方法以及其使用来解决。对此，有利扩展方案在需要时分别从回引其的权利要求得出。
本发明的描述
传感器布置由载体衬底以及在载体衬底上布置的层组成。铁电层可以全平面地布置在载体衬底上，或仅仅在边缘上由载体衬底承载。在铁电层上可以布置电容器布置作为用于读出铁电层的介电系数的装置。该电容器布置用于根据垂直在铁电层上施加的超压或不足压读出层的电特性。
备选地电气特性可以无接触地通过光学测量，例如通过椭圆光度法，读出。在这种情况下可能的是，铁电层仅仅在边缘上通过载体衬底支持。
铁电层设计成结晶的。只要层全平面地布置在载体衬底上，重要的是，载体衬底柔性地对轻微地对传感器布置起作用的压力起反应并且偏转。载体衬底的厚度在此应该在1-500μm之间。
对传感器布置施加的压力导致铁电层和载体衬底的压缩或膨胀，该压缩或膨胀导致介电常数的可证明的改变。铁电层在室内温度的情况下具有晶体在衬底上的中心对称的对齐，或者这个对齐由自己采用，也就是说层位于绝缘状态中。铁电层的厚度应该为大约1-1000nm。
用于读出介电常数的布置通过改变铁电材料的极化性探测垂直在铁电层上起作用的机械压力，该极化性由于层的材料的晶格状态从中心对称转变为非中心对称的转变而出现。根据在载体衬底上铁电层的布置以及铁电层和载体衬底上读出布置的布置，施加压力导致铁电层的压缩或膨胀。
根据本发明的传感器布置因此基于在改变晶体结构的情况下由于压力应用极化性的改变并且因此铁电晶体的介电常数的改变。因此相对于压电的传感器使理论不是以载荷的位移“正对负”为基础，而是晶体的极化性。通常非铁电并且仅具有小介电常数的中心对称的晶体通过变形到非中心对称的晶体来改变。这导致大大地提高极化性(介电常数)直到感应的铁电。在晶格参数的改变<1%的情况下超过数量级的介电常数的改变在此可达到。有利地这造成，传感器布置具有极其高的灵敏性或者敏感性。介电常数的改变现在可以非常容易电容地或无接触地光学地读出。传感器布置基于铁电层的改变的极化性读出机械力。另外在此错误正结果在焦热电材料的情况下实际上不出现。
在本发明的范围中惊人地发明，不仅取向附生生长的层通过在在晶格参数方面偏离的衬底上的机械紧固导致铁电层的极化性。更确切地可认识到，在传感器布置上技术相关轻微的压力或者拉力也可以导致铁电层的明显介电常数变化。
因为在适当选择铁电层的情况下晶格的改变的分数保持不变，例如为10-4%，导致介电常数的可测量的改变，该任务已经仅仅通过这种方式解决，结晶地在载体衬底提供铁电层，其介电常数例如用椭率计读出。椭率计的辐射路径指向铁电层并且探测介电常数的改变。
如所述的，铁电层可以在薄隔膜上作为载体衬底沉淀。通过作为传感器层的铁电层的介电常数的探测的改变有利地在Pa区域中可检测压力。当然还可以在使用光学读出单元的情况下铁电层全平面地在载体衬底上布置，例如出于稳定性的原因。
在本发明的扩展方案中由结晶材料（例如由硅或Al2O3）或金属或有机材料（例如聚酰亚胺）制成的柔性薄片类型的载体衬底作为载体衬底使用。载体材料的选择取决于相应的应用和传感器层的要求。通过使用薄片确保紧固的高尺度。
铁电材料优选由CaTiO3，SrTiO3，KTaO3，BaTiO3，Pb5GeO11，Eu2(MoO4)3，PbTa2O6;，KNbO3，SrTeO3，PbTiO3，SrBi2Ta2O9，LiTaO3，，LiNbO3或它们的组合组成。可能铁电体的列表在此在表1中示出。提供相应转变温度(居里温度)。
表1:铁电化合物及其转变温度。
| 化合物 | Tc[K] |
| CaTiO3 | (-84) |
| SrTiO3 | (0-44)通过紧固感应的相位转变20-40K直到室内温度 |
| KTaO3 | 2，8 |
| BaTiO3 | 396(凝聚) |
| PbsGeO11 | 451 |
| Eu2(MoO4)3 | 453 |
| PbTa2O6 | 533 |
| KNbO3 | 708 |
| SrTeO3 | 758 |
| PbTiO3 | 763 |
| SrBi2Ta2O9 | 843 |
| LiTaO3 | 938 |
| LiNbO3 | 1483 |
由这些材料(例如(Ca，Sr)TiO3或(Ba，Sr)TiO3)制成的合金以及这一系列的掺杂的氧化物同样是用于构建铁电层的可能的候选者。由此有利地实现，可以选出最优地匹配相应应用的层或甚至层系统。
尤其有利地，具有小于室内温度的转变温度的材料制成的铁电层如此在载体衬底上布置，压力在晶格的方向上作用为拉应力，在晶格的方向上测量晶体的电极化。由此有利地实现，在晶体方向上提高转变温度，这同时导致在室内温度的情况下在晶体方向上介电常数的提高。因为在在到铁电的转变的使用之前的范围中介电常数极其大地升高，有利地以这种方式形成极其敏感的传感器。
还可以具有大于室内温度的转变温度的铁电材料如此布置在载体衬底上，使得压力在晶格的方向上作用为压应力，在晶格的方向上上测量晶体的电极化。由此有利地实现，在晶体方向上转变温度减小。类似地可以如此充分利用再次在转变范围中介电常数的极大的压力依赖的范围。
因此不同的情况可以不同，列出在具有铁电层的隔膜上在表2中对于布置垂直而且平面的电容测量设备，在铁电层上压力在涂镀侧上起作用:
表2:具有带垂直或者平面的电容读出的铁电层的隔膜的布置的范例分析和从用铁电体涂镀的侧侵入的压力(D>0)或者拉力(D<0)。介电常数的改变相对于这种情况描述：铁电层的转变温度Tc位于室内温度(RT)的上面或者下面。
传感器布置尤其有利地在载体衬底的一侧上具有拥有大于室内温度的转变温度的铁电材料并且在载体衬底的相对侧上具有拥有小于室内温度的转变温度的铁电材料。由此有利地导致，可以以较高灵敏性检测到不但压力还有拉应力。
提供用于制造根据本发明的传感器布置的方法，铁电材料结晶地通过PVD(物理气相沉积)，CVD(化学气相沉积)或其他沉积方法(CSD(化学溶液沉积)，EPD(电泳沉积)，诸如此类)在载体衬底上布置并且在铁电材料上布置至少一个电容器布置，该电容器布置通过机械弯曲的层的介电常数的改变探测施加的机械力。备选地介电常数可以无接触地，例如光学地通过椭圆光度法读出。
有利地所述传感器布置作为压力或弯曲传感器使用。在压力或弯曲传感器中在传感器布置上施加机械力。这可逆地导致铁电层中极化性的改变并且相应于电容器布置或无接触地读出。在力衰减之后铁电层的极化性重新转变到输出状态。
尤其有利地根据本发明的传感器可在下列应用领域中使用:
作为具有极高灵敏性的弯曲和膨胀传感器，用于测量弯曲或者膨胀的绝对值以及在简单电气读出的情况下方向有关并且局部地测量弯曲或者膨胀。使用领域是压力测量，超压控制或气体或流体的(通过)流量测量;在触摸屏中，在类似测量变形(例如高莱探测器中的温度测量)的情况下位置确定和定位器，以及例如在触发安全系统如安全气囊直到智能电路的情况下作为开关。
附图说明
特定描述部分
其示出:
图1:根据本发明的传感器布置的原理。
图2:具有光学读出的铁电层和载体衬底组成的根据本发明的传感器布置的示意图(截面)。
图3:具有电容读出的铁电层和载体衬底组成的根据本发明的传感器布置的示意图(截面)。
图4:a，b:不同电容的读出电容的平面图。
图中相同附图标记指示相同部件。
具体实施方式
在图1中表示传感器布置的根据本发明的原理。极化性是在施加外部电场的情况下从正相对负载荷的可移动性的尺度。因此极化性越高，越容易通过电场感应偶极矩。极化性根据电(电子云相对内核的位移)和离子部分(正离子相对负离子的位移)放在一起。离子极化性提供对介电常数的最大成分。此外离子成分极大取决于晶体结构，尤其是晶体对称性。通常适用的是，中心对称的晶体可以不是铁电(图1，中部)。
根据本发明通过压力(单轴或双轴)改变晶体结构和还有晶体对称性，参见图1，中部的左边和右边。这导致晶体的极化性P的改变。当从中心对称的(中部)产生非中心对称的结构(中部的左边和右边)时，根据本发明可预期最大改变。在此通过晶格扭曲从绝缘产生铁电状态。这导致介电常数的巨大改变。在取向附生单晶层的情况下发明人在钙钛矿(ABO3结构)中在改变晶格常量仅大约1%的情况下测量到从ε≈300到ε>5000的提高。本发明的根据本发明的假定为，还可以机械地在Pa区域中在压力改变的情况下实现介电常数的类似更改。图的下部分分别示出对于不同状态的载体上的层的布置。对此在载体衬底1上布置铁电层2。在下边图1中的左边和右边的厚箭头指示在布置上起作用的超压D(左边)或者不足压D(右边)。根据铁电层的布置，由此产生层平面中晶体结构的压缩或者膨胀。这个压缩或者膨胀然后通过垂直与层平面的相反的膨胀或者压缩部分地补偿。通过层的附加的布置在载体下该作用可以准确相反地运行。
通常适合的是，正或者负垂直于隔膜的压力铁电层的层平面中的压缩或者膨胀与垂直于层平面的同时补偿一起起作用。
图1的上部分中的P指示在如在下部分所示，超压或不足压在铁电层起作用时晶体的极化性的方向。
图2示出具有光学读出(椭圆光度法)的由光源L，极化器P，分析器A和检测器DE组成的压力传感器。示出下列情况:
a）铁电层在隔膜的面向压力(D>0)的侧上。备选地可以取消隔膜并且铁电层设计作为隔膜。
b)铁电层在隔膜的面向压力(D>0)的侧下。备选地可以取消隔膜并且铁电层设计作为隔膜。
c)双面用铁电传感器层涂覆的隔膜双面地光学读出。备选地可以取消隔膜并且铁电层设计作为隔膜。
用于隔膜21以及检测器层22的图中的虚线指示它们从零位向压力负载D偏转的状态。
在图中示意性示出具有光学读出的压力或者拉力传感器的基本元件，包括隔膜21的隔膜支架23和传感器层22。虚线表示由于压力D的具有传感器层的隔膜的偏转状态。虚线箭头描述用于例如借助于椭圆光度法光学读出的光束。隔膜可以对于微小的测量具有几微米直到几厘米的侧向尺寸用于非位置松散的高灵敏测量。隔膜21的厚度可以在10μm的范围中选择。传感器层的厚度通常为200nm。在此还可设想，例如在使用足够厚传感器层(2μm)的情况下,可不加工载体衬底21，在其弯曲的情况下晶体结构在上侧和下侧上相反地紧固并且通过光学读出仅检测到两个表面的一个。
图3示出用电容读出借助于平板电容器布置用于确定铁电层的垂直极化的压力传感器。平板电容器分别由电极27或者28和电气连接的读出电极26组成。示出下列情况:
a) 铁电层在隔膜的面向压力(D>0)的侧上，其具有仅包括铁电层的电极对27和包括铁电层和隔膜的电极对28。
b) 铁电层在隔膜的面对压力(D>0)的侧下，具有仅包括铁电层的电极对27和包括铁电层和隔膜的电极对28。
c) 借助于两个仅包括铁电层的电极对27a，27b来双面读出双面用铁电传感器层涂覆的隔膜，其中缺少上层上的电极对，同时缺少在下层上的第二电极对。
图3以截面示出传感器布置的示意表示，该传感器布置由这里作为用于压力测量的隔膜21的载体，作为检测器层的铁电钙钛矿层22，环形支架23作为然而具有电容读出电极27a，27b，28a，28b的层21，22的载体衬底（如在图2中），和电容读出电子设备25，26组成。
因此介电常数的改变还可以电容地读出，如在图中所示。对此可以选择并行平板电容布置。检测器层22的极化性垂直于载体衬底21或者垂直于隔膜平面确定。
箭头D指示再次在载体衬底21和检测器层22起作用的压力。箭头D的左边示出并行平板电容器27a，27b，其中电极包括仅检测器层，其右边示出并行平板电容器28a，28b，其中两个电极包括隔膜或者载体衬底21和作为铁电层22的传感器层。因为在右边的情况下测量载体衬底和铁电传感器层的绝缘特性，在此必须确保，介电常数和尤其是介电系数改变在弯曲的情况下可忽略地小。两个结构如所示结合或还可能单独的。
并行布置的平板27a，27b以及28a，28b在此根据下式形成电容C:
其中表示电场常数，ε表示平板A之间的介质的绝缘常数或介电常数，并且d表示平板的面积或者距离。因此通常适用于检测器层上电极的这个布置以及检测器层上电极的平面布置
基本上借助于延长有效间隙通过使用指间结构30a，30b达到较高灵敏性。
图4以平面图(在(a)和(b)中)示出不同电容的读出电容用于确定平面极化性，也就是层平面中的介电常数。电极对分别涂覆在铁电传感器层上。在此还可以省略作为载体的隔膜。
a）以标准规格的平面并行平板布置。
b）平面指间结构，用该指间结构在较小测量面上达到较高分辨率。
c）在横视图中不同测量布置示出平面电极对的可能定位。
从左边:
铁电层上的平面电极对（在其侧面安在隔膜上）确定在隔膜下面铁电层的平面膨胀/挤压。
铁电层下的平面电极对（在其侧面安在隔膜下）确定隔膜的上面的铁电层的平面膨胀/挤压。在此可以同时确定隔膜的上面和下面的层中膨胀和挤压。
有利地用平面结构测量层平面中的检测器层22的介电常数。因此根据应用目的可以使用不同电容结构，例如标准结构由具有最小距离的两个平行布置的条带29a，29b或具有提高的电容的指间结构30a，30b组成。在此可以通过对齐电容结构单独确定在不同方向上的介电常数并且因此弯曲。平面布置确定仅在该方向上的介电常数，该方向由电极预定。因此这个布置适合于测量在通过电极结构预定的方向上的具有传感器层的隔膜的弯曲。在这个布置中传感器在此还作为弯曲传感器工作。通过电容结构的不同布置现在可以检测到在不同方向上的具有传感器层的隔膜的弯曲。
通常可以通过微型化电容结构，该电容结构确定弯曲的局部改变。此外还可以通过时间上数据采集来采集动态局部分散的过程(例如用于触摸屏)。
如下制造传感器布置。
使用Si载体作为载体材料21，其中通过侵蚀薄化区域到大约2-5μm，使得在具有大约10mm直径的圆形面上产生薄的柔性隔膜。晶圆现在借助于磁控管阴极溅射在平坦侧上设置有SrTiO3制成的薄结晶的铁电层。SrTiO3层的层厚度为大约50nm。在这个层上现在以薄层技术借助于搬走方法（Lift-off-Verfahren）和金蒸发连同用于电容测量的馈电线安置电极对。用于电容测量介电常数的电极位于隔膜上，电极的馈电线导致到隔膜外部的测量电子设备25，26的接触。电极由8mm×1mm大小矩形组成，其长边缘布置成彼此平行并且形成2μm的间隙。
Si晶圆真空密封地布置在高莱探测器上。通过位于隔膜外部的馈电线现在借助于LC仪表确定隔膜上电容布置的电容。高莱探测器中温度的改变导致该元件的内部中的压力变化，该压力变化导致Si隔膜21的偏转。由于隔膜的偏转导致的SrTiO3的介电常数的变化现在导致电容的变化。高莱探测器中温度的变化如此转变为电容的容易测量的改变。
因此由于压力改变D的载体层21和检测器层22的弯曲总是渗透到电容器布置27a，27b上连同测量电子设备25或者28a，28b和26以及29a，29b和30a，30b。从pF区域到μF区域中的电容可以以这种方式读出。
Claims (10)
1. 传感器布置，包括载体衬底以及在载体衬底上布置的铁电层，其中所述传感器布置具有用于读出铁电层的介电常数的装置，
其特征在于，
所述铁电层结晶地布置在所述载体衬底上。
2. 如上述权利要求所述的传感器布置，其特征在于柔性载体衬底。
3. 如上述权利要求之一所述的传感器布置，其特征在于硅或Al2O3，或聚酰亚胺或金属作为所述载体衬底的材料。
4. 如上述权利要求之一所述传感器布置，其特征在于
由CaTiO3，SrTiO3，KTaO3，BaTiO3，Pb5GeO11，Eu2(MoO4)3，PbTa2O6;，KNbO3，SrTeO3，PbTiO3，SrBi2Ta2O9，LiTaO3，LiNbO3或这些材料的组合制成的铁电材料。
5. 如上述权利要求之一所述的传感器布置，其特征在于，
由具有低于室内温度的转变温度的材料制成的铁电层布置在所述载体衬底上，使得压力作用在铁电层的晶格上成为拉应力。
6. 如上述权利要求之一所述的传感器布置，其特征在于，
由具有大于室内温度的转变温度的铁电材料布置在载体衬底上，使得压力作用在所述晶格上作为压应力。
7. 如上述权利要求之一所述的传感器布置，其特征在于，
具有大于室内温度的转变温度的铁电材料布置在载体衬底的一侧上并且具有小于室内温度的转变温度的铁电材料布置在载体衬底的相对侧上。
8. 用于制造如上述权利要求之一所述的传感器布置的方法，
其特征在于，
铁电材料结晶地通过物理气相沉积，化学气相沉积，通过溶液的化学沉积或电泳沉积布置在载体衬底上。
9. 如上述权利要求之一所述的传感器布置的作为压力或弯曲传感器的使用，其中垂直在传感器布置上施加的机械力可逆地导致铁电层中极化性的改变，并且在力的衰减之后铁电层的极化性重新转变到输出状态。
10. 如上述权利要求所述的使用，其特征在于
在铁电层的转变温度的情况下测量压力。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102012005262.6 | 2012-03-15 | ||
| DE102012005262.6A DE102012005262B4 (de) | 2012-03-15 | 2012-03-15 | Sensoranordnung aus Trägersubstrat und ferroelektrischer Schicht |
| PCT/DE2013/000134 WO2013135226A1 (de) | 2012-03-15 | 2013-03-09 | Sensoranordnung aus trägersubstrat und ferroelektrischer schicht sowie verfahren zur herstellung und verwendung der sensoranordnung |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN104321874A true CN104321874A (zh) | 2015-01-28 |
| CN104321874B CN104321874B (zh) | 2017-10-27 |
Family
ID=48095478
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201380014440.6A Expired - Fee Related CN104321874B (zh) | 2012-03-15 | 2013-03-09 | 载体衬底和铁电层组成的传感器布置以及用于制造和使用的传感器布置的方法 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US9515157B2 (zh) |
| EP (1) | EP2826069B1 (zh) |
| JP (1) | JP6154832B2 (zh) |
| CN (1) | CN104321874B (zh) |
| DE (1) | DE102012005262B4 (zh) |
| WO (1) | WO2013135226A1 (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107949779A (zh) * | 2015-09-02 | 2018-04-20 | 欧库勒斯虚拟现实有限责任公司 | 阻容变形传感器 |
| CN108469315A (zh) * | 2018-03-29 | 2018-08-31 | 湘潭大学 | 一种基于铁电畴壁氧空位电子气导电性的压力传感器单元 |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6872374B2 (ja) * | 2017-01-24 | 2021-05-19 | 住友金属鉱山株式会社 | 圧電性ウェハの表裏判定装置及び面取り装置 |
| IL256108B (en) * | 2017-12-04 | 2021-02-28 | Elbit Systems Ltd | A system and method for identifying the state of use and originality of a product |
| US10962497B2 (en) | 2017-12-19 | 2021-03-30 | International Business Machines Corporation | Sensors based on negative capacitance field effect transistors |
| US20210013005A1 (en) * | 2019-07-09 | 2021-01-14 | Tokyo Electron Limited | Process control enabled vdc sensor for plasma process |
| KR102322132B1 (ko) | 2019-12-31 | 2021-11-05 | 한국과학기술원 | 압전 물질을 이용한 고민감도 압력 센서 및 이를 이용한 스마트 디바이스 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4782227A (en) * | 1986-02-25 | 1988-11-01 | Thomson-Csf | Image sensor with memory |
| EP0661754A2 (en) * | 1993-12-28 | 1995-07-05 | Sharp Kabushiki Kaisha | A substrate providing a ferroelectric crystal thin film, its production method and a device using said substrate |
| CN1321243A (zh) * | 1999-07-09 | 2001-11-07 | 株式会社东金 | 静电电容式变形传感器及其使用方法 |
| WO2007121265A1 (en) * | 2006-04-11 | 2007-10-25 | Ferro Solutions, Inc. | Apparatus and method utilizing magnetic field |
| CN101084581A (zh) * | 2004-12-21 | 2007-12-05 | 皇家飞利浦电子股份有限公司 | 具有超顺电性栅极绝缘体的半导体器件 |
| US20110008008A1 (en) * | 2009-07-07 | 2011-01-13 | Alcatel-Lucent Usa, Inc. | Multiferroic materials for tunable permittivity or permeability |
Family Cites Families (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4250384A (en) * | 1979-08-24 | 1981-02-10 | Pulvari Charles F | Radiant energy systems, memories and thermal imaging methods and apparatus |
| US5471721A (en) * | 1993-02-23 | 1995-12-05 | Research Corporation Technologies, Inc. | Method for making monolithic prestressed ceramic devices |
| US5914507A (en) * | 1994-05-11 | 1999-06-22 | Regents Of The University Of Minnesota | PZT microdevice |
| US5938612A (en) * | 1997-05-05 | 1999-08-17 | Creare Inc. | Multilayer ultrasonic transducer array including very thin layer of transducer elements |
| US6312816B1 (en) * | 1998-02-20 | 2001-11-06 | Advanced Technology Materials, Inc. | A-site- and/or B-site-modified PbZrTiO3 materials and (Pb, Sr, Ca, Ba, Mg) (Zr, Ti, Nb, Ta)O3 films having utility in ferroelectric random access memories and high performance thin film microactuators |
| US6156623A (en) * | 1998-03-03 | 2000-12-05 | Advanced Technology Materials, Inc. | Stress control of thin films by mechanical deformation of wafer substrate |
| JP4394212B2 (ja) * | 1999-09-14 | 2010-01-06 | Ｎｅｃトーキン株式会社 | 加速度センサ |
| US7808236B1 (en) | 2002-12-09 | 2010-10-05 | Ferro Solutions, Inc. | Energy harvester utilizing external magnetic field |
| US20070069264A1 (en) * | 2003-10-20 | 2007-03-29 | Guru Subramanyam | Ferroelectric varactors suitable for capacitive shunt switching and wireless sensing |
| JP2005347364A (ja) | 2004-06-01 | 2005-12-15 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 伸縮可能な圧電素子 |
| US8653510B2 (en) * | 2009-12-18 | 2014-02-18 | Sri International | Enhanced E-field sensing using negative capacitance FET subthreshold slope enhancement |
-
2012
- 2012-03-15 DE DE102012005262.6A patent/DE102012005262B4/de not_active Withdrawn - After Issue
-
2013
- 2013-03-09 CN CN201380014440.6A patent/CN104321874B/zh not_active Expired - Fee Related
- 2013-03-09 WO PCT/DE2013/000134 patent/WO2013135226A1/de active Application Filing
- 2013-03-09 US US14/384,304 patent/US9515157B2/en not_active Expired - Fee Related
- 2013-03-09 EP EP13716183.2A patent/EP2826069B1/de not_active Not-in-force
- 2013-03-09 JP JP2014561284A patent/JP6154832B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4782227A (en) * | 1986-02-25 | 1988-11-01 | Thomson-Csf | Image sensor with memory |
| EP0661754A2 (en) * | 1993-12-28 | 1995-07-05 | Sharp Kabushiki Kaisha | A substrate providing a ferroelectric crystal thin film, its production method and a device using said substrate |
| EP0661754A3 (en) * | 1993-12-28 | 1995-09-27 | Sharp Kk | Substrate comprising a thin layer of ferroelectric crystal, manufacturing method and device using this substrate. |
| CN1321243A (zh) * | 1999-07-09 | 2001-11-07 | 株式会社东金 | 静电电容式变形传感器及其使用方法 |
| CN101084581A (zh) * | 2004-12-21 | 2007-12-05 | 皇家飞利浦电子股份有限公司 | 具有超顺电性栅极绝缘体的半导体器件 |
| WO2007121265A1 (en) * | 2006-04-11 | 2007-10-25 | Ferro Solutions, Inc. | Apparatus and method utilizing magnetic field |
| US20110008008A1 (en) * | 2009-07-07 | 2011-01-13 | Alcatel-Lucent Usa, Inc. | Multiferroic materials for tunable permittivity or permeability |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107949779A (zh) * | 2015-09-02 | 2018-04-20 | 欧库勒斯虚拟现实有限责任公司 | 阻容变形传感器 |
| US10502643B2 (en) | 2015-09-02 | 2019-12-10 | Facebook Technologies, Llc | Resistive-capacitive deformation sensor |
| US11015989B2 (en) | 2015-09-02 | 2021-05-25 | Facebook Technologies, Llc | Resistive-capacitive deformation sensor |
| CN108469315A (zh) * | 2018-03-29 | 2018-08-31 | 湘潭大学 | 一种基于铁电畴壁氧空位电子气导电性的压力传感器单元 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP2826069B1 (de) | 2016-02-17 |
| WO2013135226A1 (de) | 2013-09-19 |
| JP6154832B2 (ja) | 2017-06-28 |
| EP2826069A1 (de) | 2015-01-21 |
| DE102012005262A1 (de) | 2013-09-19 |
| DE102012005262B4 (de) | 2014-11-06 |
| CN104321874B (zh) | 2017-10-27 |
| JP2015515612A (ja) | 2015-05-28 |
| US20150068316A1 (en) | 2015-03-12 |
| US9515157B2 (en) | 2016-12-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104321874B (zh) | 载体衬底和铁电层组成的传感器布置以及用于制造和使用的传感器布置的方法 | |
| US9091601B2 (en) | Method and apparatus for calibrating a thermometer in situ | |
| US9689766B2 (en) | Pressure sensor with cover layer | |
| US7373834B2 (en) | Pressure sensor | |
| US7134785B2 (en) | Capacitance temperature sensor and temperature measuring device | |
| US10684175B2 (en) | Substrate and display device | |
| CN105283745A (zh) | 一种改进的压力传感器结构 | |
| US20020130263A1 (en) | Infrared detection element and infrared detector | |
| CN105136352B (zh) | 一种电容式压力传感器及其制备方法 | |
| Ren et al. | Investigation of strain gauges based on interdigitated Ba0. 5Sr0. 5TiO3 thin film capacitors | |
| CN107063498B (zh) | 一种温度传感器及其制备方法 | |
| US20040238821A1 (en) | Capacitive semiconductor pressure sensor | |
| CN109959826A (zh) | 一种平面结构的电场传感器及其制备方法 | |
| Gerber et al. | Effects of the top-electrode size on the piezoelectric properties (d33 and S) of lead zirconate titanate thin films | |
| US11041897B2 (en) | Capacitive structure and method for determining an amount of charge using the capacitive structure | |
| Kamenshchikov et al. | Dielectric response of capacitor structures based on PZT annealed at different temperatures | |
| US20060162435A1 (en) | Quartz type pressure sensor, and production method therefor | |
| US20200141990A1 (en) | Electrical Extraction of Piezoelectric Constants | |
| CN201803819U (zh) | 基于热损失工作方式的矩形硅薄膜微机电压力传感器 | |
| KR101051348B1 (ko) | 정전용량형 압력센서 및 그 제조방법 | |
| CN102042887B (zh) | 矩形硅薄膜微机电压力传感器 | |
| US20210163282A1 (en) | Capacitive Sensors Having Temperature Stable Output | |
| CN205102961U (zh) | 一种电容式压力传感器 | |
| JP2018503240A (ja) | Ｔｆｔにおけるｍｉｓ構造設計の制御方法及び制御システム | |
| CN112683966A (zh) | 一种自校正mems电容式湿度传感器及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20171027 Termination date: 20200309 |