CN110726498A - 用于检测诸如冲击、加速度、旋转力等平面内的力的集成压电传感器 - Google Patents

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Abstract

压电传感器(10)形成在半导体材料芯片中，该半导体材料芯片具有限定平面(XY)的表面(13A)并且集成有用于感测在平面内作用的力的感测结构(11；30；60)。芯片由限定悬臂(12；32；52；62)的衬底(13；33)形成，该悬臂(12；32；52；62)具有被约束到衬底的锚固部(15)的第一端(12A)和在外力的作用下自由弯曲的第二端(12B)。悬臂具有第一和第二纵向半部，每个纵向半部承载平行于芯片平面延伸的压电材料的相应的条状元件(16，17)。

Description

用于检测诸如冲击、加速度、旋转力等平面内的力的集成压电 传感器
本申请是于2015年11月26日提交的、申请号为201510845771.5、发明名称为“用于检测诸如冲击、加速度、旋转力等平面内的力的集成压电传感器”的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及用于检测诸如冲击、加速度、单轴力和加速度以及旋转力等平面内的力的集成压电传感器。特别地，本发明关于使用半导体技术、通常使用用于MEMS设备的制造的技术来获得的传感器以用于检测在传感器的平面内作用的力。
背景技术
如所已知的，当压电材料经受物理应力并且经历形变时，它们被偏置，从而在其两端生成电势差并且生成电荷。通过将这些材料连接到外部电路，从而获得与所施加的力相关的压电电流。
以上现象已经被研究数年并且被采用以便提供其中感测结构(通常是具有至少一个压电区域的悬臂梁或悬臂)随机械应力经历形变并且生成电流的传感器。通过将感测电路连接到测量电路(诸如安培计和处理级)，测量电路可以检测电荷或电势差并且确定作用于悬臂的力。
以这一方式，压电传感器能够测量诸如线性和旋转力等力，例如加速度、冲击等。
通常根据要检测的物理量来优化几何尺寸、材料的属性以及通常传感器的感测结构的整个设计。
比如，对于冲击传感器，有可能使用如图1所示的感测结构1。在此，压电传感器1包括承载压电层3、例如PET(锆钛酸铅)晶体的悬臂2。悬臂2被约束在7中并且具有一个自由端8。在作用于悬臂2上的外力4的情况下，这些引起悬臂2的卷曲以及向上或向下弯曲，如箭头5所示。这一弯曲引起悬臂2的自由端8的形变以及能够经由合适的测量电路来检测的应力的生成。
图1的压电传感器1适合用于检测由于在垂直于悬臂2的放置平面的方向(所谓的“平面外方向”)上作用的力或应力所致的形变。因此，在所示示例中，其中悬臂2延伸到平面XY中的第一近似，压电传感器1能够检测引起悬臂2的自由端在方向Z上的移动的力或应力。
然而，压电传感器1不能够检测在平面XY内作用的力或应力的作用。为了检测这些力，以使得悬臂2能够平行于穿过轴Z的平面延伸的方式来将压电传感器1旋转90°。
然而，这引起感测结构的生产明显很复杂，因为制造和组装很复杂并且需要更高的成本，感测结构的整体尺寸更大，并且感测结构具有比平面内感测结构低的精度。
其他已知的解决方案设想在悬臂的结构中嵌入根据横向于平面XY的放置平面(例如关于传感器平面以45°)来延伸的压电材料的层。然而，这些解决方案从制造的观点来看特别复杂，并且因此昂贵。它们因此并非能够用在所有的低成本应用中。
发明内容
本发明的目的是提供一种克服现有技术的缺陷的传感器。
根据本发明，提供了一种压电类型的力传感器，如权利要求1中所限定的。
附图说明
为了更好地理解本发明，现在参考附图仅作为非限制性示例来描述其优选实施例，在附图中：
图1是已知类型的压电力感测结构的透视图；
图2是在平面内力传感器中使用的力感测结构的实施例的透视图；
图3示出包括图2的感测结构的力传感器的等效电气图；
图4是本力传感器的感测结构的不同实施例的透视图；
图5是在存在外力的情况下图4的结构的形变的透视图；
图6是用于检测线性力和旋转力二者的本压力传感器的不同实施例的示意性图示；
图7A和7B是在分别存在外部线性力和外部旋转力的情况下图6的力传感器的行为的示意性图示；以及
图8A-8E是连续的制造步骤中的图2、4和6的感测结构的截面视图。
具体实施方式
图2和3示出用于检测被定向为结构的平面方向的力或应力的力传感器10的感测结构11的实施例。
感测结构11形成在形成芯片的衬底13中，如图8A-8E中更清楚地所表示的。衬底13由在半导体工业中一般使用的材料制成；例如，其可以是硅或者SOI衬底。衬底13具有限定平面XY的主表面13A，平面XY形成力传感器10的灵敏度平面。
衬底13单片地形成悬臂类型的梁12，悬臂类型的梁12具有平行于轴Y的主延伸方向(纵向方向)、固定到衬底13的锚固区域15的第一端(受约束端)12A、以及第二端(自由端)12B。悬臂12可以在方向Z上具有小于衬底13的厚度，例如关于其他两个维度可忽略的厚度，然而这并不是强制性的，如下面所讨论的。
平行于轴YZ并且穿过悬臂12的中线的纵向平面界定悬臂12的两个纵向半部。
衬底13可以集成其他结构和电子部件(未示出)。
两个条带16、17在悬臂12上方、关于悬臂12纵向地、基本上贯穿悬臂12的长度、彼此相邻地、平行并且优选地相等地延伸，以具有相同的压电特性。每个条带16、17具有比悬臂12的一半宽度小的宽度并且沿着悬臂12的相应的纵向半部延伸。每个条带16、17包括诸如PZT(锆钛酸铅)等压电材料的压电区域24、均为金属的顶部和底部电极22、23。
两个条带16和17以相对的方式连接，如图2中示意性地所示通过电连接25，电连接25通常由衬底13的表面上的金属连接形成(也参见图8A-8E)。
详细地，如图3所示，其中每个条带16、17由用相同的附图标记表示的电容器来表示，第一条带16的顶部电极22连接到第一读取节点20，并且第一条带的底部电极23连接到第二读取节点21。另外，第二条带17的顶部电极22连接到第二读取节点21，并且第二条带17的底部电极23直接连接到第一读取节点20。
读取节点20、21又连接到测量电路26，测量电路26可以集成在相同的衬底13中或者在合适地设置的ASIC(未示出)中。
在所示实施例中，悬臂12的自由端12b具有伸长部18，伸长部18通过增加悬臂12的重量实现检测系统的谐振频率的减小。
在使用中，在存在在悬臂12上在平面内作用的外力的情况下，悬臂12在相同的平面XY中弯曲。在图2的绘图平面中，在实践中，悬臂12的自由端12b根据外部作用力的方向而向左右移动，以引起悬臂12的一侧的压缩以及另一侧的伸展。比如，图2中指向左侧的力F引起第一条带16和悬臂12的左侧的压缩以及第二条带17和悬臂12的右侧的伸展。相反，在相反方向上的力可以引起第二条带17和悬臂12的右侧的压缩以及第一条带16和悬臂12的左侧的伸展。
两个条带16和17因此经历单独且不同(相反)的形变。它们因此产生相等且相反的电场EZ(参见图3)，电场EZ可以单独地或者组合地来检测以增加其效果。
特别地，通过将如所描述的两个条带16和17连接，增加了相反值的各个条带16、17的电极22、23之间的电压变化，并且偏压与读取节点20、21之间出现电荷Q，其由下面的等式给出(前两个特定用于压电材料，第三个是高斯定律)：
Figure BDA0002249686690000051
其中σPZT是与力F相关的条带16、17上的应力，其值针对简单的几何结构可以通过分析来获得或者可以很容易地使用FEM软件来获得，EPZT是压电材料的杨氏模量，εPZT是形变，e是压电常量(C/m2)，Ez是所生成的电场，Dind是电位移场，εel是压电介电常数(εel＝ε0εr)，A是其面积，并且Q是其上生成的电荷。因此，使用等式(1)，有可能以已知的方式来确定作用于悬臂12的外力的值。
应当注意，感测结构30能够检测在垂直于悬臂12的方向的平面方向(在此为X方向)上作用的力，并且对于在垂直方向Y和Z上取向的力不敏感。为了检测平面中在X和Y两个方向上取向的力，因此使用具有彼此垂直取向的相应的悬臂的两个传感器是足够的。
图4示出特征在于高灵敏度的感测结构30的实施例。
图4的力传感器包括彼此平行的多个悬臂32，图4示出彼此相等的两个悬臂32。类似于图2，每个悬臂32具有锚固到衬底33的固定的锚固区域的第一端32A以及第二端32B。悬臂32的第二端32B通过横向部34连接在一起，横向部34在横向(垂直)于悬臂32的方向上延伸并且固定至悬臂32，使得所有的第二端32B以相同的方式精确地偏转。
每个悬臂32承载两对条带35，每对条带35包括第一条带36和第二条带37。每个条带36、37又如关于图2所描述地形成并且因此以图4中未表示的方式包括压电区域24、顶部电极22和底部电极23。
详细地，在每个悬臂32中，每对条带35延伸大致相应的悬臂32的长度的一半，使得每个第一条带36并排侧向延伸(在垂直于悬臂32的方向上)到相同的一对条带35中的相应的第二条带37并且纵向地具有不同的一对条带35中的相应的第二条带37。每对条带35中的条带36和37还连接在一起并且连接到一对读取节点40、41，类似于关于图2和3所描述的。另外，相同的悬臂32上的一对条带35连接在一起并且以镜像方式连接到读取节点40、41。因此，在纵向方向上，每个悬臂32承载两个条带元件，这两个条带元件又由第一条带36和第二条带37形成。
特别地，第一条带36(在所示示例中，被布置成靠近相应条带32的第一端32A、在相应的悬臂23的第一侧——例如，图4中的左侧——的条带36以及被布置成靠近相应的悬臂32的第二端32B、在悬臂的第二侧——例如，图4中的右侧的第一条带36)具有连接到第一读取节点40的顶部电极(未示出)以及连接到第二读取电极41的底部电极(未示出)。相反，第二条带37具有连接到第二读取节点41的顶部电极(未示出)以及连接到第一读取电极40的底部电极(未示出)。
由此，图4的布置等效于类似于图3的电路，其中以交替的方式连接有八个电容器。
通过图4的布置，如图5所示，悬臂32经历S状形变，因为其第二端32B不再自由，但是受到横向部34的约束以便以相同的方式垂直于悬臂32的纵向方向(平行于X方向)移动。
通过图4的结构，有可能通过更多数目的悬臂32来获得更高的灵敏度。横向部34的存在确保悬臂的协调移动，以及使得能够消除悬臂32之间的任何可能的不对称和不同质的影响，否则其可能引起彼此不同的谐振频率并且因此可能需要对由感测结构生成的信号的更复杂的处理。每个悬臂32上的至少两对条带35的存在(即每个悬臂32的纵向方向上对齐的相反类型的第一和第二条带36、37的存在)使得能够检测存在的形变，即使沿着悬臂32的形变的平均值为零。
图6示出实现对线性类型的力和旋转类型的力二者的检测的实施例。
在图6的感测结构60中，在垂直于绘制平面(并且因此垂直于悬臂52、62的纵向方向Y)的对称平面61中关于彼此对称地布置有两种多个悬臂52、62(下文中也称为“第一(多个)悬臂”52和“第二(多个)悬臂”62)。每种多个悬臂52、62可以如图4中所示地形成并且因此具有压电条带36、37的对35。第一悬臂52在其第一端固定在相同的第一锚固区域53处并且具有被约束到第一横向部54的第二端。第二悬臂62在其第一端固定在相同的第二锚固区域63处并且具有被约束到第二横向部64的第二端。横向部54、64并排并且平行地布置。多个悬臂52、62以及横向部54、64优选地具有相同的结构，特别地具有相同的厚度、长度和宽度，使得感测结构关于平面61完全对称。
在使用中，如图7A中所例示的，在存在位于传感器平面(平面XY)中的线性力F1的情况下，力以相同的方式作用于多个悬臂52、62二者。因此，第一和第二悬臂52、62在相同的方向上经历形变，并且由每种多个悬臂52、62生成的电信号相同。
相反，如图7B中所例示的，在存在旋转力F2的情况下，这一力在相反的方向上作用于每种多个悬臂52、62。因此，第一悬臂52和第二悬臂62在相反的方向上经历形变，并且生成符号相反的电信号。
图7的感测结构的测量电路下游因此能够检测作用于传感器的力的类型。
图2-7中所示的感测结构可以如下文中参考图8A-8E所描述地来制造，图8A-8E示出在悬臂12、32、52或62的纵向方向上截取的半导体材料的芯片的截面。
初始(图8A)，在覆盖有绝缘层72(通常为热氧化硅)的标准类型的衬底70上、例如在硅衬底或SOI(绝缘体上硅)衬底上布置底部电极层73(例如由钛铂氧化物形成)、压电层74和顶部电极层75(例如钌层)。
接着(图8B)，使用光刻技术依次限定顶部电极层75、压电层74和底部电极层73，用于形成包括相应的压电区域24以及相应的顶部电极22和底部电极23的条带16、17、36和37。
然后(图8C)，沉积钝化层78，例如氧化硅层，选择性地去除钝化层78以便局部暴露顶部和底部电极23、22以及打开通孔79，沉积例如铂的金属化层，并且限定金属化层以形成接触结构80和电连接线25。
接着(图8D)，从前面和后面蚀刻衬底70，以便侧向地释放悬臂12、32、52、62以形成沟槽85并且(如果设想到)去除底部的部分衬底70以使悬臂12、32、52、62变薄。然而，使悬臂12、32、52、62变薄不是必须的，因为传感器的特性(灵敏度和谐振频率)不取决于感测结构的厚度。另外，可以通过底盖的形状来确保悬臂12、32、52、62的移动的可能性。
最后(图8E)，用已知的方式将底盖86和顶盖87固定到衬底70。
所描述的力传感器具有很多优点。
基于压电现象的读取涉及低的噪声，并且因此传感器具有高的灵敏度。
传感器根据标准类型的竖直层结构来配置，并且因此组件是标准类型并且没有像在布置成旋转90°的传感器的情况下引起另外的成本。
在典型的用于制造压电结构的步骤之后需要几个制造步骤。
传感器具有极为紧凑的结构，并且因此减小了整个尺寸。
传感器的灵敏度独立于悬臂的厚度，并且因此传感器不经历由于批次中厚度变化的不精确和过程分布(process spread)。
传感器可以检测不同类型的力，诸如如以上所描述的冲击、加速度、线性和旋转力。
最后，清楚的是，可以对本文中所描述和所图示的传感器做出修改和变化而没有偏离如所附权利要求中所限定的本发明的范围。比如，可以组合所描述的不同实施例以提供另外的解决方案。
另外，虽然所示出的结构总是具有至少一对压电条带，其中每个条带在每个悬臂的相应的纵向半部上延伸，然而有可能在相应的悬臂的一个纵向半部上形成单个条带，其根据悬臂的形变而经受压缩或拉紧并且其输出信号因此唯一地与作用于感测结构的力的数值和方向相关。
比如，图3的单悬臂解决方案也可以具有成对的条带35，类似于图4。另外，如果期望，则每个悬臂可以具有在悬臂的长度方向上彼此跟随的多于两对条带35。另外，每个悬臂可以具有布置在彼此旁边、优选偶数的多于两个条带。

Claims (6)

1.一种制造压电传感器的方法，包括：
沿着衬底的纵向方向形成第一条带和第二条带，所述第一条带和所述第二条带中的每个条带具有位于相应的第一电极层和第二电极层之间的压电层；
将所述第一条带的所述第一电极层电耦合到所述第二条带的所述第二电极层；
将所述第一条带的所述第二电极层电耦合到所述第二条带的所述第一电极层；以及
通过蚀刻所述衬底来形成从所述衬底在所述纵向方向上延伸的悬臂，所述悬臂包括所述第一条带和所述第二条带。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
将第一盖固定到所述衬底的第一表面；以及
将第二盖固定到所述衬底的第二表面。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
在所述第一条带和所述第二条带以及所述衬底上形成钝化层；
通过选择性地去除所述钝化层的一部分来暴露所述第一条带和所述第二条带的所述第一电极层和所述第二电极层的至少一部分；
通过在所述第一条带和所述第二条带的所述第一电极层和所述第二电极层的所暴露的部分中沉积金属化层来形成电接触件。
4.一种系统，包括：
压电传感器，所述压电传感器包括：
半导体衬底；
锚固部分；
形成在所述衬底中的悬臂，所述悬臂具有第一端和第二端，所述第一端被约束到所述锚固部分；以及
所述悬臂上的压电材料的第一条状元件，所述第一条状元件具有第一部分和第二部分，在所述第一端与所述第二端之间所述第二部分与所述第一部分对准并且间隔开。
5.根据权利要求4所述的系统，进一步包括：
测量电路，电耦合到所述压电传感器，并且被配置为确定作用在所述悬臂上的外力的值。
6.根据权利要求4所述的系统，其中所述压电传感器包括所述悬臂上的压电材料的第二条状元件，所述第二条状元件相对于所述第一条状元件被横向地定位。
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