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制造技术

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)。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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，本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种克服现有技术的缺陷的传感器。根据本专利技术，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专利技术，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)： ...

【技术保护点】
一种压电传感器(10)，包括：半导体材料芯片，所述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所述平面内作用的力的感测结构(11；30；60)，所述芯片包括形成第一悬臂(12；32；52；62)的衬底(13；33)，所述第一悬臂(12；32；52；62)具有限定纵向方向(Y)的细长形状并且具有第一端和第二端(12A，12B；32A，32B)，所述第一端(12A；32A)被约束到锚固部(15)，所述第一悬臂限定第一纵向半部和第二纵向半部并且支承在所述第一悬臂的所述第一纵向半部上平行于所述芯片平面延伸的压电材料的第一条状元件(16；36，37)。

【技术特征摘要】
2015.04.30 IT TO2015A0002371.一种压电传感器(10)，包括：半导体材料芯片，所述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所述平面内作用的力的感测结构(11；30；60)，所述芯片包括形成第一悬臂(12；32；52；62)的衬底(13；33)，所述第一悬臂(12；32；52；62)具有限定纵向方向(Y)的细长形状并且具有第一端和第二端(12A，12B；32A，32B)，所述第一端(12A；32A)被约束到锚固部(15)，所述第一悬臂限定第一纵向半部和第二纵向半部并且支承在所述第一悬臂的所述第一纵向半部上平行于所述芯片平面延伸的压电材料的第一条状元件(16；36，37)。2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述第一条状元件(16；36，37)在所述第一悬臂(12；32；52；62)上方延伸，并且所述悬臂与所述衬底(13；33)成单片。3.根据权利要求1或2所述的传感器，包括压电材料的第二条状元件(17；37，36)，所述第二条状元件(17；37，36)由所述第一悬臂(12；32；52；62)承载并且关于所述第一条状元件(16；36，37)侧向地在所述第一悬臂的所述第二纵向半部上平行于所述芯片平面(XY)延伸。4.根据权利要求3所述的传感器，其中所述第一悬臂(12；32；52；62)在垂直于所述纵向方向(Y)的第一方向(X)上具有宽度，并且所述第一条状元件和所述第二条状元件(16，17；36，37)在所述第一方向上具有小于所述第一悬臂(12；32；52；62)的宽度的一半的宽度，所述第一条状元件和所述第二条状元件具有相同的长度和宽度。5.根据权利要求3或4所述的传感器，其中所述第一条状元件和所述第二条状元件(16，17)每个包括在所述第一悬臂(12)的第一端和第二端(12A，12B)之间纵向于所述第一悬臂延伸的压电材料的单个条带(16，17)，每个单个条带包括压电区域(24)、第一电极(22)和第二电极(23)，其中所述第一单个条带(16)的第二电极(23)耦合到所述第二单个条带(17)的第一电极(22)，并且所述第二单个条带(17)的第二电极(23)耦合到所述第一单个条带(16)的第一电极(22)。6.根据权利要求5所述的传感器，其中所述第一单个条带(16)的第一电极(22)和第二电极(23)形成耦合到读取电路(26)的读取节点(20，21)。7.根据权利要求1到4中任一项所述的传感器，包括第二悬臂(32)，所述第二悬臂(32)平行于所述第一悬臂(32)延伸并且具有被约束到所述衬底(33)的所述锚固部的第一端(32A)和通过第一横向悬臂部(34)固定到所述第一悬臂(32)的第二端(32B)的第二端(32B)，所述第二悬臂限定第一纵向...

【专利技术属性】
技术研发人员：F·普罗科皮奥，C·瓦尔扎辛，
申请(专利权)人：意法半导体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：意大利;IT