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制造方法
【专利摘要】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)。
【专利说明】
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
技术领域
[0001]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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] 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°。
[0009] 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。
[0010] 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】
[0011] 本发明的目的是提供一种克服现有技术的缺陷的传感器。
[0012]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】
[0013] 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：
[0014] 图1是已知类型的压电力感测结构的透视图；
[0015] 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；
[0016]图3示出包括图2的感测结构的力传感器的等效电气图；
[0017]图4是本力传感器的感测结构的不同实施例的透视图；
[0018] 图5是在存在外力的情况下图4的结构的形变的透视图；
[0019] 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；
[0020] 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
[0021 ]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】
[0022]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。
[0023] 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。
[0024] 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。
[0025] 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。
[0026]衬底13可以集成其他结构和电子部件(未示出）。
[0027]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。
[0028] 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)。
[0029] 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。
[0030] 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。
[0031 ]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。
[0032] 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弓| 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。
[0033] 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。
[0034] 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）：
[0036]其中σΡΖΤ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，ΕΡΖΤ是压电材料的杨氏模量，εΡΖΤ是形 变4是压电常量(C/m 2)，Ez是所生成的电场，Dind是电位移场，^是压电介电常数（ε(3? = ε〇 er)，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。
[0037] 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。
[0038] 图4示出特征在于高灵敏度的感测结构30的实施例。
[0039]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。
[0040]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。
[0041 ]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。
[0042]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的第一侧一一例如，图4中的左侧一一的条带36以及被布置成靠近相应的悬臂 32的第二端32B、在悬臂的第二侧一一例如，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）。
[0043]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。 [0044] 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。 [0045]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。
[0046]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。
[0047]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。
[0048]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。
[0049]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。
[0050]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。
[0051 ] 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。
[0052]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）。
[0053]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。 [0054]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。
[0055]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。
[0056] 最后（图8E)，用已知的方式将底盖86和顶盖87固定到衬底70。
[0057]所描述的力传感器具有很多优点。
[0058] 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。
[0059] 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。
[0060] 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。
[0061] 传感器具有极为紧凑的结构，并且因此减小了整个尺寸。
[0062] 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)。
[0063] 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。
[0064] 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。
[0065] 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。
[0066]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。
【主权项】
1. 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（￥)的细长形状 并且具有第一端和第二端（124，128;324,328)，所述第一端（124;324)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半部和第二纵向半部并且支承在所述第二悬臂的所述 第一纵向半部上平行于所述芯片平面(XY)延伸的压电材料的第三条状元件（36,37)，所述 第一悬臂和所述第二悬臂(32)形成第一多个悬臂(52)。8. 根据权利要求7所述的传感器，其中所述第三条状元件(36，37)在所述第二悬臂(32) 上方延伸，并且所述第二悬臂与所述衬底(33)成单片。9. 根据权利要求7或8所述的传感器，其中每个条状元件(36,37)包括压电材料的第一 条状部(36)和第二条状部(37 )，所述第一条状部和所述第二条状部在相应的悬臂(32)的第 一端(32A)与第二端(32B)之间彼此对齐地延伸，并且每个条状部包括压电区域(24)、第一 电极(22)和第二电极(23)，其中所述第一条状部(36)的第二电极(23)耦合到所述第二条状 部(37)的第一电极(22)并且所述第二条状部(37)的第二电极(23)耦合到所述第一条状部 (36)的第一电极(22)。10. 根据权利要求9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的所述 第一条状部(36)的第一电极(22)彼此连接并且形成第一读取节点(40)，所述第一条状元件 和所述第二条状元件的所述第一条状部(36)的第二电极(23)彼此连接并且形成第二读取 节点(41)，所述第一读取节点和所述第二读取节点親合到读取电路(26)。11. 根据在引用权利要求3时的权利要求10所述的传感器，包括第四条状元件(37,36)， 所述第四条状元件(37,36)由所述第二悬臂(32)来承载并且在所述第二悬臂的所述第二纵 向半部上在所述第三条状元件旁边平行于所述芯片平面(XY)延伸，所述第一条状元件、所 述第二条状元件、所述第三条状元件和所述第四条状元件每个具有在相应的悬臂的第一端 (32A)与第二端（32B)之间彼此对齐地延伸的压电材料的第一条状部（36)和第二条状部 (37)，其中每个条状元件的所述第一条状部(36)布置在侧向相邻的条状元件的第二条状部 (37)旁边，并且其中所述第一条状部(36)的第二电极(23)耦合到所述第二条状部(37)的第 一电极(22)和所述第二读取节点(41)，并且所述第二条状部(37)的第二电极(23)耦合到所 述第一条状部(36)的第一电极(22)和所述第一读取节点(40)。12. 根据权利要求7到11中任一项所述的传感器，包括第二多个悬臂(62)，所述第二多 个悬臂包括与所述第一横向悬臂部(54)相邻且平行的第二横向悬臂部(64)，所述第一多个 悬臂和所述第二多个悬臂(52,62)关于彼此对称地布置以用于检测旋转加速度。13. 根据权利要求1到12中任一项所述的传感器，其中所述衬底（13;33)通过固定到所 述衬底的顶盖(87)和底盖(86)被封装。14. 根据权利要求1到13中任一项所述的传感器，其中所述感测结构（11 ;30;60)连接到 读取模块(26)。
【文档编号】G01L5/00GK106092387SQ201510845771
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2015年11月26日
【发明人】F·普罗科皮奥, C·瓦尔扎辛
【申请人】意法半导体股份有限公司