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
【专利摘要】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。
【专利说明】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
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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EWnT1)可导 致极化Pi(AsnT2)。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。
[0003] 多数铁电体是氧化物。已知铁电体是具有f丐钛矿结构（Perowskit-Struktur)的 离子晶体，例如BaTi03。一些材料示出仅仅在薄层中铁电特性，例如SrTi03。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。
[0004]根据对铁电体的新开发（R.W5rdenweber，E.Hollmann，R.Ott，T.Hiirtgen，Kai KeongLee(2009).ImprovedferroelectricityofstrainedSrTi03thinfilmson sapphire.JElectroceram22:363-368)可知，由铁电SrTi03(ST0)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Ce02暂存的蓝宝石上支撑。支撑的ST0的绝缘特性 通过层的电容获得。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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】
[0010] 本发明的仵备和解决方案 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。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 本发明的描沭 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。
[0014] 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。
[0015] 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 1-500ilm之间。
[0016] 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 l-1000nm。
[0017] 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。
[0018] 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 至IJ。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。
[0019] 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。
[0020] 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1(T4%，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。
[0021] 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。
[0022] 在本发明的扩展方案中由结晶材料(例如由硅或A1203)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。
[0023]铁电材料优选由CaTi03,SrTi03,KTa03,BaTi03,Pb5GeOn，Eu2(Mo04)3,PbTa206;， KNb03,SrTe03,PbTi03,SrBi2Ta209,LiTa03,，LiNb03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）。
[0024]表1:铁电化合物及其转变温度。
【权利要求】
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。
【文档编号】H01L29/51GK104321874SQ201380014440
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2013年3月9日 优先权日:2012年3月15日
【发明者】R.韦登韦伯 申请人:于利奇研究中心有限公司