压电传感器制造技术

一种压电传感器(10)，该压电传感器(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。根据本技术，提供了一种压电类型的力传感器。本技术提供了一种压电传感器(10)，其特征在于包括：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)。根据实施方式，可选地，该传感器特征在于，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。根据实施方式，可选地，该传感器特征在于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。根据实施方式，可选地，该传感器特征在于，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。根据实施方式，可选地，该传感器特征在于，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)。根据实施方式，可选地，该传感器特征在于，所述第一单个条带(16)的第一电极(22)和第二电极(23)形成耦合到测量电路(26)的读取节点(20，21)。根据实施方式，可选地，该传感器特征在于包括第二悬臂(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)。根据实施方式，可选地，该传感器特征在于，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。根据实施方式，可选地，该传感器特征在于，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)。根据实施方式，可选地，该传感器特征在于，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耦合到测量电路(26)。根据实施方式，可选地，该传感器特征在于包括第四条状元件(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)耦本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电传感器(10)，其特征在于包括：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)，其特征在于包括：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，其特征在于，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所述的传感器，其特征在于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，其特征在于，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，其特征在于，所述第一条状元件和所述第二条状元件(16，17；36，37)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)，其中第一单个条带(16)的第二电极(23)耦合到第二单个条带(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，其特征在于，所述第一单个条带(16)的第一电极(22)和第二电极(23)形成耦合到测量电路(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，其特征在于包括第二悬臂(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(13；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，其特征在于，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(13；33)成单片。9.根据权利要求7所述的传感器，其特征在于，每个第三条状元件(36，37...

【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：新型
国别省市：意大利;IT