壓電傳感器的制造方法
【專利摘要】一種壓電傳感器(10)，該壓電傳感器(10)形成在半導(dǎo)體材料芯片中，該半導(dǎo)體材料芯片具有限定平面(XY)的表面(13A)并且集成有用于感測(cè)在平面內(nèi)作用的力的感測(cè)結(jié)構(gòu)(11；30；60)。芯片由限定懸臂(12；32；52；62)的襯底(13；33)形成，該懸臂(12；32；52；62)具有被約束到襯底的錨固部(15)的第一端(12A)和在外力的作用下自由彎曲的第二端(12B)。懸臂具有第一和第二縱向半部，每個(gè)縱向半部承載平行于芯片平面延伸的壓電材料的相應(yīng)的條狀元件(16，17)。
【專利說(shuō)明】
壓電傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型涉及用于檢測(cè)諸如沖擊、加速度、單軸力和加速度以及旋轉(zhuǎn)力等平面 內(nèi)的力的集成壓電傳感器。特別地，本實(shí)用新型關(guān)于使用半導(dǎo)體技術(shù)、通常使用用于MEMS設(shè) 備的制造的技術(shù)來(lái)獲得的傳感器以用于檢測(cè)在傳感器的平面內(nèi)作用的力。
【背景技術(shù)】
[0002] 如所已知的，當(dāng)壓電材料經(jīng)受物理應(yīng)力并且經(jīng)歷形變時(shí)，它們被偏置，從而在其兩 端生成電勢(shì)差并且生成電荷。通過(guò)將這些材料連接到外部電路，從而獲得與所施加的力相 關(guān)的壓電電流。
[0003] 以上現(xiàn)象已經(jīng)被研究數(shù)年并且被采用以便提供其中感測(cè)結(jié)構(gòu)(通常是具有至少一 個(gè)壓電區(qū)域的懸臂梁或懸臂）隨機(jī)械應(yīng)力經(jīng)歷形變并且生成電流的傳感器。通過(guò)將感測(cè)電 路連接到測(cè)量電路(諸如安培計(jì)和處理級(jí)），測(cè)量電路可以檢測(cè)電荷或電勢(shì)差并且確定作用 于懸臂的力。
[0004] 以這一方式，壓電傳感器能夠測(cè)量諸如線性和旋轉(zhuǎn)力等力，例如加速度、沖擊等。
[0005] 通常根據(jù)要檢測(cè)的物理量來(lái)優(yōu)化幾何尺寸、材料的屬性以及通常傳感器的感測(cè)結(jié) 構(gòu)的整個(gè)設(shè)計(jì)。
[0006] 比如，對(duì)于沖擊傳感器，有可能使用如圖1所示的感測(cè)結(jié)構(gòu)1。在此，壓電傳感器1包 括承載壓電層3、例如PET(鋯鈦酸鉛)晶體的懸臂2。懸臂2被約束在7中并且具有一個(gè)自由端 8。在作用于懸臂2上的外力4的情況下，這些引起懸臂2的卷曲以及向上或向下彎曲，如箭頭 5所示。這一彎曲引起懸臂2的自由端8的形變以及能夠經(jīng)由合適的測(cè)量電路來(lái)檢測(cè)的應(yīng)力 的生成。
[0007] 圖1的壓電傳感器1適合用于檢測(cè)由于在垂直于懸臂2的放置平面的方向（所謂的 "平面外方向"）上作用的力或應(yīng)力所致的形變。因此，在所示示例中，其中懸臂2延伸到平面 XY中的第一近似，壓電傳感器1能夠檢測(cè)引起懸臂2的自由端在方向Z上的移動(dòng)的力或應(yīng)力。
[0008] 然而，壓電傳感器1不能夠檢測(cè)在平面XY內(nèi)作用的力或應(yīng)力的作用。為了檢測(cè)這些 力，以使得懸臂2能夠平行于穿過(guò)軸Z的平面延伸的方式來(lái)將壓電傳感器1旋轉(zhuǎn)90°。
[0009] 然而，這引起感測(cè)結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)明顯很復(fù)雜，因?yàn)橹圃旌徒M裝很復(fù)雜并且需要更高 的成本，感測(cè)結(jié)構(gòu)的整體尺寸更大，并且感測(cè)結(jié)構(gòu)具有比平面內(nèi)感測(cè)結(jié)構(gòu)低的精度。
[0010]其他已知的解決方案設(shè)想在懸臂的結(jié)構(gòu)中嵌入根據(jù)橫向于平面XY的放置平面(例 如關(guān)于傳感器平面以45°)來(lái)延伸的壓電材料的層。然而，這些解決方案從制造的觀點(diǎn)來(lái)看 特別復(fù)雜，并且因此昂貴。它們因此并非能夠用在所有的低成本應(yīng)用中。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0011] 本實(shí)用新型的目的是提供一種克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷的傳感器。
[0012] 根據(jù)本實(shí)用新型，提供了一種壓電類型的力傳感器。
[0013] 本實(shí)用新型提供了一種壓電傳感器（10)，其特征在于包括:半導(dǎo)體材料芯片，所述 半導(dǎo)體材料芯片具有限定平面(XY)的表面（13A)并且集成有用于感測(cè)在所述平面內(nèi)作用的 力的感測(cè)結(jié)構(gòu)（11; 30; 60)，所述芯片包括形成第一懸臂（12; 32; 52; 62)的襯底（13; 33)，所 述第一懸臂（12;32;52;62)具有限定縱向方向（￥)的細(xì)長(zhǎng)形狀并且具有第一端和第二端 (12厶，128;324,328)，所述第一端（124;324)被約束到錨固部（15)，所述第一懸臂限定第一 縱向半部和第二縱向半部并且支承在所述第一懸臂的所述第一縱向半部上平行于所述芯 片平面延伸的壓電材料的第一條狀元件(16; 36，37)。
[0014]根據(jù)實(shí)施方式，可選地，該傳感器特征在于，所述第一條狀元件（16; 36，37)在所述 第一懸臂（12;32;52;62)上方延伸，并且所述懸臂與所述襯底（13;33)成單片。
[0015]根據(jù)實(shí)施方式，可選地，該傳感器特征在于包括壓電材料的第二條狀元件（17; 37， 36)，所述第二條狀元件（17;37,36)由所述第一懸臂（12;32;52;62)承載并且關(guān)于所述第一 條狀元件（16;36,37)側(cè)向地在所述第一懸臂的所述第二縱向半部上平行于所述芯片平面 (XY)延伸。
[0016] 根據(jù)實(shí)施方式，可選地，該傳感器特征在于，所述第一懸臂（12; 32; 52; 62)在垂直 于所述縱向方向(Y)的第一方向(X)上具有寬度，并且所述第一條狀元件和所述第二條狀元 件（16，17; 36，37)在所述第一方向上具有小于所述第一懸臂（12; 32; 52; 62)的寬度的一半 的寬度，所述第一條狀元件和所述第二條狀元件具有相同的長(zhǎng)度和寬度。
[0017] 根據(jù)實(shí)施方式，可選地，該傳感器特征在于，所述第一條狀元件和所述第二條狀元 件（16，17)每個(gè)包括在所述第一懸臂（12)的第一端和第二端（12A，12B)之間縱向于所述第 一懸臂延伸的壓電材料的單個(gè)條帶（16,17)，每個(gè)單個(gè)條帶包括壓電區(qū)域(24)、第一電極 (22)和第二電極(23)，其中所述第一單個(gè)條帶（16)的第二電極(23)耦合到所述第二單個(gè)條 帶（17)的第一電極(22)，并且所述第二單個(gè)條帶（17)的第二電極(23)耦合到所述第一單個(gè) 條帶（16)的第一電極(22)。
[0018] 根據(jù)實(shí)施方式，可選地，該傳感器特征在于，所述第一單個(gè)條帶（16)的第一電極 (22)和第二電極(23)形成耦合到測(cè)量電路(26)的讀取節(jié)點(diǎn)（20,21)。
[0019] 根據(jù)實(shí)施方式，可選地，該傳感器特征在于包括第二懸臂(32)，所述第二懸臂(32) 平行于所述第一懸臂（32)延伸并且具有被約束到所述襯底（33)的所述錨固部的第一端 (32A)和通過(guò)第一橫向懸臂部（34)固定到所述第一懸臂（32)的第二端（32B)的第二端 (32B)，所述第二懸臂限定第一縱向半部和第二縱向半部并且支承在所述第二懸臂的所述 第一縱向半部上平行于所述芯片平面(XY)延伸的壓電材料的第三條狀元件（36,37)，所述 第一懸臂和所述第二懸臂(32)形成第一多個(gè)懸臂(52)。
[0020] 根據(jù)實(shí)施方式，可選地，該傳感器特征在于，所述第三條狀元件（36，37)在所述第 二懸臂(32)上方延伸，并且所述第二懸臂與所述襯底(33)成單片。
[0021 ]根據(jù)實(shí)施方式，可選地，該傳感器特征在于，每個(gè)條狀元件(36，37)包括壓電材料 的第一條狀部（36)和第二條狀部（37)，所述第一條狀部和所述第二條狀部在相應(yīng)的懸臂 (32)的第一端(32A)與第二端（32B)之間彼此對(duì)齊地延伸，并且每個(gè)條狀部包括壓電區(qū)域 (24)、第一電極(22)和第二電極(23)，其中所述第一條狀部(36)的第二電極(23)耦合到所 述第二條狀部(37)的第一電極(22)并且所述第二條狀部(37)的第二電極(23)耦合到所述 第一條狀部(36)的第一電極(22)。
[0022]根據(jù)實(shí)施方式，可選地，該傳感器特征在于，所述第一條狀元件和所述第二條狀元 件的所述第一條狀部(36)的第一電極(22)彼此連接并且形成第一讀取節(jié)點(diǎn)(40)，所述第一 條狀元件和所述第二條狀元件的所述第一條狀部(36)的第二電極(23)彼此連接并且形成 第二讀取節(jié)點(diǎn)(41)，所述第一讀取節(jié)點(diǎn)和所述第二讀取節(jié)點(diǎn)親合到測(cè)量電路(26)。
[0023] 根據(jù)實(shí)施方式，可選地，該傳感器特征在于包括第四條狀元件(37,36)，所述第四 條狀元件(37,36)由所述第二懸臂(32)來(lái)承載并且在所述第二懸臂的所述第二縱向半部上 在所述第三條狀元件旁邊平行于所述芯片平面(XY)延伸，所述第一條狀元件、所述第二條 狀元件、所述第三條狀元件和所述第四條狀元件每個(gè)具有在相應(yīng)的懸臂的第一端(32A)與 第二端(32B)之間彼此對(duì)齊地延伸的壓電材料的第一條狀部(36)和第二條狀部(37 )，其中 每個(gè)條狀元件的所述第一條狀部（36)布置在側(cè)向相鄰的條狀元件的第二條狀部（37)旁 邊，并且其中所述第一條狀部(36)的第二電極(23)耦合到所述第二條狀部(37)的第一電極 (22)和所述第二讀取節(jié)點(diǎn)(41)，并且所述第二條狀部(37)的第二電極(23)耦合到所述第一 條狀部(36)的第一電極(22)和所述第一讀取節(jié)點(diǎn)(40)。
[0024] 根據(jù)實(shí)施方式，可選地，該傳感器特征在于包括第二多個(gè)懸臂(62 )，所述第二多個(gè) 懸臂包括與所述第一橫向懸臂部(54)相鄰且平行的第二橫向懸臂部(64)，所述第一多個(gè)懸 臂和所述第二多個(gè)懸臂(52,62)關(guān)于彼此對(duì)稱地布置以用于檢測(cè)旋轉(zhuǎn)加速度。
[0025] 根據(jù)實(shí)施方式，可選地，該傳感器特征在于，所述襯底（13; 33)通過(guò)固定到所述襯 底的頂蓋(87)和底蓋(86)被封裝。
[0026]根據(jù)實(shí)施方式，可選地，該傳感器特征在于，所述感測(cè)結(jié)構(gòu)（11; 30; 60)連接到測(cè)量 電路(26)。
[0027] 該傳感器具有極為緊湊的結(jié)構(gòu)，并且因此減小了整個(gè)尺寸;該傳感器的靈敏度獨(dú) 立于懸臂的厚度，并且因此傳感器不經(jīng)歷由于批次中厚度變化的不精確和過(guò)程分布；該傳 感器可以檢測(cè)不同類型的力，諸如沖擊、加速度、線性和旋轉(zhuǎn)力。
【附圖說(shuō)明】
[0028] 為了更好地理解本實(shí)用新型，現(xiàn)在參考附圖僅作為非限制性示例來(lái)描述其優(yōu)選實(shí) 施例，在附圖中：
[0029]圖1是已知類型的壓電力感測(cè)結(jié)構(gòu)的透視圖；
[0030]圖2是在平面內(nèi)力傳感器中使用的力感測(cè)結(jié)構(gòu)的實(shí)施例的透視圖；
[0031 ]圖3示出包括圖2的感測(cè)結(jié)構(gòu)的力傳感器的等效電氣圖；
[0032]圖4是本力傳感器的感測(cè)結(jié)構(gòu)的不同實(shí)施例的透視圖；
[0033]圖5是在存在外力的情況下圖4的結(jié)構(gòu)的形變的透視圖；
[0034]圖6是用于檢測(cè)線性力和旋轉(zhuǎn)力二者的本壓力傳感器的不同實(shí)施例的示意性圖 示；
[0035]圖7A和7B是在分別存在外部線性力和外部旋轉(zhuǎn)力的情況下圖6的力傳感器的行為 的示意性圖示；以及
[0036]圖8A-8E是連續(xù)的制造步驟中的圖2、4和6的感測(cè)結(jié)構(gòu)的截面視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0037]圖2和3示出用于檢測(cè)被定向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的平面方向的力或應(yīng)力的力傳感器10的感測(cè) 結(jié)構(gòu)11的實(shí)施例。
[0038]感測(cè)結(jié)構(gòu)11形成在形成芯片的襯底13中，如圖8A-8E中更清楚地所表示的。襯底13 由在半導(dǎo)體工業(yè)中一般使用的材料制成;例如，其可以是硅或者SOI襯底。襯底13具有限定 平面XY的主表面13A，平面XY形成力傳感器10的靈敏度平面。
[0039] 襯底13單片地形成懸臂類型的梁12,懸臂類型的梁12具有平行于軸Y的主延伸方 向（縱向方向）、固定到襯底13的錨固區(qū)域15的第一端(受約束端）12A、以及第二端（自由端） 12B。懸臂12可以在方向Z上具有小于襯底13的厚度，例如關(guān)于其他兩個(gè)維度可忽略的厚度， 然而這并不是強(qiáng)制性的，如下面所討論的。
[0040] 平行于軸YZ并且穿過(guò)懸臂12的中線的縱向平面界定懸臂12的兩個(gè)縱向半部。
[0041 ]襯底13可以集成其他結(jié)構(gòu)和電子部件(未示出）。
[0042]兩個(gè)條帶16、17在懸臂12上方、關(guān)于懸臂12縱向地、基本上貫穿懸臂12的長(zhǎng)度、彼 此相鄰地、平行并且優(yōu)選地相等地延伸，以具有相同的壓電特性。每個(gè)條帶16、17具有比懸 臂12的一半寬度小的寬度并且沿著懸臂12的相應(yīng)的縱向半部延伸。每個(gè)條帶16、17包括諸 如PZT(鋯鈦酸鉛)等壓電材料的壓電區(qū)域24、均為金屬的頂部和底部電極22、23。
[0043] 兩個(gè)條帶16和17以相對(duì)的方式連接，如圖2中示意性地所示通過(guò)電連接25,電連接 25通常由襯底13的表面上的金屬連接形成(也參見圖8A-8E)。
[0044] 詳細(xì)地，如圖3所示，其中每個(gè)條帶16、17由用相同的附圖標(biāo)記表示的電容器來(lái)表 示，第一條帶16的頂部電極22連接到第一讀取節(jié)點(diǎn)20,并且第一條帶的底部電極23連接到 第二讀取節(jié)點(diǎn)21。另外，第二條帶17的頂部電極22連接到第二讀取節(jié)點(diǎn)21，并且第二條帶17 的底部電極23直接連接到第一讀取節(jié)點(diǎn)20。
[0045]讀取節(jié)點(diǎn)20、21又連接到測(cè)量電路26,測(cè)量電路26可以集成在相同的襯底13中或 者在合適地設(shè)置的ASIC(未示出）中。
[0046] 在所示實(shí)施例中，懸臂12的自由端12b具有伸長(zhǎng)部18,伸長(zhǎng)部18通過(guò)增加懸臂12的 重量實(shí)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)的諧振頻率的減小。
[0047] 在使用中，在存在在懸臂12上在平面內(nèi)作用的外力的情況下，懸臂12在相同的平 面XY中彎曲。在圖2的繪圖平面中，在實(shí)踐中，懸臂12的自由端12b根據(jù)外部作用力的方向而 向左右移動(dòng)，以引起懸臂12的一側(cè)的壓縮以及另一側(cè)的伸展。比如，圖2中指向左側(cè)的力F弓| 起第一條帶16和懸臂12的左側(cè)的壓縮以及第二條帶17和懸臂12的右側(cè)的伸展。相反，在相 反方向上的力可以引起第二條帶17和懸臂12的右側(cè)的壓縮以及第一條帶16和懸臂12的左 側(cè)的伸展。
[0048] 兩個(gè)條帶16和17因此經(jīng)歷單獨(dú)且不同（相反)的形變。它們因此產(chǎn)生相等且相反的 電場(chǎng)Ez(參見圖3)，電場(chǎng)Ez可以單獨(dú)地或者組合地來(lái)檢測(cè)以增加其效果。
[0049] 特別地，通過(guò)將如所描述的兩個(gè)條帶16和17連接，增加了相反值的各個(gè)條帶16、17 的電極22、23之間的電壓變化，并且偏壓與讀取節(jié)點(diǎn)20、21之間出現(xiàn)電荷Q，其由下面的等式 給出（前兩個(gè)特定用于壓電材料，第三個(gè)是高斯定律）： ^P.ZT - -^'P.ZT _ ^;P:ZT ~ ? 1
[0050] < e ' E.pzt + Sei - Ez J (1) J" E)irid * dA = Q .A
[0051]其中OPZT是與力F相關(guān)的條帶16、17上的應(yīng)力，其值針對(duì)簡(jiǎn)單的幾何結(jié)構(gòu)可以通過(guò) 分析來(lái)獲得或者可以很容易地使用FEM軟件來(lái)獲得，Em是壓電材料的楊氏模量，ePZT是形 變4是壓電常量(C/m 2)，Ez是所生成的電場(chǎng)，Dind是電位移場(chǎng)，￡61是壓電介電常數(shù)（ ￡(31=￡〇 er)，A是其面積，并且Q是其上生成的電荷。因此，使用等式（1)，有可能以已知的方式來(lái)確定 作用于懸臂12的外力的值。
[0052]應(yīng)當(dāng)注意，感測(cè)結(jié)構(gòu)30能夠檢測(cè)在垂直于懸臂12的方向的平面方向（在此為X方 向）上作用的力，并且對(duì)于在垂直方向Y和Z上取向的力不敏感。為了檢測(cè)平面中在X和Y兩個(gè) 方向上取向的力，因此使用具有彼此垂直取向的相應(yīng)的懸臂的兩個(gè)傳感器是足夠的。
[0053]圖4示出特征在于高靈敏度的感測(cè)結(jié)構(gòu)30的實(shí)施例。
[0054]圖4的力傳感器包括彼此平行的多個(gè)懸臂32,圖4示出彼此相等的兩個(gè)懸臂32。類 似于圖2,每個(gè)懸臂32具有錨固到襯底33的固定的錨固區(qū)域的第一端32A以及第二端32B。懸 臂32的第二端32B通過(guò)橫向部34連接在一起，橫向部34在橫向（垂直)于懸臂32的方向上延 伸并且固定至懸臂32,使得所有的第二端32B以相同的方式精確地偏轉(zhuǎn)。
[0055]每個(gè)懸臂32承載兩對(duì)條帶35,每對(duì)條帶35包括第一條帶36和第二條帶37。每個(gè)條 帶36、37又如關(guān)于圖2所描述地形成并且因此以圖4中未表示的方式包括壓電區(qū)域24、頂部 電極22和底部電極23。
[0056]詳細(xì)地，在每個(gè)懸臂32中，每對(duì)條帶35延伸大致相應(yīng)的懸臂32的長(zhǎng)度的一半，使得 每個(gè)第一條帶36并排側(cè)向延伸（在垂直于懸臂32的方向上）到相同的一對(duì)條帶35中的相應(yīng) 的第二條帶37并且縱向地具有不同的一對(duì)條帶35中的相應(yīng)的第二條帶37。每對(duì)條帶35中的 條帶36和37還連接在一起并且連接到一對(duì)讀取節(jié)點(diǎn)40、41，類似于關(guān)于圖2和3所描述的。另 外，相同的懸臂32上的一對(duì)條帶35連接在一起并且以鏡像方式連接到讀取節(jié)點(diǎn)40、41。因 此，在縱向方向上，每個(gè)懸臂32承載兩個(gè)條帶元件，這兩個(gè)條帶元件又由第一條帶36和第二 條帶37形成。
[0057]特別地，第一條帶36(在所示示例中，被布置成靠近相應(yīng)條帶32的第一端32A、在相 應(yīng)的懸臂23的第一側(cè)一一例如，圖4中的左側(cè)一一的條帶36以及被布置成靠近相應(yīng)的懸臂 32的第二端32B、在懸臂的第二側(cè)一一例如，圖4中的右側(cè)的第一條帶36)具有連接到第一讀 取節(jié)點(diǎn)40的頂部電極(未示出）以及連接到第二讀取電極41的底部電極(未示出）。相反，第 二條帶37具有連接到第二讀取節(jié)點(diǎn)41的頂部電極(未示出）以及連接到第一讀取電極40的 底部電極(未示出）。
[0058] 由此，圖4的布置等效于類似于圖3的電路，其中以交替的方式連接有八個(gè)電容器。
[0059] 通過(guò)圖4的布置，如圖5所示，懸臂32經(jīng)歷S狀形變，因?yàn)槠涞诙?2B不再自由，但 是受到橫向部34的約束以便以相同的方式垂直于懸臂32的縱向方向（平行于X方向）移動(dòng)。
[0060] 通過(guò)圖4的結(jié)構(gòu)，有可能通過(guò)更多數(shù)目的懸臂32來(lái)獲得更高的靈敏度。橫向部34的 存在確保懸臂的協(xié)調(diào)移動(dòng)，以及使得能夠消除懸臂32之間的任何可能的不對(duì)稱和不同質(zhì)的 影響，否則其可能引起彼此不同的諧振頻率并且因此可能需要對(duì)由感測(cè)結(jié)構(gòu)生成的信號(hào)的 更復(fù)雜的處理。每個(gè)懸臂32上的至少兩對(duì)條帶35的存在（即每個(gè)懸臂32的縱向方向上對(duì)齊 的相反類型的第一和第二條帶36、37的存在)使得能夠檢測(cè)存在的形變，即使沿著懸臂32的 形變的平均值為零。
[00611圖6示出實(shí)現(xiàn)對(duì)線性類型的力和旋轉(zhuǎn)類型的力二者的檢測(cè)的實(shí)施例。
[0062] 在圖6的感測(cè)結(jié)構(gòu)60中，在垂直于繪制平面(并且因此垂直于懸臂52、62的縱向方 向Y)的對(duì)稱平面61中關(guān)于彼此對(duì)稱地布置有兩種多個(gè)懸臂52、62(下文中也稱為"第一（多 個(gè))懸臂"52和"第二（多個(gè))懸臂"62)。每種多個(gè)懸臂52、62可以如圖4中所示地形成并且因 此具有壓電條帶36、37的對(duì)35。第一懸臂52在其第一端固定在相同的第一錨固區(qū)域53處并 且具有被約束到第一橫向部54的第二端。第二懸臂62在其第一端固定在相同的第二錨固區(qū) 域63處并且具有被約束到第二橫向部64的第二端。橫向部54、64并排并且平行地布置。多 個(gè)懸臂52、62以及橫向部54、64優(yōu)選地具有相同的結(jié)構(gòu)，特別地具有相同的厚度、長(zhǎng)度和寬 度，使得感測(cè)結(jié)構(gòu)關(guān)于平面61完全對(duì)稱。
[0063] 在使用中，如圖7A中所例示的，在存在位于傳感器平面(平面XY)中的線性力F1的 情況下，力以相同的方式作用于多個(gè)懸臂52、62二者。因此，第一和第二懸臂52、62在相同的 方向上經(jīng)歷形變，并且由每種多個(gè)懸臂52、62生成的電信號(hào)相同。
[0064]相反，如圖7B中所例示的，在存在旋轉(zhuǎn)力F2的情況下，這一力在相反的方向上作用 于每種多個(gè)懸臂52、62。因此，第一懸臂52和第二懸臂62在相反的方向上經(jīng)歷形變，并且生 成符號(hào)相反的電信號(hào)。
[0065]圖7的感測(cè)結(jié)構(gòu)的測(cè)量電路下游因此能夠檢測(cè)作用于傳感器的力的類型。
[0066] 圖2-7中所示的感測(cè)結(jié)構(gòu)可以如下文中參考圖8A-8E所描述地來(lái)制造，圖8A-8E示 出在懸臂12、32、52或62的縱向方向上截取的半導(dǎo)體材料的芯片的截面。
[0067]初始（圖8A)，在覆蓋有絕緣層72(通常為熱氧化硅）的標(biāo)準(zhǔn)類型的襯底70上、例如 在硅襯底或SOI(絕緣體上硅)襯底上布置底部電極層73(例如由鈦鉑氧化物形成）、壓電層 74和頂部電極層75(例如釕層）。
[0068]接著（圖8B)，使用光刻技術(shù)依次限定頂部電極層75、壓電層74和底部電極層73,用 于形成包括相應(yīng)的壓電區(qū)域24以及相應(yīng)的頂部電極22和底部電極23的條帶16、17、36和37。
[0069] 然后（圖8C)，沉積鈍化層78，例如氧化硅層，選擇性地去除鈍化層78以便局部暴露 頂部和底部電極23、22以及打開通孔79,沉積例如鉑的金屬化層，并且限定金屬化層以形成 接觸結(jié)構(gòu)80和電連接線25。
[0070] 接著（圖8D)，從前面和后面蝕刻襯底70,以便側(cè)向地釋放懸臂12、32、52、62以形成 溝槽85并且（如果設(shè)想到）去除底部的部分襯底70以使懸臂12、32、52、62變薄。然而，使懸 臂12、32、52、62變薄不是必須的，因?yàn)閭鞲衅鞯奶匦?靈敏度和諧振頻率)不取決于感測(cè)結(jié) 構(gòu)的厚度。另外，可以通過(guò)底蓋的形狀來(lái)確保懸臂12、32、52、62的移動(dòng)的可能性。
[0071] 最后（圖8E)，用已知的方式將底蓋86和頂蓋87固定到襯底70。
[0072]所描述的力傳感器具有很多優(yōu)點(diǎn)。
[0073] 基于壓電現(xiàn)象的讀取涉及低的噪聲，并且因此傳感器具有高的靈敏度。
[0074] 傳感器根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)類型的豎直層結(jié)構(gòu)來(lái)配置，并且因此組件是標(biāo)準(zhǔn)類型并且沒(méi)有像 在布置成旋轉(zhuǎn)90°的傳感器的情況下引起另外的成本。
[0075] 在典型的用于制造壓電結(jié)構(gòu)的步驟之后需要幾個(gè)制造步驟。
[0076] 傳感器具有極為緊湊的結(jié)構(gòu)，并且因此減小了整個(gè)尺寸。
[0077] 傳感器的靈敏度獨(dú)立于懸臂的厚度，并且因此傳感器不經(jīng)歷由于批次中厚度變化 的不精確和過(guò)程分布(process spread)。
[0078] 傳感器可以檢測(cè)不同類型的力，諸如如以上所描述的沖擊、加速度、線性和旋轉(zhuǎn) 力。
[0079] 最后，清楚的是，可以對(duì)本文中所描述和所圖示的傳感器做出修改和變化而沒(méi)有 偏離如所附權(quán)利要求中所限定的本實(shí)用新型的范圍。比如，可以組合所描述的不同實(shí)施例 以提供另外的解決方案。
[0080] 另外，雖然所示出的結(jié)構(gòu)總是具有至少一對(duì)壓電條帶，其中每個(gè)條帶在每個(gè)懸臂 的相應(yīng)的縱向半部上延伸，然而有可能在相應(yīng)的懸臂的一個(gè)縱向半部上形成單個(gè)條帶，其 根據(jù)懸臂的形變而經(jīng)受壓縮或拉緊并且其輸出信號(hào)因此唯一地與作用于感測(cè)結(jié)構(gòu)的力的 數(shù)值和方向相關(guān)。
[0081]比如，圖3的單懸臂解決方案也可以具有成對(duì)的條帶35,類似于圖4。另外，如果期 望，則每個(gè)懸臂可以具有在懸臂的長(zhǎng)度方向上彼此跟隨的多于兩對(duì)條帶35。另外，每個(gè)懸臂 可以具有布置在彼此旁邊、優(yōu)選偶數(shù)的多于兩個(gè)條帶。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種壓電傳感器(10)，其特征在于包括： 半導(dǎo)體材料芯片，所述半導(dǎo)體材料芯片具有限定平面(XY)的表面（13A)并且集成有用 于感測(cè)在所述平面內(nèi)作用的力的感測(cè)結(jié)構(gòu)（11 ;30;60)，所述芯片包括形成第一懸臂（12; 32;52;62)的襯底（13;33)，所述第一懸臂（12;32;52;62)具有限定縱向方向（￥)的細(xì)長(zhǎng)形狀 并且具有第一端和第二端（124，128;324,328)，所述第一端（124;324)被約束到錨固部 (15)，所述第一懸臂限定第一縱向半部和第二縱向半部并且支承在所述第一懸臂的所述第 一縱向半部上平行于所述芯片平面延伸的壓電材料的第一條狀元件（16;36,37)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述第一條狀元件（16;36,37)在所述第 一懸臂（12;32;52;62)上方延伸，并且所述懸臂與所述襯底（13;33)成單片。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于包括壓電材料的第二條狀元件（17;37， 36) ，所述第二條狀元件（17;37,36)由所述第一懸臂（12;32;52;62)承載并且關(guān)于所述第一 條狀元件（16;36,37)側(cè)向地在所述第一懸臂的所述第二縱向半部上平行于所述芯片平面 (XY)延伸。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器，其特征在于，所述第一懸臂（12;32;52;62)在垂直于 所述縱向方向（Y)的第一方向(X)上具有寬度，并且所述第一條狀元件和所述第二條狀元件 (16，17; 36,37)在所述第一方向上具有小于所述第一懸臂（12; 32; 52;62)的寬度的一半的 寬度，所述第一條狀元件和所述第二條狀元件具有相同的長(zhǎng)度和寬度。5. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的傳感器，其特征在于，所述第一條狀元件和所述第二條狀 元件（16，17;36,37)每個(gè)包括在所述第一懸臂（12)的第一端和第二端（124，128)之間縱向 于所述第一懸臂延伸的壓電材料的單個(gè)條帶（16,17)，每個(gè)單個(gè)條帶包括壓電區(qū)域(24)、 第一電極(22)和第二電極(23)，其中第一單個(gè)條帶（16)的第二電極(23)耦合到第二單個(gè)條 帶（17)的第一電極(22)，并且所述第二單個(gè)條帶（17)的第二電極(23)耦合到所述第一單個(gè) 條帶（16)的第一電極(22)。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的傳感器，其特征在于，所述第一單個(gè)條帶（16)的第一電極(22) 和第二電極(23)形成耦合到測(cè)量電路(26)的讀取節(jié)點(diǎn)(20，21)。7. 根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一項(xiàng)所述的傳感器，其特征在于包括第二懸臂（32)，所述第 二懸臂(32)平行于所述第一懸臂(32)延伸并且具有被約束到所述襯底（13;33)的所述錨固 部的第一端（32A)和通過(guò)第一橫向懸臂部（34)固定到所述第一懸臂（32)的第二端（32B)的 第二端(32B)，所述第二懸臂限定第一縱向半部和第二縱向半部并且支承在所述第二懸臂 的所述第一縱向半部上平行于所述芯片平面(XY)延伸的壓電材料的第三條狀元件（36， 37) ，所述第一懸臂和所述第二懸臂(32)形成第一多個(gè)懸臂(52)。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳感器，其特征在于，所述第三條狀元件(36,37)在所述第二 懸臂(32)上方延伸，并且所述第二懸臂與所述襯底（13;33)成單片。9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳感器，其特征在于，每個(gè)第三條狀元件(36,37)包括壓電材 料的第一條狀部(36)和第二條狀部(37)，所述第一條狀部和所述第二條狀部在相應(yīng)的懸臂 (32)的第一端(32A)與第二端（32B)之間彼此對(duì)齊地延伸，并且每個(gè)條狀部包括壓電區(qū)域 (24)、第一電極(22)和第二電極(23)，其中所述第一條狀部(36)的第二電極(23)耦合到所 述第二條狀部(37)的第一電極(22)并且所述第二條狀部(37)的第二電極(23)耦合到所述 第一條狀部(36)的第一電極(22)。10. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器，其特征在于，包括第二懸臂(32)，所述第二懸臂(32) 平行于所述第一懸臂(32)延伸并且具有被約束到所述襯底（13;33)的所述錨固部的第一 端（32A)和通過(guò)第一橫向懸臂部（34)固定到所述第一懸臂（32)的第二端（32B)的第二端 (32B)，所述第二懸臂限定第一縱向半部和第二縱向半部并且支承在所述第二懸臂的所述 第一縱向半部上平行于所述芯片平面(XY)延伸的壓電材料的第三條狀元件（36,37)，所述 第一懸臂和所述第二懸臂（32)形成第一多個(gè)懸臂（52);每個(gè)第三條狀元件(36,37)包括壓 電材料的第一條狀部(36)和第二條狀部(37)，所述第一條狀部和所述第二條狀部在相應(yīng)的 懸臂（32)的第一端(32A)與第二端(32B)之間彼此對(duì)齊地延伸，并且每個(gè)條狀部包括壓電區(qū) 域(24)、第一電極(22)和第二電極(23)，其中所述第一條狀部(36)的第二電極(23)耦合到 所述第二條狀部(37)的第一電極(22)并且所述第二條狀部(37)的第二電極(23)耦合到所 述第一條狀部(36)的第一電極(22);并且所述第一條狀元件和所述第二條狀元件的所述第 一條狀部(36)的第一電極(22)彼此連接并且形成第一讀取節(jié)點(diǎn)(40)，所述第一條狀元件和 所述第二條狀元件的所述第一條狀部(36)的第二電極(23)彼此連接并且形成第二讀取節(jié) 點(diǎn)(41)，所述第一讀取節(jié)點(diǎn)和所述第二讀取節(jié)點(diǎn)耦合到測(cè)量電路(26)。11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的傳感器，其特征在于包括第四條狀元件(37,36)，所述第四 條狀元件(37,36)由所述第二懸臂(32)來(lái)承載并且在所述第二懸臂的所述第二縱向半部上 在所述第三條狀元件旁邊平行于所述芯片平面(XY)延伸，所述第一條狀元件、所述第二條 狀元件、所述第三條狀元件和所述第四條狀元件每個(gè)具有在相應(yīng)的懸臂的第一端(32A)與 第二端(32B)之間彼此對(duì)齊地延伸的壓電材料的第一條狀部(36)和第二條狀部(37 )，其中 每個(gè)條狀元件的所述第一條狀部(36)布置在側(cè)向相鄰的條狀元件的第二條狀部(37)旁邊， 并且其中所述第一條狀部（36)的第二電極（23)耦合到所述第二條狀部（37)的第一電極 (22)和所述第二讀取節(jié)點(diǎn)（41)，并且所述第二條狀部(37)的第二電極(23)耦合到所述第 一條狀部(36)的第一電極(22)和所述第一讀取節(jié)點(diǎn)(40)。12. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳感器，其特征在于包括第二多個(gè)懸臂（62)，所述第二多個(gè) 懸臂包括與所述第一橫向懸臂部(54)相鄰且平行的第二橫向懸臂部(64)，所述第一多個(gè)懸 臂和所述第二多個(gè)懸臂(52,62)關(guān)于彼此對(duì)稱地布置以用于檢測(cè)旋轉(zhuǎn)加速度。13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述襯底（13;33)通過(guò)固定到所述襯底 的頂蓋(87)和底蓋(86)被封裝。14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述感測(cè)結(jié)構(gòu)（11 ;30;60)連接到測(cè)量 電路(26)。
【文檔編號(hào)】H01L41/08GK205595376SQ201520964345
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2015年11月26日
【發(fā)明人】F·普羅科皮奧, C·瓦爾扎辛
【申請(qǐng)人】意法半導(dǎo)體股份有限公司