[发明专利]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

说明书

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)。

本申请是于2015年11月26日提交的、申请号为201510845771.5、发明名称为“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”的中国发明专利申请的分案申请。

技术领域

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

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。

发明内容

本发明的目的是提供一种克服现有技术的缺陷的传感器。

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

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：

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；