載體襯底和鐵電層組成的傳感器布置以及用於製造和使用的傳感器布置的方法

2023-07-26 15:49:36 3

載體襯底和鐵電層組成的傳感器布置以及用於製造和使用的傳感器布置的方法
【專利摘要】本發明涉及傳感器布置，其包括載體襯底以及在載體襯底上布置的鐵電層，其中傳感器布置具有用於讀出鐵電層的介電常數的裝置。其特徵在於，鐵電層結晶地布置在載體襯底上。公開用於製造傳感器布置的方法及傳感器布置的使用。
【專利說明】載體襯底和鐵電層組成的傳感器布置以及用於製造和使用 的傳感器布置的方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及由載體襯底和鐵電層組成的傳感器布置以及用於製造和使用布置的 方法。

【背景技術】
[0002] 眾所周知，在絕緣的可極化的材料(所謂的電介質）中，通過外部電場EWnT1)可導 致極化Pi(AsnT2)。對於電介質在壓電的材料中除外部電場以外還由壓力，拉力或扭力導致 的外部機械變形導致載荷位移並因此材料的電極化。對此正和負晶格組合件通過變形如此 位移，使得產生電偶極矩，由此感應在向外中性晶體的表面上的顯見的載荷。壓電的那些材 料整合在概念熱電下，其還在沒有外部電場具有電偶極矩，偶極矩基於晶格中的扭曲和因 此沿著載荷重心的位移引起，並且因此導致晶體的電極化。之後這個物質已經在沒有電場 的情況下自發地極化。具有電偶極矩的那些物質最終整合在概念鐵電下，其通過提供外部 電場改變自發極化的方向。在材料有關的居裡溫度之上該現象消失，並且材料轉變為順電 狀態。這個過程是可逆的，也就是在在低於居裡溫度的情況下開始具有結構改變的相位轉 變並且材料重新轉變為鐵電狀態。通常介電常數，因此還有介電常數的改變，在轉變的範圍 中的溫度的情況下最大。介電常數的可逆的儘可能大的改變在此直接在相位轉變之上溫度 範圍上實現。
[0003] 多數鐵電體是氧化物。已知鐵電體是具有f丐鈦礦結構（Perowskit-Struktur)的 離子晶體，例如BaTi03。一些材料示出僅僅在薄層中鐵電特性，例如SrTi03。鐵電層基本上 在集成電路中並且在移動無線電技術中使用。
[0004]根據對鐵電體的新開發（R.W5rdenweber，E.Hollmann，R.Ott，T.Hiirtgen，Kai KeongLee(2009).ImprovedferroelectricityofstrainedSrTi03thinfilmson sapphire.JElectroceram22:363-368)可知，由鐵電SrTi03(ST0)製成的薄膜可通過取 向附生生長和晶格參數的接受例如在Ce02暫存的藍寶石上支撐。支撐的ST0的絕緣特性 通過層的電容獲得。
[0005] 壓力和彎曲傳感器的工作原理通常基於將要測量的參數轉化為電信號。這可以直 接或間接進行。壓力和彎曲傳感器可以用來直接測量壓力或者彎曲並且用於其他參數(例 如溫度，流量或位置）的間接確定。
[0006] 根據應用，期望的測量精度和成本使用例如（壓）電阻傳感器，壓電的傳感器，電 感傳感器，電容傳感器和光學傳感器。經常例如在高萊探測器（Golay-Zelle)中使用這些 傳感器的組合。
[0007] 壓電的壓力傳感器特徵在於，在具有相對軸的晶體中藉助於要測量的壓力感應載 荷分離，該載荷分離產生電壓。這因此還作為壓電的效應對已知狀態起作用，通過壓力在晶 體的內部中使離子位移，離子在表面上與機械施加的力成比例地形成電載荷。例如藉助於 放大器載荷轉化成與其成比例的電壓。在壓力電阻傳感器的情況下相反材料的特定電阻改 變直到其拉力或壓力負載中斷。這個效果也在沒有相對軸的晶體(例如在如矽的半導體中） 上出現。
[0008] 壓電的壓力傳感器和在應變傳感器中使用的壓力電阻傳感器布置的通常的問題 為，其構建相對複雜並且因此成本高。這個傳感器的靈敏度同樣需要提高。
[0009] 此外缺點在於，熱電在技術相關用於領域中經常導致幹擾的人工損壞，其覆蓋了 真正感興趣的壓電結果。焦熱電材料製成的壓力傳感器可以指示錯誤的正信號，因為其在 加熱信號下出現，雖然根本沒有壓力改變存在。


【發明內容】

[0010] 本發明的仵備和解決方案 本發明的任務為提出一種傳感器布置，其相對於根據現有技術的壓電的和焦熱電的傳 感器具有提高的敏感性和靈敏度並且在此尤其簡單並且低成本地製造。
[0011] 本發明的進一步的任務為，給出用於製造傳感器布置的方法以及傳感器布置的使 用。
[0012] 該任務通過權利要求1所述的傳感器布置以及根據從屬權利要求的其製造的方 法以及其使用來解決。對此，有利擴展方案在需要時分別從回引其的權利要求得出。
[0013] 本發明的描沭 傳感器布置由載體襯底以及在載體襯底上布置的層組成。鐵電層可以全平面地布置在 載體襯底上，或僅僅在邊緣上由載體襯底承載。在鐵電層上可以布置電容器布置作為用於 讀出鐵電層的介電係數的裝置。該電容器布置用於根據垂直在鐵電層上施加的超壓或不足 壓讀出層的電特性。
[0014] 備選地電氣特性可以無接觸地通過光學測量，例如通過橢圓光度法，讀出。在這種 情況下可能的是，鐵電層僅僅在邊緣上通過載體襯底支持。
[0015] 鐵電層設計成結晶的。只要層全平面地布置在載體襯底上，重要的是，載體襯底柔 性地對輕微地對傳感器布置起作用的壓力起反應並且偏轉。載體襯底的厚度在此應該在 1-500ilm之間。
[0016] 對傳感器布置施加的壓力導致鐵電層和載體襯底的壓縮或膨脹，該壓縮或膨脹導 致介電常數的可證明的改變。鐵電層在室內溫度的情況下具有晶體在襯底上的中心對稱的 對齊，或者這個對齊由自己採用，也就是說層位於絕緣狀態中。鐵電層的厚度應該為大約 l-1000nm。
[0017] 用於讀出介電常數的布置通過改變鐵電材料的極化性探測垂直在鐵電層上起作 用的機械壓力，該極化性由於層的材料的晶格狀態從中心對稱轉變為非中心對稱的轉變而 出現。根據在載體襯底上鐵電層的布置以及鐵電層和載體襯底上讀出布置的布置，施加壓 力導致鐵電層的壓縮或膨脹。
[0018] 根據本發明的傳感器布置因此基於在改變晶體結構的情況下由於壓力應用極化 性的改變並且因此鐵電晶體的介電常數的改變。因此相對於壓電的傳感器使理論不是以載 荷的位移"正對負"為基礎，而是晶體的極化性。通常非鐵電並且僅具有小介電常數的中心 對稱的晶體通過變形到非中心對稱的晶體來改變。這導致大大地提高極化性（介電常數） 直到感應的鐵電。在晶格參數的改變〈1%的情況下超過數量級的介電常數的改變在此可達 至IJ。有利地這造成，傳感器布置具有極其高的靈敏性或者敏感性。介電常數的改變現在可 以非常容易電容地或無接觸地光學地讀出。傳感器布置基於鐵電層的改變的極化性讀出機 械力。另外在此錯誤正結果在焦熱電材料的情況下實際上不出現。
[0019] 在本發明的範圍中驚人地發明，不僅取向附生生長的層通過在在晶格參數方面偏 離的襯底上的機械緊固導致鐵電層的極化性。更確切地可認識到，在傳感器布置上技術相 關輕微的壓力或者拉力也可以導致鐵電層的明顯介電常數變化。
[0020] 因為在適當選擇鐵電層的情況下晶格的改變的分數保持不變，例如為1(T4%，導致 介電常數的可測量的改變，該任務已經僅僅通過這種方式解決，結晶地在載體襯底提供鐵 電層，其介電常數例如用橢率計讀出。橢率計的輻射路徑指向鐵電層並且探測介電常數的 改變。
[0021] 如所述的，鐵電層可以在薄隔膜上作為載體襯底沉澱。通過作為傳感器層的鐵電 層的介電常數的探測的改變有利地在Pa區域中可檢測壓力。當然還可以在使用光學讀出 單元的情況下鐵電層全平面地在載體襯底上布置，例如出於穩定性的原因。
[0022] 在本發明的擴展方案中由結晶材料(例如由矽或A1203)或金屬或有機材料(例如聚 醯亞胺）製成的柔性薄片類型的載體襯底作為載體襯底使用。載體材料的選擇取決於相應 的應用和傳感器層的要求。通過使用薄片確保緊固的高尺度。
[0023]鐵電材料優選由CaTi03,SrTi03,KTa03,BaTi03,Pb5GeOn，Eu2(Mo04)3,PbTa206;， KNb03,SrTe03,PbTi03,SrBi2Ta209,LiTa03,，LiNb03或它們的組合組成。可能鐵電體的列表 在此在表1中示出。提供相應轉變溫度（居裡溫度）。
[0024]表1:鐵電化合物及其轉變溫度。

【權利要求】
1. 傳感器布置，包括載體襯底以及在載體襯底上布置的鐵電層，其中所述傳感器布置 具有用於讀出鐵電層的介電常數的裝置， 其特徵在於， 所述鐵電層結晶地布置在所述載體襯底上。
2. 如上述權利要求所述的傳感器布置，其特徵在於柔性載體襯底。
3. 如上述權利要求之一所述的傳感器布置，其特徵在於矽或Al2O3，或聚醯亞胺或金屬 作為所述載體襯底的材料。
4. 如上述權利要求之一所述傳感器布置，其特徵在於 由 CaTiO3, SrTiO3, KTaO3, BaTiO3, Pb5GeO11, Eu2(MoO4)3, PbTa2O6;, KNbO3, SrTeO3, PbTiO3, SrBi2Ta2O9, LiTaO3, LiNbO3或這些材料的組合製成的鐵電材料。
5. 如上述權利要求之一所述的傳感器布置，其特徵在於， 由具有低於室內溫度的轉變溫度的材料製成的鐵電層布置在所述載體襯底上，使得壓 力作用在鐵電層的晶格上成為拉應力。
6. 如上述權利要求之一所述的傳感器布置，其特徵在於， 由具有大於室內溫度的轉變溫度的鐵電材料布置在載體襯底上，使得壓力作用在所述 晶格上作為壓應力。
7. 如上述權利要求之一所述的傳感器布置，其特徵在於， 具有大於室內溫度的轉變溫度的鐵電材料布置在載體襯底的一側上並且具有小於室 內溫度的轉變溫度的鐵電材料布置在載體襯底的相對側上。
8. 用於製造如上述權利要求之一所述的傳感器布置的方法， 其特徵在於， 鐵電材料結晶地通過物理氣相沉積，化學氣相沉積，通過溶液的化學沉積或電泳沉積 布置在載體襯底上。
9. 如上述權利要求之一所述的傳感器布置的作為壓力或彎曲傳感器的使用，其中垂 直在傳感器布置上施加的機械力可逆地導致鐵電層中極化性的改變，並且在力的衰減之後 鐵電層的極化性重新轉變到輸出狀態。
10. 如上述權利要求所述的使用，其特徵在於 在鐵電層的轉變溫度的情況下測量壓力。
【文檔編號】H01L29/51GK104321874SQ201380014440
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2013年3月9日 優先權日:2012年3月15日
【發明者】R.韋登韋伯 申請人:於利奇研究中心有限公司