具体实施方式

将理解的是，尽管术语第一、第二、第三等在本文中可以用来描述各种元件、部件、区、层和/或部分，但是这些元件、部件、区、层和/或部分不应当由这些术语限制。这些 术语仅用来将一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分相区分。 因此，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可以被称为第二元件、部件、区、层或 部分而不偏离本公开的教导。

诸如“在…下面”、“在…之下”、“较下”、“在…下方”、“在…之上”、“较 上”、“顶”、“底”等等之类的空间相对术语在本文中可以为了便于描述而用来描述如 图中所图示的一个元件或特征与另一个(些)元件或特征的关系。将理解的是，这些空间 相对术语意图涵盖除了图中描绘的取向之外在使用或操作中的器件的不同取向。例如， 如果翻转图中的器件，那么被描述为“在其他元件或特征之下”或“在其他元件或特征下 面”或“在其他元件或特征下方”的元件将取向为“在其他元件或特征之上”。因此，示 例性术语“在…之下”和“在…下方”可以涵盖在…之上和在…之下的取向两者。诸如 “在…之前”或“在…前”和“在…之后”或“接着是”之类的术语可以类似地例如用来 指示光穿过元件所依的次序。器件可以取向为其他方式(旋转90度或以其他取向)并且 相应地解释本文中使用的空间相对描述符。另外，还将理解的是，当层被称为“在两个层 之间”时，其可以是在该两个层之间的唯一的层，或者也可以存在一个或多个中间层。

本文中使用的术语仅出于描述特定实施例的目的并且不意图限制本公开。如本文中 使用的，单数形式“一个”、“一”和“该”意图也包括复数形式，除非上下文清楚地另 有指示。将进一步理解的是，术语“包括”和/或“包含”当在本说明书中使用时指定所 述及特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、 整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在或添加一个或多个其他特征、整体、 步骤、操作、元件、部件和/或其群组。如本文中使用的，术语“和/或”包括相关联的列 出项目中的一个或多个的任意和全部组合，并且短语“A和B中的至少一个”是指仅A、 仅B、或A和B两者。

将理解的是，当元件或层被称为“在另一个元件或层上”、“连接到另一个元件或层”、“耦合到另一个元件或层”或“邻近另一个元件或层”时，其可以直接在另一个元 件或层上、直接连接到另一个元件或层、直接耦合到另一个元件或层或者直接邻近另一 个元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当元件被称为“直接在另一个元件或层 上”、“直接连接到另一个元件或层”、“直接耦合到另一个元件或层”、“直接邻近另 一个元件或层”时，没有中间元件或层存在。然而，在任何情况下“在…上”或“直接 在…上”都不应当被解释为要求一个层完全覆盖下面的层。

本文中参考本公开的理想化实施例的示意性图示(以及中间结构)描述本公开的实 施例。正因为如此，应预期例如作为制造技术和/或公差的结果而对于图示形状的变化。因此，本公开的实施例不应当被解释为限于本文中图示的区的特定形状，而应包括例如 由于制造导致的形状偏差。因此，图中图示的区本质上是示意性的，并且其形状不意图 图示器件的区的实际形状并且不意图限制本公开的范围。

除非另有定义，本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本公开所属领域的普通技术人员所通常理解的相同含义。将进一步理解的是，诸如那些在通常 使用的字典中定义的之类的术语应当被解释为具有与其在相关领域和/或本说明书上下 文中的含义相一致的含义，并且将不在理想化或过于正式的意义上进行解释，除非本文 中明确地如此定义。

目前基于压电材料的压力传感器都是基于d31或d33单极化的传感器，一般只有平面接触或者点接触可以作用在压电材料上以检测该压电材料敏感轴方向上的压力，而无法进行多维度的压力测量。

本公开的示例性实施例提供了一种改进的压力传感器单元和包括该改进的压力传感 器单元组成的阵列的压力传感器。根据本公开实施例的压力传感器能够检测到多维方向 上的压力，而且无需复杂工艺，制造难度较低。

如本文使用的，术语“衬底”可以表示经切割的晶圆的衬底，或者可以指示未经切割 的晶圆的衬底。类似地，术语芯片和裸片可以互换使用，除非这种互换会引起冲突。应当理解，术语“层”包括薄膜，除非另有说明，否则不应当解释为指示垂直或水平厚度。

图1A和1B是根据本公开示例性实施例的压力传感器单元的结构示意图。如图1A和1B所示，该压力传感器单元100包括：底电极110、与该底电极110电连接的底电极 引线112、压电材料层114、顶电极116、以及与该顶电极116电连接的顶电极引线118。 底电极110、压电材料层114和顶电极116沿着压电材料层114的敏感轴方向顺序堆叠， 以用于感测敏感轴方向上的压力，并且底电极引线112和顶电极引线118之一包括电阻 分段120和引线分段122，电阻分段120充当电阻式传感器，用于感测电阻分段120的 长度方向上的压力。

根据本公开实施例的压力传感器单元既能检测压电材料层的敏感轴方向上的压力， 又能检测电阻分段长度方向上的力，而且无需复杂的工艺，制造成本较低。

根据一些实施例，压电材料层114的压电常数为d33。压电常数表征压电体在压力下 产生极化强弱(电压大小)的常数。压电常数d33的下标中的第一个数字指的是电场方向，第二个数字指的是应力或应变的方向，“33”表示极化方向与测量时的施力方向相 同。

在图1A和1B所示的实施例中，压电材料层114的敏感轴方向垂直于压电材料层114所在平面，底电极110、压电材料层114和顶电极116依次顺序堆叠。图1A和1B分 别示出了两个不同方向上的底电极引线112的结构，以用于感测不同方向上的压力。例 如，压电材料层114的敏感轴方向(即垂直于压电材料层114所在平面的方向)表示为 z方向，顶电极引线118基本上延伸方向表示为y方向，则图1A所示压力传感器单元的 结构既可以感测压电材料层敏感轴方向(即z方向)上的力，又可以感测x方向上的压 力。图1B所示压力传感器单元的结构既可以感测压电材料层敏感轴方向(即z方向)上 的力，又可以感测y方向上的压力。从而各自实现了能够同时感测不同方向上的力。

应当理解，底电极引线112和顶电极引线118的长度和宽度并不限制于附图中所示出的尺寸和比例，附图仅仅为示例性表示。

根据一些实施例，电阻分段120的长度方向基本上垂直于压电材料层114的敏感轴方向。在本公开中，术语“基本上垂直于”涵盖“垂直”和由于制造工艺引起的误差而所 致的相对于“垂直”的偏离。应当理解，考虑到受其制造工艺和布线影响，引线分段122 也可以在短距离内上下走向、以及也可以在其所在平面内短距离内左右弯折，但电阻分 段120的长度方向基本上垂直于压电材料层114的敏感轴方向。

在本公开的实施例中，电阻分段120可以为基本上矩形的形状，该矩形的长边为该电阻分段120的长度方向，该矩形的短边为该电阻分段120的宽度方向。

在根据本公开的实施例中，压力传感器单元在承受其敏感轴方向的外力作用时产生 电荷，因此，其相当于一个电荷发生器。当压力传感器单元的顶电极和底电极聚集电荷时，它又相当于一个以压电材料层为介质的电容式传感器。因此，可以把压力传感器单 元等效为一个电荷源与一个电容相并联的电荷等效电路。而根据本公开的压力传感器单 元的电阻分段和引线分段的电阻值不同，其中电阻分段的电阻值不可忽略，而引线分段 的电阻值可忽略。因此，电阻分段的存在等效于在底电极引线和顶电极引线之一上串联 电阻式传感器，即电阻器。

与图1A和1B所示结构相对应的等效电路图可如图2所示。R_T表示其长度方向基本上垂直于压电材料层的敏感轴方向的电阻分段所对应的等效串联的电阻式传感器；C表 示以压电材料层为介质的电容式传感器；Rout表示该压力传感器单元的负载电阻；当该 压力传感器单元受到作用在其上的压力时，所测量到的负载电路上的电压值表示为Vout； 当压力传感器单元受到作用在其上的压力时电容式传感器C充电，随之产生电流I₀。如 图2所示的电路结构的输出阻抗Z可以表示为公式(1)和(2)所示。

如图2所示的电路结构的输出电压可表示为公式(3)和公式(4)所示。

其中，Vi表示电阻式传感器R_T上的电压值；VR表示压电材料层的敏感轴方向上的压力所 带来的电压值。

通过公式(2)、(3)和(4)，得到公式(5)、(6)和(7)如下所示。

通过整理公式(5)、(6)和(7)可得到公式(8)、(9)和(10)如下所示。

由此，根据公式(9)或(10)以及公式(3)并且Rout已知，可以得到R_T值。这里，R_T是电阻分段在其长度方向上的压力的作用下产生形变之后的电阻值，并且电阻分段在未 受力形变之前的电阻值是已知的。于是，借助公式(8)可以得到电阻分段的电阻值变化 所引起的电压值的变化，并由此确定电阻分段的长度方向(其基本上垂直于压电材料层 的敏感轴方向)上的压力。另外，根据VR可以确定压电材料层的敏感轴方向上的压力。

根据一些实施例，电阻分段120的宽度小于引线分段122的宽度。根据电阻公式： R＝ρL/A，其中，L为引线长度，ρ为电阻率，A为引线横截面积。当电阻分段120的宽 度小于引线分段122的宽度时，电阻分段120在其长度范围内的引线横截面积小于其他 引线分段122的引线横截面积，因此，电阻分段120的电阻值大于引线分段122的电阻 值，因此，可以将电阻分段120等效为电阻式传感器。继续参考图1A和1B所示，可以 适当地设置电阻分段120的长度和宽度，以使得电阻分段120等效为电阻式传感器。另 外，电阻分段的宽度小于引线分段的宽度，不需占用额外的走线空间即可实现等效电阻 式传感器的设置。

根据一些实施例，底电极110和顶电极116由相同的金属材料制成，即第一金属层和第二金属层的金属材料相同。根据一些实施例，制成底电极110和顶电极116的金属 材料包括钼。

在一些示例中，底电极110和顶电极116的金属材料也可以不同，在此不作限制。

根据一些实施例，制成压电材料层114的材料包括氮化铝。氮化铝(AlN)材料的结构稳定性高、压电响应较低；AlN材料能够适应高温环境，具有很高的化学稳定性，在腐 蚀性工作环境下器件依旧能够正常工作而不受影响；而且，AlN材料还具有良好的热传 导性能，不会因为产热过多而减少器件的使用寿命。

在一些示例中，也可以使用例如氧化锌(ZnO)和陶瓷(PZT)系列的压电材料，在 此不作限制。

本公开的示例性实施例还提供了一种多维压力传感器，如图3所示，该多维压力传感器300包括：衬底；以及多个压力传感器单元，每个压力传感器单元为上面所述的压 力传感器单元。多个压力传感器单元在衬底上呈阵列布置，并且底电极比顶电极更靠近 衬底。

根据本公开的多维压力传感器可通过部署多个如上面所述的压力传感器单元而实现 测量多个方向上的压力。

根据一些实施例，多维压力传感器还可以包括位于多个压力传感器单元的底电极、 压电材料层和顶电极上的介电层。介电层可以起到绝缘以及保护底电极、压电材料层和 顶电极的作用，例如隔绝空气，防止氧化等。在一些示例中，该介电层材料可以为氧化硅(SiO₂)、氮化硅(SiN₄)或氮氧化硅(SiOxNy)等。应当理解，其他适宜的介电层材料 也是可能的。在一些示例中，介电层也可以不局限于介电材料，例如还可以选用柔性材 料(例如聚酰亚胺)等，起到绝缘作用，同时，在保证柔性的前提下增加了传感器的强 度。

根据一些实施例，多个压力传感器单元的顶电极引线位于介电层上的布线层中，并 且经由介电层中的通孔电连接到多个压力传感器单元中的对应压电传感器单元的顶电极。 在一些示例中，该布线层的材料例如可以为铝(Al)等。在一些示例中，该布线层还可以包括钛(Ti)和铝(Al)，钛可以位于金属铝的顶表面和底表面以作为金属铝的粘附层/ 阻挡层，以防止金属铝在后续可能的例如高温工艺中发生扩散等。应当理解，其他材料 的布线层也是可能的，例如导电聚合物等，在此不作限制。

根据一些实施例，还包括柔性材料层，该柔性材料层位于布线层上，并且包括通孔以用于暴露多个压力传感器单元的底电极引线和顶电极引线的焊盘区域。该柔性材料层不仅可以进一步对器件结构进行保护，以起到防止器件氧化、抗化学腐蚀和电绝缘性等 作用，还使得该多维压力传感器能够进一步形成柔性传感器，不会发生碎片、弯曲变形 等。在一些示例中，该柔性材料层的材料例如可以为聚酰亚胺，在此不作限制。

根据一些实施例，多个压力传感器单元包括至少一个第一压电传感器单元310和至 少一个第二压电传感器单元320，第一压电传感器单元310的电阻分段的长度方向基本上垂直于第二压电传感器单元320的电阻分段的长度方向。

如图3所示，多维压力传感器包括3x3阵列并且中间位置的第二压力传感器单元320 的电阻分段的长度方向基本垂直于周围的第一压力传感器单元310的电阻分段的长度方 向。这样，多维压力传感器除了能够感测敏感轴方向(垂直于所在平面)上的压力，还能够测量第二压力传感器单元320的电阻分段的长度方向(x方向)上的压力以及第一压力 传感器单元310的电阻分段的长度方向(y方向)上的压力。并且，相较于测量第二压力 传感器单元320的电阻分段的长度方向(x方向)上的压力，其更侧重于测量第一压力传 感器单元310的电阻分段的长度方向(y方向)上的压力。

应当理解，图3示出的仅仅是多维压力传感器的示例性结构，其第一压力传感器单元和第二压力传感器单元的个数和布局均不限制于此，可根据其使用环境的不同而具体设置侧重于测量x方向还是y方向上的压力。另外，根据本公开的多维压力传感器也可 以只包括第一压力传感器单元或只包括第二压力传感器单元，在此不作限制。

根据一些实施例，多维压力传感器300的柔性材料层可以充当柔性衬底。具有柔性衬底的多维压力传感器可以呈现出可弯曲、可延展等柔性化的特点。

图4是根据本公开示例性实施例的制作上面所述的多维压力传感器300的方法400的流程图，并且图5A至5M是通过方法400的各个步骤形成的多维压力传感器的示例结 构的示意图。下面参照图4和图5A至5M描述方法400。

如图4所示，该制造多维压力传感器的方法400包括：提供衬底510；在衬底510上形成顺序堆叠的第一金属层514、压电材料层516和第二金属层518；对第二金属层518 进行图案化以形成多个压力传感器单元的顶电极；对压电材料层516进行图案化以形成 多个压力传感器单元的压电材料层；对第一金属层514进行图案化以形成多个压力传感 器单元的底电极和底电极引线，底电极引线电连接到对应的底电极；以及形成多个压力 传感器单元的顶电极引线。顶电极引线电连接到对应的顶电极。对于每个压电传感器单 元：压电材料层的敏感轴方向基本上垂直于衬底，以使得该压电传感器单元能够感测敏 感轴方向上的压力，并且底电极引线和顶电极引线之一包括电阻分段和引线分段，电阻 分段充当电阻式传感器，以使得该压电传感器单元能够感测电阻分段的长度方向上的压 力。

在步骤410，提供衬底510。如图5A所示，衬底510可以是任何类型的半导体衬 底，例如可以为以下材料中的至少一种制成：硅、绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上层叠硅 (SSOI)、绝缘体上层叠锗化硅(S-SiGeOI)以及绝缘体上锗化硅(SiGeOI)等。进一步地， 衬底还可以为N型衬底或P型衬底。在一些实施例中，衬底310中包括器件结构312(未 示出)，器件结构312可以是通过半导体工艺所形成的任何半导体器件结构。例如，器 件结构312可以为无源器件、有源器件、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems，微 机电系统)器件或者互联结构等。在一些实施例中，器件结构312可以是CMOS器件。

在步骤420，在衬底510上形成顺序堆叠的第一金属层514、压电材料层516和第二金属层518。如图5B所示，在一些实施例中，在衬底上形成顺序堆叠的第一金属层514、 压电材料层516和第二金属层518之前，可以先形成种子层(seed layer)512，以使得第 一金属层能够按照特定的晶向进行生长。在一些示例中，种子层的材料例如可以为AlN。

在一些示例中，第一金属层514和第二金属层518可以通过任何适当的工艺依次形成在衬底上。例如，沉积、溅射或电镀等。压电材料层516也可以通过任何适当的工艺 形成在第一金属层上，例如沉积或溅射等。

在步骤430-步骤450，对第二金属层518进行图案化以形成多个压力传感器单元的顶电极518a；对压电材料层516进行图案化以形成所述多个压力传感器单元的压电材料 层516a；以及对第一金属层514进行图案化以形成所述多个压力传感器单元的底电极 514a和底电极引线514b，其分别如图5C-5E所示。

例如，可以通过光刻和刻蚀工艺，对第一金属层514、压电材料层516和第二金属层518进行图案化，但本公开不限于此。根据具体的应用和/或需求，可以选择能够使第一 金属层514、压电材料层516和第二金属层518图案化的任何适当的工艺。

在步骤460，形成多个压力传感器单元的顶电极引线。

根据一些实施例，方法400还可以包括：在形成多个压力传感器单元的顶电极引线之前，在多个压力传感器单元的底电极、压电材料层和顶电极上形成介电层520，如图5F 所示。

在一些示例中，可以通过任何适当的工艺在多个压力传感器单元的底电极、压电材 料层和顶电极上形成介电层，在此不作限制。

根据一些实施例，如图5G-5I所示，形成多个压力传感器单元的顶电极引线包括：对 介电层520进行图案化，以露出多个压力传感器单元的底电极引线的连接区域和顶电极的连接区域(如图5G所示)；在图案化后的介电层上形成布线层522(如图5H所示)； 对布线层522进行图案化，以形成经由顶电极的连接区域电连接到对应的顶电极的顶电 极引线522a和覆盖所述底电极引线的连接区域的底电极引线的焊盘区域522b(如图5I 所示)。在一些实施例中，底电极可能很薄，其焊盘区域在使用过程中容易受到损坏，因 此在形成顶电极引线的过程中，在底电极的连接区域上也同时形成一层布线层，以进一 步加厚并保护该底电极的连接区域以形成底电极引线的焊盘区域。

根据一些实施例，如图5J-5L所示，方法400还包括：在形成多个压力传感器单元的顶电极引线之后，在多个压力传感器单元的背离衬底510的一侧形成柔性材料层524(如 图5J所示)；以及在柔性材料层524中形成通孔以用于暴露多个压力传感器单元的底电 极引线的焊盘区域和顶电极引线的焊盘区域(如图5L所示)。

根据一些实施例，如图5M所示，方法400还包括：对衬底510进行减薄以使得所 述衬底具有柔性。减薄后的衬底可以呈现出可弯曲、可延展等柔性化的特点，以形成柔 性多维压力传感器。柔性多维压力传感器能够承受弯曲、拉伸等变形以满足各种不同形 状的界面。

在一些实施例中，如图5K-5M所示，还可以在对衬底510进行减薄之前，形成贯穿柔性材料层524并延伸至衬底510中的深槽526。该深槽526在经图案化的布线层区域 以外，能够起到释放应力的作用；并且其在衬底510中的深度大于减薄后要保留的衬底 厚度，以使得在减薄完成后，该单块电路结构与其他电路结构(未示出)分离，免去后续 划片的操作。

在一些实施例中，还可以在减薄后、在该衬底的减薄的一侧进一步形成保护层。根据一些实施例，在该衬底的减薄的一侧形成保护层可以包括：在该衬底的减薄的一侧形 成保护材料层，以及对保护材料层进行固化，以形成保护层。通过形成保护层，可以对减 薄后的衬底形成保护作用，并进一步有助于实现可弯曲或可折叠的柔性多维压力传感器。 根据一些实施例，保护材料层可以包括聚酰亚胺(PI)。

但是应当理解，在不需要对衬底进行减薄的情况下，也可以在未减薄的衬底上直接 形成保护层。

本公开的示例性实施例，还提供了一种传感器电路，该传感器电路可以包括上面任 意实施例中所描述的多维压力传感器。多维压力传感器可以体现上面描述的多维压力传 感器及其变型中的任一个，多维压力传感器中的压力传感器单元也可以体现上面描述的 压力传感器单元及其变型中的任一个。

虽然在附图和和前面的描述中已经详细地说明和描述了本公开，但是这样的说明和 描述应当被认为是说明性的和示意性的，而非限制性的；本公开不限于所公开的实施例。 通过研究附图、公开内容和所附的权利要求书，本领域技术人员在实践所要求保护的主 题时，能够理解和实现对于所公开的实施例的变型。在权利要求书中，词语“包括”不排除未列出的其他元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个，并且术语“多个” 是指两个或两个以上。在相互不同的从属权利要求中记载了某些措施的仅有事实并不表 明这些措施的组合不能用来获益。