具有壓電轉(zhuǎn)換器的傳感器元件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種具有至少一個(gè)壓電轉(zhuǎn)換器（11）的傳感器元件（10），其中，所述壓電轉(zhuǎn)換器（11）與至少一個(gè)憶阻器（20）耦合。此外，本發(fā)明涉及一種具有多個(gè)像素的布置的傳感器，其中，所述像素中的至少一個(gè)包括所述傳感器元件（10）。
【專利說明】具有壓電轉(zhuǎn)換器的傳感器元件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有至少一個(gè)壓電轉(zhuǎn)換器的傳感器元件。
【背景技術(shù)】
[0002]壓電效應(yīng)是公知的并且在技術(shù)上被充分使用來測量施加的力。在此，力導(dǎo)致梁或膜片的彈性變形并且由此導(dǎo)致材料中電極化的變化。由此發(fā)生電荷分離，所述電荷分離又可作為電壓探測。壓電效應(yīng)只發(fā)生在某些材料中。屬于這些材料的有例如石英、鋯鈦酸鉛(PZT)、氮化鋁(AIN)以及某些陶瓷。
[0003]然而，壓電轉(zhuǎn)換器中的電荷分離根據(jù)材料和周邊電路具有或長或短的持續(xù)，也就是說，施加的力從第一恒定水平到第二恒定水平(階躍)的變化在或長或短的時(shí)間后被轉(zhuǎn)換器“遺忘”。這意味著，直接使用的壓電轉(zhuǎn)換器不能夠用于測量DC (“Direct Current”，也就是直流)信號(hào)。因此，這樣的壓電轉(zhuǎn)換器原則上不是特別適合于將時(shí)間上恒定的力轉(zhuǎn)換成測量信號(hào)(電壓)。出于所述目的，在現(xiàn)有技術(shù)中需要面積密集的有源電路(電荷放大器)，其通常由于空間原因而不能夠直接安置在壓電轉(zhuǎn)換器上。
[0004]在例如汽車工業(yè)中使用的傳感器中，經(jīng)常使用壓電轉(zhuǎn)換器來測量當(dāng)彈性變形時(shí)例如在傳感器膜片中出現(xiàn)的壓電效應(yīng)。這種壓電轉(zhuǎn)換器例如用在力傳感器、壓力傳感器或加速度傳感器中。在這樣的力傳感器、壓力傳感器或加速度傳感器中的機(jī)械變形導(dǎo)致壓電電荷，所述壓電電荷能夠借助電荷放大器轉(zhuǎn)換成具有低阻抗的電壓。電荷也可用來給電容器充電并且借助盡可能高歐姆的電壓表測量所述電容器的電壓。然而，在此，由于缺少絕緣電阻，可能例如由于濕氣使結(jié)果失真并且使記錄相對(duì)緩慢的變形變得困難。
[0005]DE2109388A描述了一種壓電轉(zhuǎn)換器，所述壓電轉(zhuǎn)換器連接到具有第一晶體管和第二晶體管的放大器或者阻抗轉(zhuǎn)換器上。壓電轉(zhuǎn)換器與晶體管一起安置在一個(gè)唯一的轉(zhuǎn)換器殼體中。此外必須通過帯電壓的電纜使晶體管運(yùn)行，電壓例如來自電池。因此，為了放大或轉(zhuǎn)換壓電轉(zhuǎn)換器的信號(hào)必須支出高的電路技術(shù)耗費(fèi)，這其中導(dǎo)致整個(gè)布置例如對(duì)于在機(jī)動(dòng)車中的安裝是相對(duì)大的并且難處理的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]根據(jù)本發(fā)明提出一種具有至少一個(gè)壓電轉(zhuǎn)換器的傳感器元件，其中，壓電轉(zhuǎn)換器與至少一個(gè)憶阻器耦合。
[0007]憶阻器(組合詞:記憶和電阻)在本發(fā)明的意義上是無源的元件，其電阻不恒定，而是與其過去有關(guān)。除電阻、電容器和電感之外，憶阻器通常被描述為第四個(gè)基本的無源元件。已經(jīng)對(duì)憶阻器的基本特性進(jìn)行了詳盡的理論探究(Strukov等所著的《The missingmemristor found》，《自然》453(2008年)，80ff頁)。憶阻器的使用例如在US2010/019656A1中與磁存儲(chǔ)元件關(guān)聯(lián)地被描述。對(duì)存儲(chǔ)元件來說，DE102009026189A1提及憶阻器作為RAM部件(Random Access Memory:隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)的替代方案的使用。
[0008]在憶阻器中，元件的當(dāng)前電阻與多少電荷q(t)在哪個(gè)方向上流動(dòng)有關(guān)。憶阻器的電阻，也稱作憶阻M(t)，尤其與曾經(jīng)流經(jīng)其的電流i(t)的積分有關(guān)。因此，在憶阻器上下降的電壓u(t)通過憶阻M (t)和電流i(t)由u(t)=M(q(t)) I (t)給出。
[0009]在憶阻器的實(shí)現(xiàn)中，憶阻器可以包括不同電導(dǎo)率的至少兩個(gè)區(qū)域。此外，憶阻器的至少兩個(gè)區(qū)域具有確定的大小。如果電流流過部件，則所述區(qū)域的大小可能變化。例如區(qū)域可以被構(gòu)造為分別由一個(gè)絕緣體和一種金屬導(dǎo)電的材料組成的層。在此，使用的典型的材料包括TiO2和摻雜的TiO2，例如Ti02_x，其中，X=0.05。當(dāng)氧離子或者作為摻雜物起作用的空穴在電場中傳輸時(shí)，在這個(gè)具體的示例中兩個(gè)區(qū)域之間的邊界移動(dòng)。由于憶阻器的結(jié)構(gòu)形式，憶阻器能夠具有不同的極性，其中，裝配方向是重要的。同樣作為環(huán)形芯電感的其他元件——例如具有棒狀磁芯或具有以由氣隙中斷的環(huán)的形式的磁芯的元件能夠以根據(jù)本發(fā)明的方式冷卻。
[0010]在根據(jù)本發(fā)明的傳感器元件的一種實(shí)施方式中，壓電轉(zhuǎn)換器與憶阻器并聯(lián)連接。
[0011]在根據(jù)本發(fā)明的傳感器元件的實(shí)現(xiàn)中，憶阻器為半橋的一部分。半橋通常包括兩個(gè)元件組成的串聯(lián)電路以及一橋臂，所述橋臂在兩元件之間橫向延伸。半橋優(yōu)選包括兩無源元件，其中，所述元件中的至少一個(gè)可以是憶阻器。半橋能夠包含兩個(gè)相反極性的憶阻器。
[0012]傳感器元件能夠進(jìn)一步構(gòu)造用于在讀取工作方式或測量工作方式中運(yùn)行。在讀取工作方式和測量工作方式之間的切換借助開關(guān)實(shí)現(xiàn)。此外，在測量工作方式中可以如此連接開關(guān)，使得傳感器元件的憶阻器與壓電轉(zhuǎn)換器耦合。在讀取工作方式中開關(guān)能夠換位，使憶阻器與壓電轉(zhuǎn)換器退耦并且與讀取電子設(shè)備接觸。讀取電子設(shè)備可以包括電壓源，優(yōu)選交流電壓源和電壓測量儀器，例如電壓表。
[0013]轉(zhuǎn)換器和憶阻器可以由CMOS兼容的材料制造。適合的材料尤其是那些在半導(dǎo)體制造中使用的材料，例如用于壓電轉(zhuǎn)換器的AIN和用于憶阻器的Ti02。
[0014]此外，根據(jù)本發(fā)明提出一種用于運(yùn)行上述傳感器元件的方法，其中，對(duì)傳感器元件的讀取借助交流電壓實(shí)現(xiàn)。
[0015]附加地，根據(jù)本發(fā)明提出一種具有多個(gè)像素的布置的傳感器，其中，所述像素中的至少一個(gè)包括如上所述的傳感器元件。
[0016]在根據(jù)本發(fā)明的傳感器的一種實(shí)施方式中，所述布置包括多個(gè)傳感器元件的矩陣布置。
[0017]在根據(jù)本發(fā)明的傳感器的另一種實(shí)施方式中，傳感器被構(gòu)造用于與讀取電子設(shè)備低歐姆連接。
[0018]根據(jù)本發(fā)明又提出一種用于運(yùn)行傳感器的方法，其中，逐行和/或逐列地實(shí)現(xiàn)傳感器的讀取。
[0019]在實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的用于運(yùn)行傳感器的方法中，實(shí)現(xiàn)對(duì)像素的時(shí)間錯(cuò)開的讀取。
[0020]根據(jù)本發(fā)明，在力傳感器、壓力傳感器、旋轉(zhuǎn)加速度傳感器或應(yīng)力傳感器或機(jī)械應(yīng)力傳感器中提出如上所述的傳感器元件的使用。
[0021]發(fā)明優(yōu)點(diǎn)
[0022]壓電轉(zhuǎn)換器與憶阻器的根據(jù)本發(fā)明提出的組合允許立即檢測產(chǎn)生的瞬態(tài)信號(hào)。由此產(chǎn)生與有源電路相比更小的面積需求。產(chǎn)生的信號(hào)改變憶阻器的阻抗M(t)并且可以隨時(shí)可靠地讀取，其中，讀取是低歐姆的并且因此對(duì)干擾不敏感。[0023]此外小的面積需求使得可能的是，規(guī)定壓電傳感器與憶阻器的根據(jù)本發(fā)明提出的組合作為多個(gè)像素的布置中的像素并且因此實(shí)現(xiàn)高的分辨率。此外，時(shí)間錯(cuò)開地讀取各個(gè)像素。此外，通過與讀取電子設(shè)備的低歐姆的連接來傳輸大信號(hào)，從而電磁干擾不影響測量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]現(xiàn)在，借助附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明的其他的方面與優(yōu)點(diǎn)。在此示出:
[0025]圖1:壓電轉(zhuǎn)換器的等效電路圖，如由現(xiàn)有技術(shù)中公知的那樣，
[0026]圖2:根據(jù)圖1的電壓轉(zhuǎn)換器的階躍響應(yīng)，
[0027]圖3:根據(jù)本發(fā)明的具有壓電轉(zhuǎn)換器和并聯(lián)連接的憶阻器的傳感器元件，
[0028]圖4:根據(jù)本發(fā)明的根據(jù)圖3的傳感器元件的階躍響應(yīng)，
[0029]圖5:根據(jù)本發(fā)明的在測量工作方式中的傳感器元件，
[0030]圖6:根據(jù)本發(fā)明的、在讀取工作方式中的傳感器元件，
[0031]圖7:根據(jù)本發(fā)明的、在讀取工作方式中的傳感器元件的差分結(jié)構(gòu)，
[0032]圖8:具有布置在矩陣中的傳感器元件的傳感器，其中，對(duì)于像素來說實(shí)現(xiàn)逐列和逐行的讀取。
【具體實(shí)施方式】
[0033]圖1示出壓電轉(zhuǎn)換器11的等效電路圖。壓電轉(zhuǎn)換器11的等效電路圖包括模擬壓電效應(yīng)的電流源12。此外，電流強(qiáng)度i(t)具有與壓電靈敏度k和待轉(zhuǎn)換的力F相關(guān)的分布:
[0034]i (t) =k δ F ⑴ / δ t。
[0035]另外，內(nèi)阻14和電容16并聯(lián)連接到電流源12上。在輸出端18產(chǎn)生壓電轉(zhuǎn)換器11的輸出電壓u (t)。
[0036]圖2示出根據(jù)圖1的壓電轉(zhuǎn)換器11的階躍響應(yīng)，也就是說在階梯狀的輸入電流強(qiáng)度i(t)的情況下得到的輸出電壓u(t)。階躍響應(yīng)或輸入電流強(qiáng)度i(t)的階梯式的變化例如通過在轉(zhuǎn)換器11上施加力激增來實(shí)現(xiàn)。圖2借助信號(hào)強(qiáng)度分布S、輸入電流強(qiáng)度i (t)和輸出電壓u(t)示出壓電轉(zhuǎn)換器11的行為與時(shí)間t的關(guān)系。短時(shí)間高的電流強(qiáng)度i(t)對(duì)電容充電并且因此導(dǎo)致輸出電壓u(t)的下降。因?yàn)檎鎸?shí)的壓電轉(zhuǎn)換器11總是具有無窮大的內(nèi)阻14，所以電容16在電阻14上放電。因此，得出的電壓信號(hào)u(t)隨時(shí)間的增長而衰減。
[0037]圖3示出傳感器元件10，其中，壓電轉(zhuǎn)換器11在根據(jù)圖1的等效電路圖中示出。根據(jù)本發(fā)明，傳感器元件10包括壓電轉(zhuǎn)換器11，所述壓電轉(zhuǎn)換器與憶阻器20耦合。憶阻器20并聯(lián)連接壓電轉(zhuǎn)換器11。此外，憶阻器20包括兩區(qū)域22、24，其中，第一區(qū)域22含有例如TiO2并且第二區(qū)域24包含例如摻雜的Ti02_x。與圖1中類似，i (t)表示壓電轉(zhuǎn)換器11的輸入電流強(qiáng)度并且u(t)表不傳感器兀件10的輸出電壓。
[0038]通過憶阻器20與壓電轉(zhuǎn)換器11的根據(jù)本發(fā)明的耦合產(chǎn)生相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)新的可能性。由于憶阻器本身具有相對(duì)于壓電轉(zhuǎn)換器11的內(nèi)阻14低幾個(gè)數(shù)量級(jí)的電阻值。這降低了輸出電壓信號(hào)u(t)的時(shí)間常數(shù)。在電容器16上中間存儲(chǔ)的電荷的大部分在根據(jù)圖3的電路中流經(jīng)憶阻器20并且在此改變所述憶阻器的電阻值M(t)(憶阻)。在此，電阻值的變化以憶阻器區(qū)域22、24的大小變化為基礎(chǔ)。區(qū)域22、24通常具有不同的電導(dǎo)率并且當(dāng)氧離子或者作為摻雜物起作用的空穴在電場中傳輸時(shí)，區(qū)域22、24之間的邊界移動(dòng)。通過這種方式，憶阻器20包含關(guān)于當(dāng)前施加的力信號(hào)的信息并且存儲(chǔ)該信息。
[0039]與根據(jù)圖2的壓電轉(zhuǎn)換器11的階躍響應(yīng)相比，圖4示出根據(jù)本發(fā)明提出的具有并聯(lián)連接的憶阻器20的傳感器元件10的階躍響應(yīng)。與圖2類似，圖4借助輸入電流強(qiáng)度i (t)和輸出電壓u(t)的分布不出傳感器兀件10與時(shí)間t的關(guān)系。與圖2不同，輸出電壓u(t)跟隨短時(shí)間高的電流強(qiáng)度i (t)。基于在根據(jù)本發(fā)明的具有并聯(lián)的憶阻器20的傳感器元件10中大幅降低的時(shí)間常數(shù)，輸出電壓u(t)跟隨電流強(qiáng)度i(t)。此外，電荷流經(jīng)憶阻器20并且改變所述憶阻器的電阻值M (t)。
[0040]圖5和圖6示出壓電轉(zhuǎn)換器11的等效電路，所述等效電路包括電流源12、內(nèi)阻14和電容器16，其中，憶阻器20根據(jù)本發(fā)明是并聯(lián)連接的。圖5中示出測量工作方式30的實(shí)現(xiàn)。在根據(jù)圖5的布置中，憶阻器20通過其憶阻存儲(chǔ):多少電荷流經(jīng)憶阻器20。為此，憶阻器20與壓電轉(zhuǎn)換器11連接。在測量工作方式30期間電荷流經(jīng)憶阻器20，由此區(qū)域22和24在其大小方面變化并且因此改變憶阻器20的憶阻。
[0041 ] 圖6示出根據(jù)圖5的電路，其中，憶阻器20處在讀取工作方式32中。為了讀取憶阻器，電壓表26與憶阻器20串聯(lián)并且連接交流電壓源28。通過這種方式，能夠借助電壓表26的顯示確定憶阻器20的憶阻。在讀取憶阻器20時(shí)交流電壓的使用特別有利，因?yàn)槠湓试S憶阻在時(shí)間的平均上不變。
[0042]如在圖5和圖6中示意性地表示的那樣，在憶阻器20的測量工作方式30和讀取工作方式32之間借助開關(guān)31來回切換。通過這種方式，能夠以規(guī)律的間隔讀取憶阻器的憶阻。
[0043]圖7示出根據(jù)本發(fā)明的傳感器元件10的另一實(shí)施方式，其中，替代一個(gè)憶阻器20，兩個(gè)具有相反極性的憶阻器20、20’串聯(lián)連接。在此，“相反極性”的意思是，憶阻器20、20’如此連接，使得區(qū)域22和22’串聯(lián)連接。通過這種方式，憶阻器20、20’的極性相反地極化，所述憶阻器分別由區(qū)域22、22’指向區(qū)域24、24’。圖7示出根據(jù)本發(fā)明的在讀取工作方式32中的傳感器元件10，其中，開關(guān)31處于讀取位置上。在橋臂36中，憶阻器20、20’與電壓表38連接。附加地，憶阻器20、20’分別與信號(hào)發(fā)生器34、34’串聯(lián)連接并且以由信號(hào)發(fā)生器34、34’產(chǎn)生的階躍函數(shù)加載所述憶阻器。
[0044]通過這種方式提供半橋，借助所述半橋能夠?qū)嵤﹥蓚€(gè)憶阻器20、20’的憶阻的差分測量，因?yàn)楦鶕?jù)憶阻橋臂36中的電壓和電流強(qiáng)度在大小和極性方面變化。此外，借助半橋的差分讀取具有以下優(yōu)點(diǎn):均衡漂移或者網(wǎng)絡(luò)干擾并且因此能夠在整體上更穩(wěn)定地進(jìn)行對(duì)兩個(gè)憶阻器20、20’的憶阻的測量。
[0045]在圖8中示出根據(jù)本發(fā)明的傳感器40，所述傳感器包含作為像素的各個(gè)傳感器元件10、10’。傳感器元件10、10’分別包括壓電轉(zhuǎn)換器11和憶阻器20的組合。此外，傳感器40如此構(gòu)造，使得傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)與讀取電子設(shè)備42的低歐姆的連接。為此，傳感器元件
10、10’在矩陣布置44中如此彼此連接，使得各個(gè)連接端46將一個(gè)傳感器元件10、10’與行46的至少一個(gè)另外的傳感器元件10、10’串聯(lián)連接和/或各個(gè)另外的連接端48將一個(gè)傳感器元件10、10’與列46的至少一個(gè)另外的傳感器元件10、10’串聯(lián)連接。[0046]讀取電子設(shè)備42包括提供交流電壓的電壓源52和用于測量在至少一個(gè)傳感器元件10、10’上的電壓降的電壓表。對(duì)傳感器元件10、10’的讀取通過電子設(shè)備的開關(guān)31、31’、33、33’實(shí)現(xiàn)。通過這種方式，借助讀取電子設(shè)備42逐行地和逐列地讀取各個(gè)傳感器元件10、10’。圖8中開關(guān)31’和33’示例性地閉合，其中，開關(guān)31’選擇行并且開關(guān)33’選擇列。在開關(guān)31’和33’的在圖8中所示的位置上，讀取傳感器元件10’。
[0047]在傳感器40的另一實(shí)施方式中，可以在任意多的行和列中提供不同的數(shù)量的傳感器元件10、10’。例如一定數(shù)量的傳感器元件能夠布置在相同數(shù)量的列中并且和僅僅一行中。這種矩陣布置允許逐列地和逐行地讀取分別包括一個(gè)傳感器元件10、10’的各個(gè)像素，以便借助傳感器探測例如壓力分布。各個(gè)傳感器元件的小的結(jié)構(gòu)尺寸在此能夠?qū)崿F(xiàn)高的分辨率。此外，能夠時(shí)間錯(cuò)開地讀取各個(gè)像素。通過讀取電子設(shè)備的低歐姆的連接來傳輸大信號(hào)，從而例如通過輸送線路接收的電磁干擾不影響測量。
[0048]本發(fā)明不限于在此描述的實(shí)施例和在所述實(shí)施例中突出的方面；相反在通過從屬權(quán)利要求說明的范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)在技術(shù)人員處理范疇內(nèi)的多種變型。
【權(quán)利要求】
1.一種傳感器元件(10)，所述傳感器元件具有至少一個(gè)壓電轉(zhuǎn)換器(11)，其中，所述壓電轉(zhuǎn)換器(11)與至少一個(gè)憶阻器(20)耦合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器元件(10)，其中，所述壓電轉(zhuǎn)換器(11)與所述憶阻器(20)并聯(lián)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的傳感器元件(10)，其中，所述憶阻器(20)是半橋的一部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器元件(10)，其中，所述半橋包括兩個(gè)相反極性的憶阻器(20)。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的傳感器元件(10)，其中，所述傳感器元件(10)被構(gòu)造用于在讀取工作方式(30)或測量工作方式(32)中運(yùn)行。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的傳感器元件(10)，其中，所述轉(zhuǎn)換器(11)和所述憶阻器(20)由CMOS兼容的材料制造。
7.—種傳感器(40)，所述傳感器具有多個(gè)像素的布置，其中，所述像素中的至少一個(gè)包括根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的傳感器元件(10，10’)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳感器(40)，其中，所述布置包括多個(gè)傳感器元件(10，10’)的矩陣布置(44)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的傳感器(40)，所述傳感器被提供用于與讀取電子設(shè)備(42)低歐姆連接。
10.一種根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的傳感器元件(10)在壓力傳感器、力傳感器、旋轉(zhuǎn)加速度傳感器或應(yīng)力傳感器中的應(yīng)用。
11.一種用于運(yùn)行根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的傳感器元件(10)的方法，其中，對(duì)所述傳感器元件(10)的讀取借助交流電壓實(shí)現(xiàn)。
12.一種用于運(yùn)行根據(jù)權(quán)利要求7至9中任一項(xiàng)所述的傳感器的方法，其中，逐行和/或逐列地實(shí)現(xiàn)所述傳感器(40)的讀取。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，實(shí)現(xiàn)對(duì)像素的時(shí)間錯(cuò)開的讀取。
【文檔編號(hào)】H01L41/113GK103562696SQ201280024398
【公開日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2012年3月19日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月19日
【發(fā)明者】A·弗蘭克, A·比曼, F·亨里奇 申請(qǐng)人:羅伯特·博世有限公司