ITTO20090269A1 - IMPROVEMENT IN TACTILE SENSOR DEVICES BASED ON INTEGRATION BETWEEN A PIEZOELECTRIC TRANSDUCER FILM AND A LOCAL CONDITIONING FET TRANSISTOR - Google Patents
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Description
“Perfezionamenti nei dispositivi sensori tattili basati sull'integrazione tra un film piezoelettrico trasduttore e un transistore FET di condizionamento locale†⠀ œPerfections in tactile sensor devices based on the integration between a transducer piezoelectric film and a local conditioning FET transistorâ €
DESCRIZIONE DESCRIPTION
La presente invenzione riguarda i dispositivi sensori tattili, in particolare dispositivi sensori che impiegano polimeri piezoelettrici come trasduttori di forza/pressione, direttamente accoppiati a dispositivi transistori a semiconduttore ad effetto di campo per un condizionamento di segnale locale. The present invention relates to tactile sensor devices, in particular sensor devices which use piezoelectric polymers as force / pressure transducers, directly coupled to field effect semiconductor transistor devices for local signal conditioning.
Più specificamente, l'invenzione riguarda un procedimento per la fabbricazione di un dispositivo sensore secondo il preambolo della rivendicazione 1, ed un dispositivo sensore secondo il preambolo della rivendicazione 10. More specifically, the invention relates to a method for manufacturing a sensor device according to the preamble of claim 1, and a sensor device according to the preamble of claim 10.
In questi dispositivi la capacità di generare una carica elettrica proporzionale alla forza/pressione applicata à ̈ sfruttata per rivelare e quantificare una forza di contatto, ad esempio di un robot umanoide che interagisce con l'ambiente in cui viene a trovarsi, per il riconoscimento e la manipolazione di oggetti, o l'esplorazione di un ambiente. In these devices the ability to generate an electric charge proportional to the force / pressure applied is exploited to detect and quantify a contact force, for example of a humanoid robot interacting with the environment in which it finds itself, for recognition and the manipulation of objects, or the exploration of an environment.
Tipicamente, il progetto di schiere di dispositivi sensori tattili destinate all'installazione su un robot à ̈ influenzato da vincoli di sistema, tra cui lo spazio limitato a disposizione sui polpastrelli di una mano meccanica, ad esempio, la necessità di una risposta rapida, l'esigenza di ridurre al minimo i collegamenti cablati. Per soddisfare questi requisiti e migliorare nel complesso le prestazioni dei sensori à ̈ in via di affermazione una architettura sensoriale innovativa, basata sul concetto di "rilevamento ed elaborazione in sito", meglio raffigurato in figura 1. Typically, the design of arrays of tactile sensor devices intended for installation on a robot is affected by system constraints, including the limited space available on the fingertips of a mechanical hand, for example, the need for a rapid response, need to minimize wired connections. To meet these requirements and improve overall sensor performance, an innovative sensory architecture is being established, based on the concept of "on-site detection and processing", better illustrated in figure 1.
Su un'area di contatto una schiera A di sensori SENS comprende una pluralità di coppie di moduli adiacenti, rispettivamente un modulo trasduttore TRASD per il rilevamento di una forza o pressione locale ed un modulo di condizionamento PROC del segnale elettrico rappresentativo della grandezza fisica rilevata. Le singole coppie di moduli di rilevamento e condizionamento sono collegate tra loro e ad una unità elettronica centrale di controllo ed elaborazione dati (non raffigurata) tramite rispettivi bus realizzati sul substrato di supporto della schiera. On a contact area, an array A of sensors SENS comprises a plurality of pairs of adjacent modules, respectively a TRASD transducer module for detecting a local force or pressure and a conditioning module PROC of the electrical signal representative of the detected physical quantity. The individual pairs of detection and conditioning modules are connected to each other and to a central electronic control and data processing unit (not shown) by means of respective buses made on the supporting substrate of the array.
In ogni modulo sensore SENS un film di materiale piezoelettrico à ̈ atto a generare una carica elettrica (o differenza di potenziale) proporzionale alla forza o sollecitazione meccanica locale ad esso applicata, secondo la relazione In each SENS sensor module a film of piezoelectric material is able to generate an electric charge (or potential difference) proportional to the local mechanical force or stress applied to it, according to the relationship
Q = d F Q = d F
dove Q à ̈ la carica elettrica generata dalla forza F applicata e d à ̈ la costante piezoelettrica del materiale. where Q is the electric charge generated by the applied force F and d is the piezoelectric constant of the material.
Associando un film piezoelettrico ad un rispettivo terminale di gate di un transistore ad effetto di campo à ̈ possibile modulare la carica nella regione di canale del transistore in funzione della carica/tensione indotta al film piezoelettrico, generando un segnale elettrico rappresentativo di quello direttamente rilevabile ai capi dell'elemento trasduttore, per una successiva elaborazione presso una unità di controllo remota. By associating a piezoelectric film to a respective gate terminal of a field effect transistor, it is possible to modulate the charge in the channel region of the transistor as a function of the charge / voltage induced in the piezoelectric film, generating an electrical signal representative of the one directly detectable at the heads of the transducer element, for subsequent processing at a remote control unit.
La configurazione attualmente adottata à ̈ riportata in figura 2 ed à ̈ basata su una architettura a gate esteso. The configuration currently adopted is shown in figure 2 and is based on an extended gate architecture.
Su un substrato (tipicamente di Silicio) à ̈ formato un transistore a semiconduttore ad effetto di campo FET, di cui in figura sono schematicamente rappresentati i contatti di source S e drain D, tra i quali si forma la regione di canale di conduzione C, la cui estensione à ̈ controllata attraverso un elettrodo di gate G. Il terminale di gate à ̈ esteso su una regione di substrato libera da dispositivi, da cui à ̈ separato tramite uno strato di ossido OL comune alla struttura del transistore. La metallizzazione di gate esteso, indicata con EG in figura, à ̈ quindi sormontata almeno in parte da uno strato di materiale piezoelettrico PL, ad esempio formato da un film polimerico quale PVDF (polivinilidene fluoruro) o il suo copolimero P(VDF-TrFE) (poli(vinilidene fluoruro - trifluoroetilene)), accoppiato al gate esteso EG per interposizione di uno strato epossidico adesivo EL. Una metallizzazione superiore ML completa il dispositivo trasduttore associato al trasduttore FET. On a substrate (typically of Silicon) a semiconductor field effect transistor FET is formed, of which in the figure the source S and drain D contacts are schematically represented, between which the conduction channel region C is formed, whose extension is controlled through a gate electrode G. The gate terminal is extended over a device-free substrate region, from which it is separated by an oxide layer OL common to the transistor structure. The extended gate metallization, indicated by EG in the figure, is therefore topped at least in part by a layer of piezoelectric material PL, for example formed by a polymeric film such as PVDF (polyvinylidene fluoride) or its copolymer P (VDF-TrFE) (poly (vinylidene fluoride - trifluoroethylene)), coupled to the extended gate EG by interposition of an adhesive epoxy layer EL. A superior ML metallization completes the transducer device associated with the FET transducer.
L'architettura a gate esteso ha determinato significativi miglioramenti prestazionali rispetto agli approcci tradizionali in cui il trasduttore e l'elettronica di elaborazione erano realizzati come entità separate. The extended gate architecture resulted in significant performance improvements over traditional approaches where the transducer and processing electronics were built as separate entities.
Tuttavia, i vantaggi di questa architettura sono limitati da inconvenienti legati alla presenza dello strato epossidico, alla elevata capacità di substrato e ad effetti di cross-talk tra dispositivi sensori prossimi. However, the advantages of this architecture are limited by drawbacks linked to the presence of the epoxy layer, to the high substrate capacity and to cross-talk effects between neighboring sensor devices.
In figura 3 Ã ̈ rappresentato il modello equivalente del dispositivo di figura 2, in una configurazione del transistore a source comune. Figure 3 shows the equivalent model of the device of Figure 2, in a common source transistor configuration.
E' evidente che sia lo strato epossidico EL, impiegato come adesivo per legare il film polimerico al gate esteso EG, sia lo strato di ossido OL al di sotto del gate esteso EG introducano capacità aggiuntive nel circuito equivalente. It is evident that both the epoxy layer EL, used as an adhesive to bond the polymeric film to the extended gate EG, and the oxide layer OL below the extended gate EG introduce additional capacities in the equivalent circuit.
Il rapporto tra la tensione Vgdisponibile al gate G e la tensione Vpolymerai capi del trasduttore piezoelettrico, dovuta allo stimolo di pressione, Ã ̈ dunque data dalla relazione seguente: The relationship between the voltage Vg available at gate G and the voltage Vpolymerai terminals of the piezoelectric transducer, due to the pressure stimulus, is therefore given by the following relationship:
dove Avà ̈ l'amplificazione/guadagno intrinseco di tensione del transistore. where It has the intrinsic voltage amplification / gain of the transistor.
E' evidente che elevate capacità di substrato Csube dello strato epossidico Cadhesivecontribuiscono ad una indesiderata attenuazione della tensione al gate. Questo effetto à ̈ tanto più significativo quanto la capacità di substrato à ̈ maggiore della capacità dello strato piezoelettrico polimerico Cpolymer. It is evident that high capacities of Csube substrate of the Cadhesiv epoxy layer contribute to an undesired attenuation of the voltage at the gate. This effect is all the more significant when the substrate capacity is greater than the capacity of the Cpolymer polymer piezoelectric layer.
La presente invenzione si prefigge quindi lo scopo di fornire una soluzione soddisfacente ai problemi in precedenza esposti, realizzando un dispositivo sensore tattile perfezionato. The present invention therefore has the aim of providing a satisfactory solution to the problems described above, by providing an improved tactile sensor device.
In particolare, scopo della presente invenzione à ̈ quello di aumentare la sensibilità complessiva del dispositivo sensore tattile e la sua rapidità di risposta allo stimolo, quindi la gamma di frequenze operative, e la risoluzione spaziale di schiere sensori basate sul dispositivo. In particular, the object of the present invention is to increase the overall sensitivity of the tactile sensor device and its response speed to the stimulus, hence the range of operating frequencies, and the spatial resolution of sensor arrays based on the device.
Ulteriore scopo dell'invenzione à ̈ di fornire un innovativo procedimento di fabbricazione di un dispositivo sensore tattile perfezionato. A further object of the invention is to provide an innovative manufacturing process for an improved tactile sensor device.
Secondo la presente invenzione tali scopi vengono raggiunti grazie ad un procedimento per la fabbricazione di un dispositivo sensore tattile avente le caratteristiche richiamate nella rivendicazione 1, ed un dispositivo sensore tattile integrato avente le caratteristiche richiamate nella rivendicazione 10. According to the present invention, these objects are achieved thanks to a process for manufacturing a tactile sensor device having the characteristics recalled in claim 1, and an integrated tactile sensor device having the characteristics recalled in claim 10.
Modi particolari di realizzazione formano oggetto delle rivendicazioni dipendenti, il cui contenuto à ̈ da intendersi come parte integrale o integrante della presente descrizione. Particular manufacturing methods are the subject of the dependent claims, the content of which is to be understood as an integral or integral part of this description.
Forma ulteriore oggetto dell'invenzione una schiera sensore tattile per un robot umanoide comprendente una pluralità di dispositivi sensori secondo l'invenzione. A further object of the invention is a tactile sensor array for a humanoid robot comprising a plurality of sensor devices according to the invention.
In sintesi, la presente invenzione si fonda sul principio di realizzare una architettura sensoriale integrata ove lo strato di materiale piezoelettrico trasduttore à ̈ disposto in corrispondenza dell'elettrodo di gate del transistore associato di condizionamento del segnale, sostanzialmente in corrispondenza dell'area di gate attiva o effettiva, ovvero di dimensioni congruenti o simili con la regione di canale del transistore, e non su un'area di substrato libera affiancata alla regione di transistore. Il transistore presenta a sua volta una dimensione estesa, anche dell'ordine di 0,25 -1 mm<2>(mentre in generale può avere dimensioni alquanto inferiori), in modo tale da realizzare un dispositivo sensore tattile avente una risoluzione spaziale corrispondente a quella del tatto umano, con caratteristiche di condizionamento del segnale del trasduttore superiori a quelle ottenibili secondo la tradizionale configurazione a gate esteso, ove le dimensioni della regione di canale del transistore sono inferiori. In summary, the present invention is based on the principle of realizing an integrated sensory architecture where the layer of piezoelectric transducer material is arranged in correspondence with the gate electrode of the associated signal conditioning transistor, substantially in correspondence with the active gate area or effective, or of dimensions congruent or similar with the channel region of the transistor, and not on a free substrate area adjacent to the transistor region. The transistor in turn has an extended dimension, even of the order of 0.25 -1 mm <2> (while in general it can have somewhat smaller dimensions), so as to realize a tactile sensor device having a spatial resolution corresponding to that of human touch, with conditioning characteristics of the transducer signal higher than those obtainable according to the traditional extended gate configuration, where the dimensions of the transistor channel region are smaller.
Vantaggiosamente, il confinamento dell'area di trasduttore piezoelettrico alla regione di gate attiva o effettiva sul substrato di una schiera di sensori consente la realizzazione di una schiera di dispositivi sensori prossimi tra loro, separati da distanze dell'ordine di 0,5 mm senza effetti di cross-talk tra dispositivi adiacenti, aumentando la risoluzione spaziale di una schiera sensore, nell'esempio fino ad una risoluzione spaziale di 1 mm. Advantageously, the confinement of the piezoelectric transducer area to the active or effective gate region on the substrate of an array of sensors allows the realization of an array of sensor devices close to each other, separated by distances of the order of 0.5 mm without effects. of cross-talk between adjacent devices, increasing the spatial resolution of a sensor array, in the example up to a spatial resolution of 1 mm.
Ancora più vantaggiosamente, la presenza del materiale piezoelettrico solo in corrispondenza dell'area dell'elettrodo di gate, quindi su una superficie inferiore rispetto al caso di dispositivo a gate esteso, a parità di spessore dello strato piezoelettrico, determina una capacità efficace inferiore tra trasduttore e transistore, quindi una costante di tempo RC del dispositivo integrato inferiore. Even more advantageously, the presence of the piezoelectric material only in correspondence with the gate electrode area, therefore on a lower surface than in the case of an extended gate device, with the same thickness of the piezoelectric layer, determines a lower effective capacitance between transducer and transistor, hence a time constant RC of the lower integrated device.
Le interconnessioni necessarie per collegare la metallizzazione di gate estesa con l'elettrodo di gate del transistore FET sono assenti, il che contribuisce ad una ulteriore riduzione della costante di tempo. The interconnections necessary to connect the extended gate metallization with the gate electrode of the FET transistor are absent, which contributes to a further reduction of the time constant.
In definitiva, quanto precede concorre a raggiungere gli scopi dell'invenzione di realizzare un dispositivo sensore tattile avente una risposta lineare su una grande gamma di forze dinamiche agenti su di esso. Ultimately, the foregoing contributes to achieving the purposes of the invention of realizing a tactile sensor device having a linear response over a large range of dynamic forces acting on it.
In alternativa alla maggiore concentrazione e sensibilità di rilevamento, a parità di dimensione e separazione dei dispositivi sensori, la configurazione oggetto dell'invenzione consentirebbe di ottenere un risparmio di spazio sul substrato, utile per l'integrazione di dispositivi accessori. As an alternative to the greater concentration and sensitivity of detection, with the same size and separation of the sensor devices, the configuration object of the invention would allow to obtain a space saving on the substrate, useful for the integration of accessory devices.
Convenientemente, la presenza di elementi sensori di temperatura in associazione ai dispositivi sensori di pressione di una schiera consente la misurazione della temperatura locale al punto di contatto, rendendo la schiera multifunzionale e permettendo di compensare - in una elaborazione successiva - le variazioni di sensibilità del materiale piezoelettrico con la temperatura. Conveniently, the presence of temperature sensor elements in association with the pressure sensor devices of an array allows the measurement of the local temperature at the point of contact, making the array multifunctional and allowing to compensate - in a subsequent processing - the variations in sensitivity of the material. piezoelectric with temperature.
Un dispositivo sensore integrato come rivendicato à ̈ ottenibile attraverso un procedimento di fabbricazione caratterizzato dall'esecuzione della configurazione dello strato trasduttore piezoelettrico prima della sua polarizzazione, che à ̈ preferibilmente una polarizzazione termica, attraverso attacco chimico a secco (reactive ion etching). An integrated sensor device as claimed can be obtained through a manufacturing process characterized by carrying out the configuration of the piezoelectric transducer layer before its polarization, which is preferably a thermal polarization, through reactive ion etching.
Vantaggiosamente ciò rende la configurazione dello strato piezoelettrico più precisa ed uniforme e non incide sulla condizione di polarizzazione del materiale. Advantageously, this makes the configuration of the piezoelectric layer more precise and uniform and does not affect the polarization condition of the material.
Queste caratteristiche rendono il dispositivo oggetto dell'invenzione, e le schiere di siffatti dispositivi, adatti per applicazioni robotiche con capacità cognitive per l'esecuzione di compiti esplorativi di un ambiente e la manipolazione accurata di oggetti. These characteristics make the device object of the invention, and the arrays of such devices, suitable for robotic applications with cognitive capabilities for carrying out exploratory tasks in an environment and the accurate manipulation of objects.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione verranno più dettagliatamente esposti nella descrizione particolareggiata seguente di una sua forma di attuazione, data a titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali: Further characteristics and advantages of the invention will be set out in more detail in the following detailed description of an embodiment thereof, given by way of non-limiting example, with reference to the attached drawings, in which:
la figura 1 Ã ̈ una rappresentazione schematica di una architettura sensoriale secondo la tecnologia di rilevamento ed elaborazione in sito; Figure 1 is a schematic representation of a sensory architecture according to the on-site detection and processing technology;
la figura 2 Ã ̈ una rappresentazione schematica in sezione di un dispositivo sensore secondo la tecnica nota, includente un trasduttore polimerico ed un associato transistore di condizionamento del segnale con metallizzazione di gate estesa; Figure 2 is a schematic sectional representation of a sensor device according to the prior art, including a polymeric transducer and an associated signal conditioning transistor with extended gate metallization;
la figura 3 Ã ̈ un circuito equivalente del dispositivo di figura 2; figure 3 is an equivalent circuit of the device of figure 2;
la figura 4 Ã ̈ una rappresentazione schematica di un dispositivo sensore secondo l'invenzione, includente un trasduttore polimerico integrato con un associato transistore di condizionamento del segnale; Figure 4 is a schematic representation of a sensor device according to the invention, including a polymeric transducer integrated with an associated signal conditioning transistor;
la figura 5 Ã ̈ un circuito equivalente del dispositivo di figura 4; figure 5 is an equivalent circuit of the device of figure 4;
la figura 6 Ã ̈ una vista topografica dall'alto di un dispositivo sensore oggetto dell'invenzione; figure 6 is a topographical view from above of a sensor device object of the invention;
la figura 7 Ã ̈ una successione di viste in sezione illustrative del procedimento di fabbricazione di un dispositivo sensore secondo l'invenzione; e figure 7 is a succession of sectional views illustrating the manufacturing process of a sensor device according to the invention; And
la figura 8 Ã ̈ un grafico di tre differenti modelli di temporizzazione per l'applicazione di una tensione di polarizzazione del modulo trasduttore piezoelettrico del dispositivo sensore oggetto dell'invenzione. figure 8 is a graph of three different timing models for the application of a bias voltage of the piezoelectric transducer module of the sensor device object of the invention.
Le figure 1-3, che rappresentano rispettivamente lo schema di principio logico di una architettura di "rilevamento ed elaborazione in sito", e la soluzione attualmente proposta in letteratura, sono state commentate nella parte introduttiva di questa descrizione. Figures 1-3, which respectively represent the logical principle scheme of an "on-site survey and processing" architecture, and the solution currently proposed in the literature, have been commented on in the introductory part of this description.
In figura 4 Ã ̈ mostrato un dispositivo sensore tattile SENS oggetto dell'invenzione. Elementi o componenti identici o funzionalmente equivalenti a quelli illustrati nella figura 2 sono stati indicati con gli stessi riferimenti. Figure 4 shows a SENS tactile sensor device object of the invention. Elements or components identical or functionally equivalent to those illustrated in Figure 2 have been indicated with the same references.
Su un substrato SUB, nell'esempio un substrato di silicio drogato p, à ̈ formato un transistore a semiconduttore ad effetto di campo FET, di cui in figura sono schematicamente rappresentati i contatti di source S e drain D, tra i quali si forma la regione di canale di conduzione C, la cui estensione à ̈ controllata attraverso un elettrodo di gate G eventualmente separato da essa tramite uno strato di ossido comune allo strato isolante OL, deposita to lateralmente ai terminali di source e drain per la separazione dai dispositivi adiacenti. On a SUB substrate, in the example a p-doped silicon substrate, a semiconductor field-effect transistor FET is formed, of which in the figure the source S and drain D contacts are schematically represented, between which the conduction channel region C, whose extension is controlled through a gate electrode G possibly separated from it by an oxide layer common to the insulating layer OL, deposited laterally at the source and drain terminals for separation from the adjacent devices.
L'elettrodo di gate à ̈ sormontato da uno strato di materiale piezoelettrico PL, selezionato dal gruppo comprendente PVDF, PVDF-TrFE, ZnO, PZT, ad esempio, preferibilmente, un film polimerico di PVDF o P(VDF-TrFE), disposto sostanzialmente sull'intera area di metallizzazione di gate esposta (terminale di contatto di gate). Il materiale piezoelettrico può essere lavorato in situ, attraverso un processo di deposizione, attacco e polarizzazione attuato localmente secondo una innovativa sequenza di operazioni, come descritto in seguito, oppure può essere utilizzato un film polimerico commerciale, applicato all'elettrodo di gate ed unito ad esso tramite adesivo. Materiali piezoelettrici polimerici sono preferiti in virtù delle proprietà di flessibilità e configurazione in ogni forma desiderata. Una metallizzazione superiore ML completa il dispositivo sensore. The gate electrode is surmounted by a layer of piezoelectric material PL, selected from the group comprising PVDF, PVDF-TrFE, ZnO, PZT, for example, preferably, a polymeric film of PVDF or P (VDF-TrFE), arranged substantially over the entire exposed gate metallization area (gate contact terminal). The piezoelectric material can be processed in situ, through a process of deposition, etching and polarization implemented locally according to an innovative sequence of operations, as described below, or a commercial polymeric film can be used, applied to the gate electrode and joined to it via adhesive. Polymeric piezoelectric materials are preferred due to the properties of flexibility and configuration in any desired shape. A superior ML metallization completes the sensor device.
Convenientemente, il dispositivo integrato presenta un'area superficiale dell'ordine di 1 mm<2>o inferiore e può essere separato da dispositivi adiacenti da una distanza di circa 0,5 mm, formando una schiera rispecchiante di fatto, per risoluzione spaziale ed acuità , le proprietà funzionali dei meccanorecettori umani. Infatti, i meccanorecettori umani non trasferiscono i dati grezzi al cervello umano, ma effettuano una sorta di pre-elaborazione locale prima della trasmissione dei dati per una elaborazione di alto livello remota. Conveniently, the integrated device has a surface area of the order of 1 mm <2> or less and can be separated from adjacent devices by a distance of about 0.5 mm, forming an array reflecting fact, for spatial resolution and acuity. , the functional properties of human mechanoreceptors. In fact, human mechanoreceptors do not transfer raw data to the human brain, but carry out some sort of local preprocessing before data transmission for remote high-level processing.
Un sottile strato di materiale polimerico (ad esempio, silicone) può essere disposto sopra ai dispositivi per proteggerli da danneggiamento al contatto con oggetti, e contribuisce all'isolamento del materiale piezoelettrico rispetto alle variazioni termiche dell'ambiente esterno. La sensibilità di una schiera di dispositivi sensori tattili così protetti può essere accresciuta se lo strato polimerico presenta una struttura con nervature in rilievo dal proprio lato interno, ossia rivolte verso lo strato di metallizzazione superiore dei trasduttori, per concentrare le sollecitazioni sui singoli dispositivi sensori, in analogia con la struttura di recettori sepolti nell'epidermide umana. A thin layer of polymeric material (for example, silicone) can be placed on top of the devices to protect them from damage in contact with objects, and contributes to the insulation of the piezoelectric material from the thermal variations of the external environment. The sensitivity of an array of tactile sensor devices thus protected can be increased if the polymeric layer has a structure with raised ribs on its internal side, i.e. facing the upper metallization layer of the transducers, to concentrate the stresses on the individual sensor devices. , in analogy with the structure of receptors buried in the human epidermis.
Un dispositivo di questo tipo può essere chiamato POSFET (Piezoelectric Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Such a device can be called POSFET (Piezoelectric Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).
In figura 5 à ̈ rappresentato il modello equivalente per piccolo segnale del dispositivo di figura 4, in una configurazione del transistore a source comune, che rappresenta il caso di studio peggiore. Per semplicità , il terminale di source ed il substrato sono considerati collegati a massa. Figure 5 shows the equivalent model for small signal of the device of Figure 4, in a configuration of the common source transistor, which represents the worst case study. For simplicity, the source terminal and substrate are considered grounded.
Il rapporto tra la tensione Vgdisponibile al gate G e la tensione Vpolymerai capi del trasduttore piezoelettrico, dovuta allo stimolo di pressione, Ã ̈ dunque data dalla relazione seguente: The relationship between the voltage Vg available at gate G and the voltage Vpolymerai terminals of the piezoelectric transducer, due to the pressure stimulus, is therefore given by the following relationship:
L'assenza delle capacità parassite, presenti invece nella configurazione a gate esteso della tecnica nota, determina un rapporto maggiore tra la tensione Vgdisponibile al gate G e la tensione Vpolymerai capi del trasduttore. The absence of the parasitic capacitances, present instead in the extended gate configuration of the known art, determines a greater ratio between the voltage Vg available at gate G and the voltage Vpolymerai at the ends of the transducer.
Per ottenere un trasferimento di tensione maggiore dal trasduttore al gate del transistore le capacità del transistore devono essere minori rispetto a quelle del trasduttore. La capacità netta vista dal trasduttore può essere ridotta progettando un transistore con un minor rapporto di aspetto W/L (ove W indica la larghezza ed L la lunghezza della zona di canale), ma un rapporto di aspetto maggiore à ̈ invece desiderabile per ottenere un guadagno di tensione maggiore con un rumore ridotto. Si nota dalla formula precedente che la tensione trasferita dal trasduttore al gate dipende anche dalla capacità dello strato piezoelettrico qui indicata Cpolymer. Rapporti di tensione maggiori possono essere ottenuti aumentando la capacità dello strato polimerico rispetto alla capacità del transistore a effetto di campo. Assumendo un'area WxL della regione di transistore costante ciò può essere ottenuto riducendo lo spessore dello strato piezoelettrico, il che a sua volta porta alla riduzione della tensione Vpolymer. To obtain a greater voltage transfer from the transducer to the gate of the transistor, the capacitances of the transistor must be smaller than those of the transducer. The net capacitance seen by the transducer can be reduced by designing a transistor with a lower aspect ratio W / L (where W indicates the width and L the length of the channel zone), but a higher aspect ratio is instead desirable to obtain a higher voltage gain with reduced noise. It can be seen from the previous formula that the voltage transferred from the transducer to the gate also depends on the capacitance of the piezoelectric layer indicated herein Cpolymer. Higher voltage ratios can be obtained by increasing the capacitance of the polymer layer relative to the capacitance of the field effect transistor. Assuming an area WxL of the constant transistor region this can be achieved by reducing the thickness of the piezoelectric layer, which in turn leads to the reduction of the Vpolymer voltage.
Uno strato piezoelettrico di spessore ridotto à ̈ inoltre vantaggioso nell'operazione di polarizzazione del materiale piezoelettrico, se trattato in situ, dal momento che le elevate tensioni necessarie per la polarizzazione di strati spessi possono provocare danni al dispositivo nel suo complesso. A thin piezoelectric layer is also advantageous in the polarization operation of the piezoelectric material, if treated in situ, since the high voltages required for the polarization of thick layers can cause damage to the device as a whole.
La figura 6 Ã ̈ una vista topografica dall'alto di un dispositivo sensore oggetto dell'invenzione, in cui sono evidenziate le dimensioni delle aree del trasduttore ad effetto di campo FET. Figure 6 is a topographical view from above of a sensor device object of the invention, in which the dimensions of the areas of the FET field effect transducer are highlighted.
Un procedimento per la fabbricazione di un dispositivo sensore integrato secondo l'invenzione à ̈ successivamente descritto con riferimento alla figura 7. A process for manufacturing an integrated sensor device according to the invention is subsequently described with reference to Figure 7.
Le prime sei fasi (7a-7f) sono tipiche di un processo planare secondo la tecnica nota per la fabbricazione di dispositivi n-MOS, comprendente una alternanza di passi litografici per la definizione delle configurazioni superficiali delle regioni di dispositivo ed il successivo trattamento superficiale per drogaggio o la deposizione di materiali. The first six steps (7a-7f) are typical of a planar process according to the known art for the manufacture of n-MOS devices, comprising an alternation of lithographic steps for the definition of the surface configurations of the device regions and the subsequent surface treatment for doping or deposition of materials.
Su un substrato SUB di silicio drogato n (n-Si) Ã ̈ definita una regione di transistore comprendente un pozzo drogato p (figura 7a). A transistor region comprising a p-doped well is defined on an n (n-Si) doped silicon substrate SUB (Figure 7a).
Nella regione di transistore sono definite due regioni di diodi n (figura 7b) atte a formare le regioni di source e drain di un transistore ad effetto di campo. I terminali di source e drain sono ricavati per deposizione di metallo (ad esempio alluminio) entro fori passanti praticati in uno strato di ossido OL, terminanti in piazzole estese di contatto S e D (figure 7c, 7d). In the transistor region two regions of n diodes are defined (Figure 7b) suitable for forming the source and drain regions of a field effect transistor. The source and drain terminals are obtained by depositing metal (for example aluminum) within through holes made in an oxide layer OL, terminating in extended contact pads S and D (Figures 7c, 7d).
Successivamente (figure 7e, 7f), le piazzole di source e drain sono ricoperte da uno strato di passivazione PaL ed à ̈ definito un terminale di gate, nell'esempio particolare comprendente una piazzola di gate di sommità G ed una deposizione metallica entro un foro passante penetrante gli strati di passivazione e di ossido ed estesa fino in prossimità della regione di transistore, in modo tale da affacciarsi in corrispondenza della desiderata regione di canale. Subsequently (figures 7e, 7f), the source and drain pads are covered by a passivation layer PaL and a gate terminal is defined, in the particular example comprising a top gate pad G and a metal deposition inside a hole passing through the passivation and oxide layers and extending as far as proximate to the transistor region, so as to face out at the desired channel region.
Le figure 7g e 7h rappresentano la successione delle fasi del processo di microfabbricazione per la definizione del modulo di trasduzione integrato al transistore ad effetto di campo, rispettivamente la deposizione di uno strato di materiale piezoelettrico PL sulla piazzola metallizzata di gate G, che funge così da elettrodo inferiore, e la realizzazione della metallizzazione di elettrodo superiore ML del dispositivo trasduttore, secondo una innovativa tecnica di trattamento in situ che sarà descritta più compiutamente in seguito. Figures 7g and 7h represent the succession of the steps of the microfabrication process for the definition of the transduction module integrated in the field effect transistor, respectively the deposition of a layer of piezoelectric material PL on the metallized gate pad G, which thus acts from the lower electrode, and the realization of the metallization of the upper electrode ML of the transducer device, according to an innovative in situ treatment technique that will be described more fully below.
Lo strato di materiale piezoelettrico, preferibilmente una pellicola polimerica di PVDF-TrFE in rapporto molare 65:35, à ̈ dapprima depositato per spin coating sulla superficie del wafer su cui à ̈ fabbricata la schiera sensore. Per soddisfare i requisiti di una successiva fase di polarizzazione del film polimerico in situ, questo à ̈ depositato in uno strato dell'ordine di 2,5 micron e comunque non superiore a 7 – 8 micron. The layer of piezoelectric material, preferably a polymeric film of PVDF-TrFE in molar ratio 65:35, is first deposited by spin coating on the surface of the wafer on which the sensor array is manufactured. To meet the requirements of a subsequent polarization phase of the polymeric film in situ, this is deposited in a layer of the order of 2.5 microns and in any case not exceeding 7 - 8 microns.
La deposizione del film polimerico à ̈ seguita da ricottura (annealing), attacco chimico a secco e polarizzazione in rigorosa sequenza temporale, diversamente dalla tecnica nota ove la polarizzazione precede la fase di attacco chimico, con l'inconveniente di una parziale depolarizzazione del polimero conseguente all'attacco chimico e in definitiva una sua minore sensibilità . The deposition of the polymeric film is followed by annealing, dry chemical etching and polarization in a rigorous temporal sequence, unlike the known technique where the polarization precedes the chemical etching step, with the drawback of a partial depolarization of the consequent polymer. to chemical attack and ultimately its lower sensitivity.
Ancora, l'adozione di una tecnica di attacco chimico a secco, ad esempio attacco mediante plasma, si rivela vantaggiosa a confronto con la tecnica finora impiegata di attacco chimico per via umida, poiché consente di definire con maggior precisione i bordi del dispositivo trasduttore, e quindi, in definitiva, consente di ottenere una migliore riproducibilità ed uniformità tra più sensori di una medesima schiera. Furthermore, the adoption of a dry chemical etching technique, for example plasma etching, is advantageous compared to the wet chemical etching technique used up to now, since it allows to define the edges of the transducer device with greater precision. , and therefore, ultimately, it allows to obtain a better reproducibility and uniformity among several sensors of the same array.
Infine, la polarizzazione à ̈ condotta attraverso una tecnica di polarizzazione termica, in luogo della polarizzazione per effetto corona della tecnica nota, allo scopo di ottenere una polarizzazione più uniforme. Per evitare danni ai dispositivi, durante l'operazione di polarizzazione, i terminali di gate, source e drain del dispositivo transistore ed il substrato sono mantenuti al medesimo poten ziale. Finally, the polarization is carried out through a thermal polarization technique, instead of the corona effect polarization of the known art, in order to obtain a more uniform polarization. To avoid damage to the devices, during the biasing operation, the gate, source and drain terminals of the transistor device and the substrate are kept at the same potential.
La piazzola di gate di sommità , corrispondente all'elettrodo inferiore del dispositivo trasduttore, à ̈ operativamente collegata ad un riferimento di potenziale solo durante l'operazione di polarizzazione del materiale piezoelettrico, mentre nelle normali condizioni operative del dispositivo sensore integrato essa non à ̈ elettricamente collegata ad altre parti di circuito per cui il dispositivo transistore à ̈ utilizzato nella configurazione a gate flottante. The top gate pad, corresponding to the lower electrode of the transducer device, is operationally connected to a potential reference only during the polarization operation of the piezoelectric material, while in the normal operating conditions of the integrated sensor device it is not electrically connected to other parts of the circuit for which the transistor device is used in the floating gate configuration.
In dettaglio, per ottenere film polimerici di spessore uniforme su una schiera di dispositivi sensori si effettua una deposizione per spincoating di una soluzione di PVDF-TrFE in RER 500 oppure in MEK con concentrazioni comprese tra 10% e 15% in tre fasi distinte per spin rate e spin time, rispettivamente una prima fase a 500 rpm per 2s ed una seconda fase a 600 rpm per 8s, in cui i valori di spin rate e spin time sono mantenuti relativamente bassi per raggiungere una diffusione uniforme della soluzione sul wafer, ed una terza fase ad una velocità di rotazione superiore a 1000 rpm e proporzionale allo spessore di deposizione desiderato per un tempo di 30s. Si noti che lo spessore del film polimerico decresce all'aumentare della velocità di rotazione. Più in generale, una deposizione per spin-coating a velocità comprese tra 1000 e 4000 rpm per un tempo complessivo di 30 secondi permette di raggiungere spessori compresi tra 2 e 5 micron. In detail, to obtain polymeric films of uniform thickness on an array of sensor devices, a deposition by spincoating of a solution of PVDF-TrFE in RER 500 or in MEK with concentrations between 10% and 15% is carried out in three distinct phases per spin. rate and spin time, respectively a first phase at 500 rpm for 2s and a second phase at 600 rpm for 8s, in which the spin rate and spin time values are kept relatively low to achieve a uniform diffusion of the solution on the wafer, and a third phase at a rotation speed higher than 1000 rpm and proportional to the desired deposition thickness for a time of 30s. Note that the thickness of the polymer film decreases as the rotation speed increases. More generally, a deposition by spin-coating at speeds between 1000 and 4000 rpm for a total time of 30 seconds allows to reach thicknesses between 2 and 5 microns.
La fase di trattamento termico o annealing à ̈ condotta prima della metallizzazione per evaporazione dell'elettrodo superiore. Essa risulta efficace per accrescere la cristallizzazione del materiale piezoelettrico, evaporando eventuali particelle residue del solvente e rimuovendo stress locali generatisi durante la deposizione. Preferibilmente, il trattamento termico avviene ad una temperatura compresa tra 100 e 120°C, raggiunta in 1 ora, mantenuta per 3 ore con ritorno alla temperatura ambiente in 1 ora per accomodare lentamente gli stress alla struttura. The heat treatment or annealing step is carried out before the metallization by evaporation of the upper electrode. It is effective for increasing the crystallization of the piezoelectric material, evaporating any residual particles of the solvent and removing local stresses generated during deposition. Preferably, the heat treatment takes place at a temperature between 100 and 120 ° C, reached in 1 hour, maintained for 3 hours with return to room temperature in 1 hour to slowly accommodate the stresses to the structure.
Successivamente all'operazione di annealing il wafer à ̈ preferibilmente trattato con HDMS per migliorare l'adesione del polimero e degli elettrodi metallici, tipicamente Al/Cr o Au/Cr e preferibilmente Au/Cr, depositati in vuoto e configurati con procedure standard di attacco chimico per via umida o deposizione selettiva tramite maschere. After the annealing operation, the wafer is preferably treated with HDMS to improve the adhesion of the polymer and the metal electrodes, typically Al / Cr or Au / Cr and preferably Au / Cr, deposited in vacuum and configured with standard etching procedures wet chemical or selective deposition through masks.
La fase di attacco chimico e configurazione del film polimerico si discosta da quella tradizionale per via umida applicata a film di PVDF-TrFE, poiché questa presenta l'inconveniente di non definire con precisione e nettezza i bordi del dispositivo, comportando variazioni dell'area e del rapporto di aspetto tra sensori di una medesima schiera e difficoltà nella successiva operazione di polarizzazione del materiale, specialmente con spessori dell'ordine di pochi micron. Inoltre, durante la polarizzazione la presenza di bordi scarsamente definiti determina l'innesco di archi elettrici che possono causare danni alla struttura del film. The phase of chemical etching and configuration of the polymeric film differs from the traditional wet one applied to PVDF-TrFE film, since this has the drawback of not defining the edges of the device with precision and neatness, resulting in variations in the area and of the aspect ratio between sensors of the same array and difficulty in the subsequent polarization operation of the material, especially with thicknesses of the order of a few microns. Furthermore, during polarization the presence of poorly defined edges causes the ignition of electric arcs that can cause damage to the structure of the film.
Si à ̈ adottata una tecnica di attacco chimico a secco in presenza di ossigeno (20 sccm) ed elio (40 sccm) a 20 mBar, agenti ad una velocità di attacco chimico di 1 micron al minuto. L'elettrodo di metallizzazione superiore agisce vantaggiosamente come maschera per l'attacco. A dry chemical attack technique was adopted in the presence of oxygen (20 sccm) and helium (40 sccm) at 20 mBar, acting at a chemical attack speed of 1 micron per minute. The upper metallization electrode advantageously acts as a mask for the etching.
La fase di polarizzazione à ̈ infine necessaria per migliorare le proprietà piezoelettriche del film polimerico, ma deve essere effettuata con cautela per non danneggiare il dispositivo attivo (transistore) sottostante durante l'applicazione di un elevato campo elettrico attraverso lo spessore del film (fino ad un massimo di 100V/micron). Questo problema à ̈ caratteristico della forma di realizzazione integrata del dispositivo sensore oggetto dell'invenzione, e non insorge per architetture a gate esteso dove non à ̈ presente alcun dispositivo attivo (transistore) al di sotto della regione di trasduttore sottoposta a polarizzazione. The polarization phase is finally necessary to improve the piezoelectric properties of the polymer film, but must be carried out with caution in order not to damage the underlying active device (transistor) during the application of a high electric field through the thickness of the film (up to a maximum of 100V / micron). This problem is characteristic of the integrated embodiment of the sensor device object of the invention, and does not arise for extended gate architectures where there is no active device (transistor) below the transducer region subjected to polarization.
Tra le tecniche riportate in letteratura à ̈ preferita quella di polarizzazione termica per applicazione di una tensione di polarizzazione agli elettrodi del trasduttore, vantaggiosamente ad una temperatura elevata, ad esempio dell'ordine di 80-100°C, intervallo entro cui ricade la temperatura di transizione di fase (da comportamento paraelettrico a comportamento ferroelettrico) del PVDF-TrFE. In figura 8 sono riportati tre diversi modelli di applicazione della tensione di polarizzazione. Nel modello I una tensione di 250 V (per un film dello spessore di 2,7 micron) à ̈ applicata in modo incrementale a passi su un numero finito di passi, ciascuno per una durata di 10 minuti, intervallati da un periodo di corto circuito di 5 minuti per neutralizzare eventuali cariche in eccesso. Un siffatto processo multi-fase riduce le possibilità di break down elettrico. Nel modello II una tensione di 250 V à ̈ raggiunta progressivamente in 15 minuti, à ̈ mantenuta applicata per una durata di 10 minuti ed à ̈ annullata progressivamente in 5 minuti. Nel modello III, simile alla tecnica standard, una tensione di 250 V à ̈ applicata direttamente per una durata di 10 minuti. Among the techniques reported in the literature, thermal polarization is preferred by applying a polarization voltage to the transducer electrodes, advantageously at a high temperature, for example in the order of 80-100 ° C, an interval within which the temperature falls. phase transition (from paraelectric to ferroelectric behavior) of PVDF-TrFE. Figure 8 shows three different models for applying the bias voltage. In model I a voltage of 250 V (for a 2.7 micron thick film) is applied incrementally in steps over a finite number of steps, each for a duration of 10 minutes, interspersed with a short circuit period. 5 minutes to neutralize any excess charges. Such a multi-stage process reduces the chances of electrical break down. In model II a voltage of 250 V is reached progressively in 15 minutes, is maintained applied for a duration of 10 minutes and is progressively canceled in 5 minutes. In model III, similar to the standard technique, a voltage of 250 V is applied directly for a duration of 10 minutes.
Vantaggiosamente, il modello I consente di ridurre al minimo l'insorgenza di archi elettrici lungo i bordi e rende possibile monitorare la corrente di polarizzazione durante il processo. Advantageously, model I allows to minimize the occurrence of electric arcs along the edges and makes it possible to monitor the bias current during the process.
Si noti che la realizzazione proposta per la presente invenzione nella discussione che precede ha carattere puramente esemplificativo e non limitativo della presente invenzione. Un tecnico esperto del settore potrà facilmente attuare il procedimento di fabbricazione descritto per la realizzazione di dispositivi sensori secondo una architettura tradizionale a gate esteso o di dispositivi microelettromeccanici. It should be noted that the embodiment proposed for the present invention in the preceding discussion has a purely illustrative and non-limiting character of the present invention. A person skilled in the art will be able to easily carry out the manufacturing process described for the production of sensor devices according to a traditional architecture with extended gate or of microelectromechanical devices.
Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto à ̈ stato descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo allontanarsi dall'ambito di protezione dell'invenzione definito dalle rivendicazioni allegate. Naturally, without prejudice to the principle of the invention, the embodiments and construction details may be widely varied with respect to what has been described and illustrated purely by way of non-limiting example, without thereby departing from the scope of protection of the invention defined by the appended claims.
Claims (14)
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Citations (3)
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| US4611260A (en) * | 1982-12-15 | 1986-09-09 | Deutsch-Franzosisches-Forschungsinstitut | Method and device for polarizing ferroelectric materials |
| US5254504A (en) * | 1989-04-13 | 1993-10-19 | Trustees Of The University Of Pennsylvania | Method of manufacturing ferroelectric MOSFET sensors |
| US5760530A (en) * | 1992-12-22 | 1998-06-02 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force | Piezoelectric tactile sensor |
-
2009
- 2009-04-07 IT ITTO2009A000269A patent/IT1393585B1/en active
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| Publication number | Publication date |
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| IT1393585B1 (en) | 2012-04-27 |
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