CN103067838B - 一种高灵敏度压电式硅麦克风的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高灵敏度压电式硅麦克风及其制备方法，其压电式硅麦克风包括基底、弹性支撑层、压电薄膜部分和电极部分；所述基底中形成有穿孔，弹性支撑层覆盖于基底表面，压电薄膜部分位于弹性支撑层上，所属压电薄膜部分包括过渡层和压电功能层两部分，过渡层使得其上的压电功能层无裂缝，电极部分包括两电极、电极引线和电极端子，电极部分位于同一平面内，位于压电薄膜部分的上表面，两电极为双螺旋结构，所述两电极位于穿孔区域的正上方，电极端子和电极引线将电极上的信号引出，实现与放大电路的电连接。其优点是：本发明采用双螺旋电极设计，使得压电薄膜沿面内极化，利用压电薄膜的d33模式，提高了压电式硅麦克风的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及一种高灵敏度压电式硅麦克风及其制备方法，属于硅麦克风技术领域。
背景技术
麦克风能把人的语音信号转化为相应的电信号，广泛应用于手机，电脑，电话机，照相机及摄像机等。近三十年的MEMS（Microelectromechanical Systems）技术与工艺的发展，特别是基于硅芯片MEMS技术的发展，实现了许多传感器（如压力传感器，加速度计，陀螺仪等）的微型化和低成本。MEMS硅麦克风已开始产业化，在高端手机的应用上，逐渐取代传统的驻极体电容式麦克风。
MEMS麦克风主要分为电容式硅麦克风和压电式硅麦克风。电容式硅麦克风由一个振动薄膜和背极板组成，振动薄膜与背极板之间有一个几微米的间距，形成电容结构。高灵敏的振动薄膜感受到外部的音频声压信号后，改变振动薄膜与背极板间的距离，从而形成电容变化。麦克风后接CMOS放大器把电容变化转化成电压信号的变化，再放大后变成电输出。电容式硅麦克风制作工艺复杂，难度高，且需要专门的ASIC提供工作时的偏置电压。压电式硅麦克风由弹性支撑层、压电层和电极组成，制作工艺简单，当膜片感受到音频声压信号后，压电层的应变使电极产生电荷，后接CMOS放大器便可将将该电信号放大输出，不需要电容式硅麦克风的偏置电压。相对于电容式硅麦克风，压电式硅麦克风的加工工艺流程简单，没有较难控制的气隙，且所需的匹配放大电路简单，比电容式具有更好的实用价值，但其关键指标灵敏度还较低。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种压电式硅麦克风及其制备方法，以提高压电式微型硅麦克风的灵敏度。
按照本发明提供的技术方案，一种高灵敏度压电式硅麦克风，包括基底、弹性支撑层、第一电极、第二电极、压电薄膜部分，所述弹性支撑层覆盖在整个基底表面，压电薄膜部分覆盖在弹性支撑层上，压电薄膜部分自下而上包括过渡层和压电功能层；基底中刻蚀有孔，孔贯穿基底直通弹性支撑层，第一电极和第二电极成双螺旋结构，位于同一平面，制作于压电功能层的上表面且位于孔的正上方。
进一步的，所述弹性支撑层为热氧化氧化硅，厚度为0.5～1μm。所述过渡层的材质为ZrO2，压电功能层的材质为PZT。所述基底为硅基。
所述第一电极通过第一电极引线连接第一电极端子，所述第二电极通过第二电极引线连接第二电极端子，所述第一电极、第一电极引线、第一电极端子、第二电极、第二电极引线、第二电极端子均制作于压电功能层的上表面。
所述的高灵敏度的压电式硅麦克风的制备方法，包括如下步骤：
a、提供硅基基底；
b、在基底上生成一层弹性支撑层；
c、在基底上生成压电薄膜部分的过渡层；
d、在基底上生成压电薄膜部分的压电功能层；
e、在基底上形成第一电极、第一电极引线、第一电极端子、第二电极、第二电极引线和第二电极端子，第一电极和第二电极成双螺旋结构；
f、在基底底部刻蚀孔贯穿基底；
g、在第一电极和第二电极之间施加电压，使得压电薄膜部分的压电功能层面内极化。
所述过渡层的材质为ZrO2，采用sol-gel法沉积，采用0.4mol/L的ZrO2溶液以3000rpm旋涂30s，后经450℃热解1分钟，在700℃快速退火1分钟，最后在700℃下退火3小时，所得过渡层的厚度为0.3μm。
所述压电功能层的材质为PZT，具有压电效应，有应变时在表面产生电荷，所述压电功能层采用sol-gel法沉积，采用0.75mol/L的PZT溶液以1500rpm旋涂30s，后经450℃热解1分钟，然后在700℃快速退火1分钟；重复以上sol-gel法沉积，最终所得压电功能层的厚度为1～2μm。
所述第一电极、第一电极引线、第一电极端子、第二电极、第二电极引线、第二电极端子材料为Cr/Au，所述第一电极、第一电极引线、第一电极端子、第二电极、第二电极引线、第二电极端子图案采用lift-off工艺生成，或先沉积一层金属电极材料层再用湿法刻蚀出所需图案。
本发明的优点：目前国内外研究的硅微压电式麦克风主要采用压电薄膜的d31模式，但压电材料的压电常数d33通常比d31大一倍左右，故本发明的压电式硅麦克风，采用双螺旋电极设计，使得压电薄膜沿面内极化，利用压电薄膜的d33模式，提高了压电式硅麦克风的灵敏度。
附图说明
图 1为本发明的正面三维结构示意图。
图 2为本发明的反面三维结构示意图。
图 3为本发明的俯视图。
图 4为图3的A-A向剖视图。
图 5~图10为本发明的具体工艺步骤实施图，其中：
图 5为提供的硅基作为基底；
图 6为在基底上生成弹性支撑层的的示意图；
图 7为在基底上生成压电薄膜部分的过渡层的示意图；
图 8为在基底上形成压电薄膜部分的压电功能层的示意图；
图 9为在基底上形成电极部分（包括电极、引线和端子）的示意图；
图 10为将基底刻蚀出穿孔释放出弹性支撑层的示意图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明所述的压电式硅麦克风，包括基底、弹性支撑层、压电薄膜部分和电极部分。如图1～图4所示，本发明具体包括基底1、弹性支撑层2、第一电极4、第一电极引线5、第一电极端子6、第二电极7、第二电极引线8、第二电极端子9、压电薄膜部分10，其特征是：所述弹性支撑层2覆盖在整个基底1表面，压电薄膜部分10覆盖在弹性支撑层2上，压电薄膜部分10自下而上包括过渡层11和压电功能层12；基底1中刻蚀有孔3，孔3贯穿基底1直通弹性支撑层2，第一电极4和第二电极7成双螺旋结构，位于同一平面，制作于压电功能层12的上表面且位于孔3的正上方。
所述压电薄膜部分10包括过渡层11和压电功能层12两部分，过渡层11使得其上的压电功能层12无裂缝。电极部分包括一对电极、电极引线和电极端子，第一电极4通过第一电极引线5连接到第一电极端子6，所述第二电极7通过第二电极引线8连接到第二电极端子9，所述第一电极4、第一电极引线5、第一电极端子6、第二电极7、第二电极引线8、第二电极端子9均制作于压电功能层12的上表面，材料为Cr/Au。电极部分位于同一平面内，位于压电功能层12的上表面，第一电极4和第二电极7成双螺旋结构，位于孔3的正上方，第一电极引线5、第一电极端子6、第二电极引线8、第二电极端子9将第一电极4和第二电极7上的电信号引出到外接放大电路中。
本发明基底中形成有孔3，用于释放弹性支撑层2，使得感受到声压信号时，弹性支撑层2能在纵向产生大的应变，进而该应变会传递给压电薄膜部分10；本发明弹性支撑层2为氧化硅；本发明压电薄膜部分10包括过渡层11和压电功能层12，压电功能层12的材质为PZT，过渡层11的材质为ZrO2，过渡层11的作用为阻挡作用，同时也使沉积的压电功能层12无裂缝。
如图5~图10所示：上述结构的压电式硅麦克风，通过以下工艺步骤实现。
a、 提供硅基板做为基底1，如图5所示。
b、 在基底1上生成弹性支撑层2。
如图6所示，所述弹性支撑层2为热氧化氧化硅，厚度约为0.5~1μm。
c、在上述基底1上生成压电薄膜部分10的过渡层11。
如图7所示，所述过渡层11的材质为ZrO2，采用sol-gel法沉积，采用0.4mol/L 的ZrO2溶液以3000rpm旋涂30s，后经450℃热解1分钟，在700℃快速退火1分钟，最后在700℃下退火3小时，所得过渡层11的厚度约为0.3μm。
d、在基底1上生成压电薄膜部分10的压电功能层12。
如图8所示，所述压电功能层12的材质为PZT，具有压电效应，有应变时可在表面产生电荷，所述压电功能层12采用sol-gel法沉积，采用0.75mol/L PZT溶液以1500rpm旋涂30s，后经450℃热解1分钟，然后在700℃快速退火1分钟。重复以上sol-gel法沉积十多次以上，最终所得压电功能层12的厚度约为1~2μm。
e、在基底1上生成第一电极4、第一电极引线5、第一电极端子6、第二电极7、第二电极引线8、第二电极端子9。
如图9所示，所述第一电极4、第一电极引线5、第一电极端子6、第二电极7、第二电极引线8、第二电极端子9材料为Cr/Au，所述第一电极4、第一电极引线5、第一电极端子6、第二电极7、第二电极引线8、第二电极端子9图案采用lift-off工艺生成或先沉积一层金属电极材料层再用湿法刻蚀出所需图案，第一电极4和第二电极7成双螺旋结构。
f、在基底1上刻蚀出孔3。
如图10所示，采用DRIE刻蚀孔3，孔3贯穿基底1，到达弹性支撑层2时刻蚀停止，孔3位于第一电极4和第二电极7的正下方，孔3释放出弹性支撑层2，使得受到声压作用时，弹性支撑层2产生挠曲变形。
g、 施加电压将压电薄膜部分10极化。
在第一电极4和第二电极7之间施加电压，使得压电薄膜部分10的压电功能层12面内极化。
麦克风工作时，声压作用于压电薄膜部分10的上表面，从而引起压电薄膜部分10和弹性支撑层2的应变变形，由于压电功能层12的压电效应，压电功能层12的表面产生电荷，从而电极感应到相应的电荷，再通过电极引线和电极端子将电信号输出到外接放大电路中，从而外接电路就可检测到对应的声音信号。
压电材料的压电常数d33通常比d31大一倍左右，本发明采用双螺旋电极结构，使压电功能层12面内极化，从而压电式硅麦克风工作时采用的是d33模式，从而可以大大提高麦克风的灵敏度。
Claims (1)
1. 一种高灵敏度的压电式硅麦克风的制备方法，其特征是，包括如下步骤：
a、提供硅基基底（1）；
b、在基底（1）上生成一层弹性支撑层（2）；
c、在基底（1）上生成压电薄膜部分（10）的过渡层（11）；
d、在基底（1）上生成压电薄膜部分（10）的压电功能层（12）；
e、在基底（1）上形成第一电极（4）、第一电极引线（5）、第一电极端子（6）、第二电极（7）、第二电极引线（8）和第二电极端子（9），第一电极（4）和第二电极（7）成双螺旋结构；
f、在基底（1）底部刻蚀孔（3）贯穿基底；
g、在第一电极（4）和第二电极（7）之间施加电压，使得压电薄膜部分（10）的压电功能层（12）面内极化；
所述过渡层（11）的材质为ZrO2，采用sol-gel法沉积，采用0.4mol/L的ZrO2溶液以3000rpm旋涂30s，后经450℃热解1分钟，在700℃快速退火1分钟，最后在700℃下退火3小时，所得过渡层（11）的厚度为0.3μm；
所述压电功能层（12）的材质为PZT，具有压电效应，有应变时在表面产生电荷，所述压电功能层（12）采用sol-gel法沉积，采用0.75mol/L的PZT溶液以1500rpm旋涂30s，后经450℃热解1分钟，然后在700℃快速退火1分钟；重复以上sol-gel法沉积，最终所得压电功能层（12）的厚度为1～2μm；
所述弹性支撑层（2）为热氧化氧化硅，厚度为0.5～1μm；
所述第一电极（4）、第一电极引线（5）、第一电极端子（6）、第二电极（7）、第二电极引线（8）、第二电极端子（9）材料为Cr/Au，所述第一电极（4）、第一电极引线（5）、第一电极端子（6）、第二电极（7）、第二电极引线（8）、第二电极端子（9）图案采用lift-off工艺生成，或先沉积一层金属电极材料层再用湿法刻蚀出所需图案。
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