CN104602170B - 压电mems麦克风 - Google Patents

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Abstract

包括多层传感器的压电MEMS麦克风，该传感器包括位于两个电极层之间的至少一个压电层，该传感器被尺寸定制为使得其提供了接近最大化的输出能量对传感器面积之比率，最大化的输出能量对传感器面积之比率通过计入了输入压力、带宽、及压电和电极材料特征的最优化参数来确定。该传感器可由单独的或以小间隙彼此分隔开的堆叠悬臂梁组成，或者可以是以下方式形成的应力消除隔板：通过沉积到硅衬底上，然后通过将隔板基本与衬底分离来对隔板进行应力消除，并接下来重新附着现在的经应力消除的隔板。

Description

压电MEMS麦克风
本申请是申请日为2009年6月30日、申请号为200980133397.9(PCT/US2009/049248)、发明名称为“压电MEMS麦克风”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明大体上涉及压电麦克风，并且更具体地涉及压电MEMS麦克风及构造此类麦克风以满足特定最终使用应用需求的设计技术。
背景技术
微机电系统(MEMS)技术的进步使用硅片沉积技术使得诸如麦克风之类的声换能器得到发展。通过这种方式制造的麦克风一般称之为MEMS麦克风并可被制成各种形式，例如使用诸如PZT、ZnO、PVDF、PMN-PT或AlN之类的材料的压电麦克风或电容性麦克风。MEMS电容性麦克风及驻极体电容式麦克风(ECM)被用在消费电子器件中，并相对典型压电MEMS麦克风具备以下优势：它们具有更大的灵敏度和更低的底噪。然而，这些较普遍存在的技术中的每一种都有自己的缺陷。对于标准ECM，它们通常不能使用典型的无铅焊料工艺(一般用于所有其它附着到印刷电路板的微芯片)被安装到印刷电路板。常用于手机中的MEMS电容性麦克风相对昂贵，其部分原因是使用了专用集成电路(ASIC)来提供用于麦克风的读出电路。MEMS电容性麦克风还具有比典型压电MEMS麦克风更小的动态范围。
各种已知的压电和电容性MEMS麦克风的底噪示于图1。如通过麦克风的两个环绕组所指示的那样，电容性MEMS麦克风(下面的一组)的底噪一般比类似尺寸的压电MEMS麦克风低约20dB。
已知的压电MEMS麦克风已被制作为悬臂梁(beam)或隔板(diaphragm)，并且这些麦克风包括电极和压电材料这二者以及结构材料例如用作隔板或梁衬底材料的聚对二甲苯或硅。用于悬臂设计的聚对二甲苯的优点在于：其可被用来增加梁的厚度，从而增加了梁带宽(对于固定长度)和到压电材料中性轴的距离这二者，后者似乎增加了灵敏度。例如，约20μm的梁衬底是已知的，见Ledermann[15]。对于使用聚对二甲苯隔板的压电MEMS麦克风，已使用了更薄的层。见例如美国专利第6,857,501号和Niu[10]。注意到的是：本文中属于其它作者的各种参考文件是对说明书结尾指明的著作和期刊的引用，它们在此仅提供用于对本文一些教导的非实质主题加以支持或作为背景技术。每个引用的文献在此以引用方式并入。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种压电MEMS麦克风，包括衬底和多层声传感器，该传感器具有至少三层，包括：第一电极层、沉积在第一电极层之上的压电材料中间层、以及沉积在压电材料之上的第二电极层。该传感器被尺寸定制(dimension)为使得多层传感器的输出能量对传感器面积之比率是对于给定输入压力、带宽、及压电材料而言可获得的最大比率的至少10％。
根据本发明的另一个方面，提供了一种压电MEMS麦克风，包括衬底和多层声传感器，该传感器具有至少三层，包括：第一电极层、沉积在第一电极层之上的压电材料中间层、以及沉积在压电材料之上的第二电极层。传感器被尺寸定制为使得根据下述方程计算的最优化参数(optimization parameter)是对于该传感器而言最大可获得最优化参数的至少10％，
其中Vout是传感器的输出电压，C是传感器电容，P是输入压力，A是传感器面积，tan(δ)是在传感器的第一谐振频率处传感器的介电损耗角，并且fres是第一谐振频率。
根据本发明的另一个方面，提供了一种压电MEMS麦克风，包括硅衬底和多个梁，每个梁一端由衬底支撑，以使得每个梁是悬臂式的并在固定端和自由端之间延伸。每个梁包括电极材料的沉积层和覆盖电极材料的压电材料的沉积层。梁中的至少一些被堆叠，以使得堆叠的梁包括沉积电极材料和沉积压电材料的交替层，在它们之间没有额外的层。
根据本发明的再一个方面，提供了一种压电MEMS麦克风，包括衬底和在衬底上方悬挂(suspend)的应力消除(stress-relieved)隔板。隔板包括多层声传感器，该传感器具有至少三层，包括：第一电极层、沉积在第一电极层之上的压电材料中间层、以及沉积在压电材料之上的第二电极层。能够以任何合适的方式获得应力消除隔板，例如通过沿隔板的基本全部周边(periphery)从衬底分离隔板，并允许根据需要使隔板膨胀或收缩以释放残余应力。然后，可通过任何合适技术使隔板在其周边附近重新附着到衬底。
附图说明
将结合附图在下文中描述本发明的一个或多个优选示例性实施例，其中相同的附图标记指示相同的元件，并且在附图中：
图1是各种已知MEMS麦克风的噪声电平对传感器面积的绘图；
图2是描绘隔板残余应力对压电MEMS麦克风的输出能量影响的绘图；
图3a是根据本发明一个方面构建的梁悬臂压电MEMS麦克风传感器的顶视图；
图3b描述了来自图3a的麦克风传感器的两对相对的梁的截面图；
图3c示出了交替梁层和它们的尺寸，用于为示于图3b中堆叠的梁的性能建模；
图4描绘了连接到放大电路的图3a的麦克风的示意图，示出了该电路的阻抗建模；
图5是用于压电声传感器的典型噪声曲线的绘图；
图6描绘了梁锥化(taper)对图3a的传感器的输出能量的影响；
图7描绘了包括一个或多个聚对二甲苯层的影响，其中示出了层厚度对压电MEMS麦克风传感器的输出能量的影响；
图8是示出不同电极材料是如何对压电MEMS麦克风传感器的能量输出产生影响的绘图；
图9a-9d描绘了用于制作图3b的传感器的处理步骤；
图10是图3a的制造的传感器的显微镜图片；
图11是使用图3a的传感器的压电MEMS麦克风的图片；
图12示出了图11的麦克风的频率响应的绘图；
图13是图11的麦克风的梁挠度轮廓(deflection profile)的绘图；
图14是图11的麦克风的测量和预测的灵敏度和底噪的绘图；
图15是归一化输出能量的绘图，归一化输出能量作为图3a示出类型的悬臂梁的电极长度的函数；
图16是示出了系数d33的退化(degradation)的绘图，系数d33来自AlN压电材料的压电耦合系数矩阵；
图17是示出了介电损耗角tan(δ)的退化的绘图；
图18是示出了作为电极层厚度的函数的Mo电阻率的绘图；
图19是压电层厚度和系数d31之间的关系的绘图，系数d31来自AlN压电材料的压电耦合系数矩阵；
图20是示出了作为AlN层厚度的函数的介电损耗角的绘图；
图21描绘了计算的最优化参数，其作为用于单个(非堆叠)悬臂梁的Mo底部电极层厚度的函数；
图22描绘了计算的最优化参数，其作为用于单个(非堆叠)悬臂梁的AlN中间层厚度的函数；
图23描绘了计算的最优化参数，其作为用于单个(非堆叠)悬臂梁的Mo上部电极层厚度的函数；
图24描绘了计算的最优化参数，其作为用于5层(堆叠)悬臂梁的Mo底部和顶部电极层厚度的函数；
图25描绘了计算的最优化参数，其作为用于5层(堆叠)悬臂梁的AlN中间层厚度的函数；
图26描绘了计算的最优化参数，其作为用于5层(堆叠)悬臂梁的Mo中部电极层厚度的函数；
图27a是根据本发明一个方面构建的隔板压电MEMS麦克风传感器的顶视图；
图27b是沿图27a的B-B线所截取的部分截面图；以及
图28是根据本发明构建的压电MEMS麦克风的预期底噪的绘图，示出了它们与已知的压电和电容性MEMS麦克风比起来怎么样。
具体实施方式
下述说明书针对满足最优化准则的压电MEMS麦克风的各种实施例，所述最优化准则可以下述不同方式中的一个或多个来确定。
典型的压电MEMS麦克风被设计为最优化麦克风的灵敏度，并且这至少部分地导致上述这些装置的所增加的底噪。如下文所述，通过对于给定输入压力、带宽、及压电材料而言最优化输出能量对传感器面积之比率，压电MEMS麦克风可被构建得对典型应用具有足够的灵敏度，还具有与电容性MEMS麦克风相近的底噪。这种方法对于高质量膜是有效的。但是，当膜厚度减小时，膜质量将退化。在本文描述的替换性方法中将计入这个因素，该替换性方法使用的计算的最优化参数仍然是传感器能量对面积之比率，但还包括装置的损耗角、压力、及固有频率(其限制了带宽)。通过在计算的比率中增加这些参数，该替换性方法计入了这些参数的影响，而不是将它们视为常数。因此，如本领域技术人员将意识到的，将结合两种不同可用方法来描述下述实施例，两种不同可用方法用于确定最优或接近最优的传感器设计：1)对于给定(恒定)输入压力、带宽、及压电材料直接计算输出能量对传感器面积之比率，以及2)计入装置的损耗角、压力、固有频率(其限制了带宽)来计算最优化参数。该最优化参数可以使用下式来确定。
其中Vout是输出电压，C是装置电容，P是输入压力，A是传感器面积，tan(δ)是第一谐振频率处麦克风的介电损耗角或损耗因数，并且fres是装置的第一谐振频率。对该最优化参数的使用及用于计算该参数的装置几何和材料特征将在下文中进一步描述。当最优膜厚度与示于图18、19、和20(将在下文进一步描述)中的膜特性相比较时，很清楚的是大多数最优化的膜厚度具有这样的数值：它们都具有接近于厚膜的特性。对于这些膜，计算的能量对传感器面积的最优化可单独适用，而无需计入电极和/或压电特性的改变。然而，将膜制造得比最优厚度薄得多可导致：在材料特性上大的相对改变，在这种情况下使用最优化参数用于确定传感器最优化更为合适。
更传统压电MEMS麦克风设计中的至少两方面通常阻止现有设计获得这种最优化。第一方面是使用了诸如隔板之类的传感器结构，其具有由张力主导的刚度(stiffness)。对于在硅片衬底上制造的压电MEMS麦克风，该张力是沉积后在每层上剩余的残余应力的结果。这种影响导致作为最优化参数元素之一的归一化输出能量的减小，如图2中可见的那样。该图示出了残余应力是如何减小隔板的归一化输出能量的，隔板具有2个1μm的氮化铝(AlN)层和3个100nm的钼(Mo)层(谐振频率20kHz)。低到为1MPa(难于达到的应力水平)的应力将该隔板的归一化输出能量减小20％，也将最优化参数减小20％。使现有设计不能接近上文所述关系最优化的现有设计的第二个问题是这些设计都不使用最优或接近最优的装置几何。因此，例如，对于其而言装置残余应力不是重要因素的悬臂设计(由于装置在形成悬臂时从它的衬底被释放)，层厚度、层次序、梁形状、及甚至是梁与相邻梁间距的组合构成期望其最优化的总体装置几何。
根据公开的实施例，这些问题可通过一种或多种方式来解决。对于装置的残余应力不是问题的悬臂情况，可通过使用麦克风设计来解决，所述麦克风设计实现了对于给定输入压力、带宽、及压电材料而言输出能量对传感器面积的最大可获得比率的至少10％。如在本文中所使用的，对于给定传感器设计的“最大可获得比率”可使用连同传感器面积的输出能量计算来确定，或者可使用上文给出的最优化参数方程以及用在最优化方程中的各种参数的、可获得(虽然有时改变)的数值和方程一起来确定。在后面一种方法中，可获得合适的传感器设计，对于这种设计所计算的最优化参数是传感器最大可获得最优化参数的至少10％。确定可获得的最大比率的其它方式是可能的，例如通过重复试验确定或通过使用目前已知或以后开发的其它最优化方程或技术。为了获得可得到的最大最优化的10％或更大的期望水平，已经通过建模和后续的原型测试确定：有益的是使传感器几乎尽可能薄并以下述拓扑使用该传感器，在所述拓扑中多个梁或者堆叠以增加输出，或者构建为带有薄(～1μm)聚对二甲苯层的单独梁，该聚对二甲苯层位于电极和晶体层之间居中位置处。在两种方法的任何一种中，能够制造了多个梁，所述多个梁然后以串行或并行连接组合方式被接线，以对于任何给定应用获得装置电容和灵敏度的期望组合。对于隔板，可使用应力消除隔板来建造改善的压电MEMS麦克风，在其中通过如下方式制作压电传感器：进行硅基衬底上的沉积，然后从衬底释放以允许被释放的隔膜进行膨胀或收缩从而释放任何残余应力，接着以任何合适的方式进行重新附着。该技术对于带有夹紧(clamped)、别针(pinned)、或自由周界条件的任何组合的隔板是起作用的。上述最优化计算的使用还被用在制造隔板压电MEMS麦克风中，以提供增强的麦克风灵敏度和噪声性能。这些悬臂和隔板设计提供了很多应用中装置的有用操作，并且对于其而言计算的最优化参数超过最优情况的10％的设计，可提供增强的操作，该操作以等于或高于电容性MEMS麦克风的每单位面积底噪的每单位面积底噪提供良好的灵敏度。
下述实施例提供了使用上述技术的示例性设计，并且后续讨论提供了关于各种实施例可以如何被设计、实现、及检查上述比率最优化的额外数学和制造细节。尽管能量对传感器面积之比率的最优化，并且具体来说使用最优化参数对确定部分或全部传感器几何是有帮助的，但这样做不是必需的，这是因为：如果得到的麦克风无论如何设计都满足本文描述的最优化准则，就已经足够了。
单独的和堆叠的梁悬臂
图3a描绘了梁悬臂式压电MEMS麦克风30，其包括多层声传感器，多层声传感器具有多个手指型(fingered)梁32，每个手指型梁32在麦克风的左侧和右侧34、36两侧之一处是悬臂式的，以使得梁32的每个相对的对的自由端以小间隙38被分隔开，这可以使用已知的MEMS制造技术来形成。优选地，该间隙不大于3μm，但基于设计间隙可以更大。对于大多数应用，可使用不大于10μm的间隙。类似的间隙40可被用在相邻的(并排的)梁之间。梁32形成悬臂降低了材料残余应力对装置带宽的影响。每个示于图3a的梁32可以是单独、孤立的梁，其不与其它梁互连以制造具有期望的电容和灵敏度特征的整个麦克风30。或者，如示于图3b中的，每个示出的梁32可以是通过电极和压电材料的交替层形成的、两个或多个梁的堆叠集合中的上部梁。在图3b中，具有5个交替层，不过将意识到的是对于堆叠梁配置可以使用额外的层。这些梁是在没有任何其它层或材料的情况下构建的，以使得梁仅仅包含电极和压电层。在示出的示例中，电极材料是钼且压电材料是氮化铝；然而，将意识到的是任何合适的导电材料可被用于电极(例如，钛)，并且可使用任何合适的压电材料，例如PZT、ZnO或其它材料。
梁32可具有根据下述设计方法确定的尺寸，以提供所期望的特征集合。对于一些实施例，压电层可小于1μm，并且更优选地约0.5μm，不过同样这将会基于许多因素(包括其它梁尺寸、材料等)而变化。对于多数应用，梁厚度及从而压电厚度将小于2μm，但依赖于所涉及的特定应用可能高至8μm。优选地，在保持良好的压电膜质量的同时，压电层的厚度被制造得尽可能薄。例如，该层可被制造得可获得的制造技术尽可能实现的薄，只要其具备足够厚度来对所涉及的特定应用表现出足够的压电效应。梁长度应该与厚度有关，如在下文设计描述中所指出的那样。电极层也可变化，但优选地是在0.2μm或更低的量级上。优选地，梁的基部端以最小量的面积来支撑，以帮助最小化结果得到的电容。
MEMS麦克风30具有多个有利的特征，其中的任何一个或多个可通过使用本文所述的设计方法来获得。这些特征包括：
1、对于给定带宽、压力、和压电材料，最大化或接近最大化输出能量对传感器面积之比率。
2、设计传感器电容和灵敏度的期望组合的能力，这通过单独梁之间串行和并行连接的组合来获得。这可在不影响麦克风整体输出能量及不影响输入参考压电噪声的情况下做到。
3、使用由较小空气间隙分隔的相邻梁，提供了对较高频率声音的高阻抗，从而使得被设计的装置具有较低的截止频率。如上所述，这可通过将相邻梁之间的空间(即，梁的相对端之间的间隙和/或梁相邻侧之间的间隙)保持在10μm(优选地3μm)之内来做到。可如Ledermann[15]中所讨论的那样来设计这些间隙。
4、使用仅由电极和压电材料的交替层构成的堆叠梁。
对于任何特定应用的悬臂麦克风30的设计可使用下文描述的设计方法来执行。该方法基于梁的数学建模来开发，其首先通过分析获得，然后进行试验验证。单独梁的灵敏度已通过下述方式确定：开始于Krommer[1]的方程(20)，然后确定梁方程为：
其中
ρ是整个厚度上平均的密度，A是横截面积，w是梁挠度，t是时间，x是沿着梁的距离，M是梁弯矩，f是每单位宽度的力，b是梁宽度，N是层l的数量，s是弹性材料的柔性(compliance)，d是压电耦合系数，ε是电容率，z是如图3c所示的从梁底部算起的高度，并且V是层两端的电压。如果梁不具有压电材料，zo将是中性轴并可被如下计算：
梁方程的边界条件是：
w＝0@x＝0
@x＝0
@x＝L，以及
@x＝L.
可通过将Irschik[2]中的方法扩展到多层而确定弯矩方程(moment equation)中的电压V，结果是：
层的电容这样给出：
层的输出能量(output energy)通过将层电压的平方乘以层电容得到：
OutputEnergyl＝Vl 2Cl。
如果梁32以维持该产品的任何串行或并行的组合方式被接线，装置输出能量(称之为输出能量)将是每层输出能量之和。在设计和构建麦克风30时，梁接头(layup)的参数(例如，层高度和长度)可这样选择，以使得对于给定输入压力、带宽、及压电材料，该输出能量对传感器面积(sensor area)之比率最大化。该比率是：
本文中，传感器面积是指包含压电梁的总芯片表面积。优选地，麦克风30被设计和构造为获得尽可能接近最大的可获得值。然而，出于各种原因(例如，构造成本)，对于特定应用而言，即使是低至最优的能量对传感器面积之比率的10％的设计也是可以接受的。
出于两个原因，最大化该比率项是有优势的。第一，当以串行或并行(允许麦克风匹配特定电路)方式对梁32进行接线时，输出能量保持恒定。这已在Ried[9]的工作指出。第二，当以串行或并行方式对梁进行接线时，输入参考压电噪声保持恒定。由于所有这些特征保持恒定，最大化该比率可被作为最优化设计的一种方式。
前述方程可被用于任意宽度的梁并被数值求解，以确定梁的灵敏度。对于较宽的梁(板材)，DeVoe[3]建议了简单的代入，以将上面使用的单轴应力假设转换为平面应力假设。该代入是
以及
d31＝d31(1+υ)。
然而，Elka[4]已经显示出初始的单轴应力假设在与三维分析模型或三维有限元模型相比时给出更好的结果。如果假设梁具有恒定宽度，则方程得到极大简化并可分析求解。来自Tiersten[5]的小压电耦合假设导致了进一步的简化。这些方程可被用来确定由特定梁产生的电压，并可被扩展以确定由若干梁产生的电压，从而给出压电麦克风的灵敏度。由于梁密度已被包含在这些方程中，因此它们还可用来估计麦克风的带宽。这些方程假定将使用电压感测，并且梁的输出将进入高阻抗输入。如果假设了电荷感测，则可以得到类似的方程。在Krommer[1]和Irschik[2]的工作中展示了这些方程。对于本领域技术人员，可以上文相同的方式使用这些方程，以确定使用电荷放大电子器件的最优化的装置。
压电麦克风30的底噪(最小可检测信号)从根本上受限于材料的介电损耗角，如Levinzon[6]所描述的那样。该压电噪声是膜电阻引起的热噪声，其被表达为：
其中，vn是噪声谱密度，Δf是带宽，k是波尔兹曼常数，T是温度，ω是弧频率，C是传感器电容，并且tan(δ)是材料介电损耗角的正切。这确定了给定梁32或梁组合的输出电压噪声。诸如来自梁的机械热噪声、梁的辐射阻抗、及1/f噪声之类的其它噪声源并不会主导麦克风的噪声。
另一个重大的噪声源是伴随电子器件的噪声。放大电子器件可以是在电荷放大器到用于电压放大的集成电路范围内的任何事物。所论证的装置使用了具有用于放大的2.2kΩ负载电阻器的共源放大器中的结型场效应管(JFET)，这是由于这些晶体管具有相对低的噪声，也更小、更便宜、并相对易于建模。Levinzon[7]中显示了可建模JFET噪声。在低频处，示于图4中的电阻器Rb的热噪声主导了电路。在频率ω＝1/(Rb||Rp·C)处形成了极点，其中Rp是从tan(δ)获得的压电层的电阻。当Rb主导电阻时，更大的电容C将极点移动到较低频率，并因此进一步衰减了热噪声。对于连接到JFET的压电传感器的典型噪声曲线示于图5中。
麦克风30的动态范围超过了多数应用的需求，并且将典型地通过它所连接到的电子器件而受限。麦克风30自身不消耗功率，因此总功耗依赖于放大电路的功耗。麦克风的面积通过所使用的梁的数目和尺寸来确定，并且可以与底噪、灵敏度、及带宽进行权衡。
也研究了该麦克风30对其它参数(例如振动和温度)的灵敏度。对振动的灵敏度与材料密度和厚度有关，其这样给出：
这些模型都已输入到MatlabTM中，并执行最优化。最优化意在给出可听范围内的带宽、低底噪、以及类似于商用MEMS麦克风的面积。
由于该装置30使用多个梁32，它们可以串行或并行方式连接，但对给定声压，输出能量即乘积V2C保持恒定，如在Ried[9]提到的。这些梁被连接的方法说明了灵敏度和噪声之间的权衡。如果它们都以串行方式连接，这最大化灵敏度但传感器电容C将非常小。如果JFET被用于放大，这将增加过滤噪声的极点频率，并且结果得到的噪声增加。一般而言小电容是不利的，这是因为电子器件的输入电容将用作电容性分压器并会降低信号。如果所有梁以并行方式连接，这得到最小的灵敏度但最大的传感器电容。在上述两种极限情况(全并行对全串行)之间通常最优的电容可被识别为在使用JFET时最小化系统的输入参考噪声。
因此，本领域技术人员将意识到：面积可以与灵敏度和底噪进行权衡。更多的梁消耗更大的面积，但导致了更大的V2C乘积。带宽也可与底噪、灵敏度、及面积进行权衡。更长的梁消耗更大的面积，但对于给定面积给出了更大的V2C乘积，这是因为它们更有柔性。这些较长的梁具有更低的固有频率，并因此具有更窄的带宽。
存在影响麦克风输出的其它设计/构建因素。如图6所示，具有朝其自由端锥化的宽度的梁可提供更大的V2C输出能量。其峰值在梁基部对尖端之比率约0.33的位置处。而且至少对于单独(非堆叠)梁，插入在电极和压电之间的聚对二甲苯层可提供更好的V2C输出。具体地，在对梁进行建模之后，产生了图7以确定聚对二甲苯中间层的优点/缺点。该图示出了薄的聚对二甲苯层在恒定面积/恒定带宽的梁组情况下略微提升了V2C乘积。该薄层不在试验装置中使用，这是因为聚对二甲苯可以具有更高的表面粗糙度，导致了顶部AlN层的膜质量的下降。由于顶部AlN层很可能没用，聚对二甲苯将需要使V2C乘积翻倍以受益，这是不能的。因此，可能希望限制将聚对二甲苯用在使用单独(非堆叠)梁的麦克风结构中。具有低弹性模量和低密度的非聚对二甲苯的合适的其它材料也可被使用。
在MatlabTM中建模和最优化该装置后，开始制造装置。出于较简单制造和测试的目的，构建了矩形梁(与锥化梁相对)。梁被构建为具有：200nm Mo、500nmAlN、200nmMo、500nmAlN、200nm Mo的材料堆叠，这是因为这种组合给出了相对高的灵敏度和低噪声。
AlN被选为压电材料是因为它给出了与其它普通MEMS压电材料(例如ZnO和PZT)相比相同或更高的性能，而且它还比那两种材料中的任何一种具有更好的CMOS兼容性。难于识别出最优的压电材料，这是因为装置性能将依赖于多种材料参数，例如d31、tan(δ)、电容率、s及ρ。这些特性依赖于材料组成、沉积功率/压力/温度、衬底粗糙度及结晶结构、材料厚度等。除了材料沉积的可变性，难以找到提供用于进行完整材料比较的所有必要信息的源，这是因为这些参数的引用值可变化非常大，相对于AlN而言PZT更是如此，这是由于PZT在组成和定向上具有更大可变性。使用来自文献[11]–[14]的最佳值以评价AlN和PZT这二者，对于成功装置而言它们看起来具有近似相等潜力，不过PZT通常导致更高的灵敏度，这对依赖于麦克风的应用可能是有利的。文献中的AlN参数看起来更加一致，并且AlN和Mo也已经用在商用FBAR处理中，因此使用这些材料的制造将更易于转变为商用装置。选择Mo是因为高质量AlN已经被沉积在Mo上，并且由于它对剩余处理步骤起作用。图8示出了不同电极材料是如何影响V2C乘积的。这种应用的最佳材料是那些具有低密度和低刚度的材料。因此，钛(Ti)工作得比Mo要好，但没有使用Ti是因为它与其它处理步骤存在兼容性问题。层的厚度被选择，因为它们是可能以良好质量合理沉积的最薄的厚度。这些模型指示了较薄的层将是有益的，但没有在制造中尝试。
在图9a-9d中示出了对装置的处理。首先，沉积200nm的SiO2层作为用于DRIE蚀刻的蚀刻中止层。然后，200nm的Mo层被沉积、图案化并通过稀释王水(9H2O:1HNO3:3HCL)蚀刻。接下来，跟随有200nm的Mo层的500nm的AlN层被沉积、图案化，并通过稀释王水蚀刻Mo及通过热(85C)H3PO4蚀刻AlN。然后，另一个500nm的AlN和200nm的Mo被沉积、图案化和蚀刻。所有AlN沉积在加州大学伯克利分校通过谐波装置来执行。在AlN沉积期间，监视残余应力以尝试限制梁曲率。在这些蚀刻之后，晶片的两侧都覆盖6μm的SiO2，并且背侧被图案化和蚀刻(用于DRIE蚀刻)，以释放出梁。接下来，晶片从背侧以STS DRIE工具被蚀刻。然后通过切割机切割单独的裸片(die)，并且SiO2被以5:1 BHF移除。可改进若干步骤，最显著的是：如果使用各向异性硅蚀刻来蚀刻背腔并且在梁下的硅中植入蚀刻中止层，则梁的长度可以被更好地控制。一些设计在DRIE前使用额外的金属化步骤，以通过串行或并行的不同组合连接梁，并减小寄生电容，但这些装置不会用在初始概念验证中。装置的显微镜图片可见于图10中。
在制造了装置之后，它们被封装在晶体管外壳(TO transistor outline)中，其可见于图11，并且引线(bond)接合到JFET以缓冲信号。这可如图4所指示的那样做到：将JFET的栅极输入连接到传感器电极，以使得从电极接收到的信号通过晶体管被放大。在麦克风下面的TO罐中钻有小孔，以便给出到梁的光接入并测量它们的挠度。该小孔还允许背腔的尺寸被调节，因为背腔的尺寸将确定麦克风带宽的低端。然后麦克风被放置在平面波管中，挨着参考麦克风(Larsen Davis模型2520)，并且使用LabView A/D卡和软件来测量频率响应。这可见于图12中。通过驱动梁并利用激光振动计测量梁曲率，以此来测量d31系数。梁的挠度轮廓可见于图13。
通过测量梁对驱动的频率响应来确定梁的固有频率。另一个影响麦克风性能的参数是麦克风的介电损耗角tan(δ)。这已经通过连同LabViewTM软件的定制电路和AgilentModel4284A Precision LCR测量计这二者进行了测量。
对于该初始测试，仅有AlN顶层被连接到JFET且仅在梁的一侧，这样导致底噪比在整个麦克风连接到JFET的情况下所预期的底噪高3dB。梁被拉到356μm，但DRIE蚀刻比预期的多，导致约11kHz的固有频率。这将暗示着梁长度实际为约400μm。d31系数被测量为1.68x10-12N/C。该值是文献中引证的最佳值的约65％。d31系数已经显示为与X射线的衍射摇摆曲线FWHM相关，其对于本层为约2.6度，而所报道的最佳值在1度附近。该值可能高于其它值，这是因为该层只有0.5μm厚并且在其它层之上。Tan(δ)在1kHz处被测量为0.04。文献中通常给出的tan(δ)在0.001到0.002范围内，因此该值比那些通常引证的那些值高出多于一个数量级。可以确定的是：这种高于所预期的tan(δ)是由于在以H3PO4蚀刻AlN之后有一些残余材料留下。在一些调研后可以发现：通过丙酮在超声波清洗器中(ultrasound bath)清洗并在热板上加热，可使tan(δ)下降。具有较低tan(δ)的装置将使麦克风具有较低的底噪。
通过测量的d31系数和tan(δ)并使用从固有频率测试中得到的长度，麦克风模型和所测量的性能匹配得很好。示于图14的、得自带有2.2千欧姆负载电阻器的JFET共源放大器的灵敏度被测量为0.52mV/Pa。这等同于压电麦克风的原始输出灵敏度0.17mV/Pa。该模型预测的输出灵敏度为0.18mV/Pa。所测量的装置输入参考底噪为58.2dBA，同时模型预测的输入参考底噪为57.3dBA。图14示出了测量和预测的灵敏度和底噪。测量的频率响应的第一个峰是由被用在测量中的那些梁对面的梁的固有频率所引起。它们并不是完全等长，这是因为DRIE蚀刻中的非均匀性。
在上述悬臂梁的设计中，基于给定输入压力、带宽、及压电材料来确定输出能量对传感器面积之比率的最优化。然而，这些约束条件可被计入到压电MEMS麦克风的设计或分析中。具体来说，使用最优化参数方程：
输入压力可通过压力项P计入，带宽通过fres项计入，并且压电材料和电极的特征通过介电损耗角tan(δ)计入。因此，当这些输入约束条件的给定集合并未使用时，可通过最大化上述给定的最优化参数方程来最优化输出能量对传感器面积之比率，以计入那些其它的因素。
作为一个示例，仍考虑使用具有一个AlN压电层和两个Mo电极层的矩形悬臂梁的压电MEMS麦克风。对于悬臂，归一化输出能量被描绘为电极长度的函数，如图15所示。随着归一化的每单位面积输出能量增加，最优化参数也将增加所以电极将从梁的基部至梁长度的大致50％。
当使用氮化铝作为压电材料时，可假设较小的压电耦合。这种假定将上文针对Vl给出的对输出电压的表达式简化为：
其中，P是压力幅度，b是悬臂宽度，L是悬臂长度，d31是压电耦合系数矩阵的31项，η是压电材料的电容率，s11是柔性矩阵的11项，ZQ＝(zk-zn)2-(zk-1-zn)2，其中zn是梁中性轴，下标k代表层(并且在此情况中是指压电层)，以及EI是如下给出的梁抗弯刚性
其中ZCk＝(zk-zn)3-(zk-1-zn)3，并且zn给出为
电容大约为
其中Ae是电极覆盖的面积，并且hp是压电层的高度。第一谐振频率大约为
麦克风的介电损耗角是在压电材料自身中的损耗及电极中的损耗的函数。这可以近似为
其中，下标p和e分别指压电材料和电极材料，σ是材料电导率，ω是弧频率，且L是电极长度。
通过组合这些方程，并假设电极长度等于悬臂梁的长度，最优化参数可计算为
使用这些方程及厚度无关的材料特性，最优化将导向0厚度层和无限的最优化参数。然而在钼层变薄时它的电导率下降。而且非常薄的AlN层倾向于具有降低的压电耦合系数和大的损耗角。出于该原因，这些关系必须被包含在最优化中。
通过假设d31系数以与d33系数相同的速率退化，可提取d31数据。Martin[16]给出了d33和tan(δ)退化的绘图，它们还分别被示于图16和17中。或者，试验地确定d31对厚度的依赖性。
Mo电导率也将随着厚度的降低而改变。可使用Namba[17]的模型获得Mo厚度对电阻率的依赖性，以出于建模的目的确定这种关系。使用该模型(140nm的平均自由路径，P＝Q＝0，并且0.5nm的RMS表面粗糙度)可确定Mo厚度和电阻率之间的关系。假设的Mo电阻率和Mo厚度之间的关系、d31和AlN厚度之间的关系、以及损耗角和AlN厚度之间的关系被示于相应的图18-20中。使用最优化参数方程和来自上述绘图的数据，对于三层装置的理想厚度示于下表1中。
表1
层 厚度
第一层钼 9nm
氮化铝 1.5μm
第二层钼 1.1μm
为了增加准确度，在1mm x 1mm隔板之上和之下的空气的流体负载已被加入到密度合计中。然后，可使用固有频率方程来计算梁长度。对于20kHz的固有频率，梁将有374μm长。图21-23的绘图示出了改变的任何层厚度对最优化参数的影响。相对小的改变不会很大地影响最优化参数的数值，除了在底部Mo厚度的情况下。出于这个原因，使用更保守的底部Mo厚度(例如20nm)可能的是明智的。当然，可使用将最优化参数保持在其最大可获得值10％之上的更为保守的值；因此，可使用50nm、100nm或更大的电极厚度，这是因为如图18-20所示的最优化参数(特别是对底部电极)，具有该范围的厚度不会使最优化参数下降得太大。如果期望的传感器面积大致为1mm x 1mm，则该梁可被制造为1mm宽，并且三根梁被首尾相连地布置。
该相同的方法可被用于5个电极和压电材料的交替层的图3b中所示的堆叠梁配置。所计算的最大化最优化参数的最优值在下表2中给出。
表2
层 厚度
第一层钼 10nm
第一层氮化铝 1.5μm
第二层钼 10nm
第二层氮化铝 1.5μm
第三层钼 10nm
然后可使用固有频率方程来计算梁长度。对于20kHz的固有频率，梁将有461μm长。图24-26的绘图示出了改变的任何层厚度对最优化参数的影响。而且，这些绘图示出：电极层可极大增加(例如，增加至20、50、100nm或更多)而不会对所计算的输出电压对传感器面积之比率造成很大的降低，以及中部电极可在5nm和1μm之间改变而不会使该比率下降到低于其最大可获得值的10％。
隔板设计
如上所述，除了悬臂梁结构，应力消除隔板也可提供灵敏度和低底噪的良好组合。现在转到图27a和27b，示出了包括多层声传感器的压电MEMS麦克风50，多层声传感器具有在硅衬底54上方悬挂的应力消除隔板52的形式。在此实施例中，仅使用了三个层，上部和下部Mo电极层、及AlN压电材料的中间层。然而将意识到的是也可使用聚对二甲苯和其它材料层，并且隔板可具有多个压电层，例如上文结合堆叠的梁悬臂配置所讨论的那样。尽管图示的实施例仅包括三个层，但上部和下部电极层被图案化，以使每层都定义两个独立电极。具体地，第一(下部)电极层包括中央电极56和围绕中央电极56的外部环状电极58。示于图27a中的第二(上部)电极层也包括中央电极57和围绕中央电极57的外部环状电极59。从示于图27a的顶视图的透视图，中央电极57和外部环电极59这二者分别与它们相关联的下部中央电极56和环电极58共同延伸。如将意识到的是，中央电极56、57形成第一压电感测元件，并且外部环电极58、59形成第二压电感测元件。通过保持电极彼此电绝缘，它们可按照需要被接线在一起。由于外部环压电感测元件在与中央感测元件相反的方向上被拉紧(strain)，在这些电极上由压电效应产生的电荷将具有相反极性，以使得通过将中央电极56连接到外部环电极59及通过将中央电极57连接到外部环电极58，而使它们被相加在一起。通过连接到晶体管、运算放大器或其它合适的电路，可以类似上文结合悬臂实施例所讨论的方式来放大来自传感器的信号。
为了获得应力消除隔板52，可通过下述方式来形成层：在硅片或其它合适衬底54上沉积，然后隔板被微机械加工或以其他方式处理以使其基本从衬底分离，从而使层在必要时可以膨胀或收缩以释放任何残余应力。如示于图27a中的，一种实现此的方式是使用弹簧60使隔板52保持到位，否则隔板将从衬底54释放。一旦对隔板进行了应力消除，隔板52然后就在其周边附件以任何合适的技术(例如通过静电夹紧)被重新附着到衬底54。通过下述方式产生弹簧60：穿过AlN蚀刻以产生边界，然后通过移除弹簧下面的材料而从下部切开弹簧。隔板52被在右下角在用于电极引线的区域中被连接到衬底54。接下来，剩余三个角中的弹簧一端固定到衬底54，并且另一端固定到隔板52。在下部切开弹簧之后，通过将底部外部电极58保留为地并施加电压偏压到衬底，而使隔板52被重新附着到衬底54。因此，隔板52具有它周界(perimeter)的第一部分(底部右边)和周界的第二部分，其中周界的第一部分被附着到衬底54作为所述层中至少一层到所述衬底上的直接沉积，并且通过将所述周界的第二部分分离粘合(separate adhesion)到衬底上而使所述第二部分附着到所述衬底。通过用作弹簧60的层中的一个或多个的薄膜互连(thin interconnection)而在其它角连接到衬底54。可通过导电轨迹(conductive trace)62构成到中央和外部环电极的电连接，导电轨迹62在隔板52保持连接到衬底54的右下角处延伸穿过压电层。可通过遵循与上文中对于悬臂设计相同的过程来获得最优层厚度和尺寸。通过使用上文给出的相同参数来找到层厚度的合理估计；或者，可使用隔板模型，用于更完整和准确的最优化。
额外的观察
所制造的装置显示了模型是准确的，并且仅仅是材料和处理需要改进。当处理和沉积技术允许获得更好材料特性时，性能将与图28所示的性能相匹配。该图指示了人们可预期的、使用带有高质量材料参数的JFET共源放大器所设计和制造的装置的性能。它指示了用于压电麦克风的设计可获得与良好优化的电容性麦克风同等水平的底噪。诸如灵敏度和功耗之类的一些参数并未包含在图28的绘图中，这是因为这些参数并不如那些附图中给出的参数那么明显相关。图中的加号标记指示了压电麦克风，圆圈指示了电容性麦克风。压电麦克风通常具有低于电容性麦克风的灵敏度，但这可以通过使用专用集成电路(ASIC)放大信号来进行校正，正如经常在电容性麦克风中所使用的那样。尽管该附图假设了高质量的压电材料，但并未计入可能使用更好电极材料、锥化梁、或梁中间的薄柔性层所带来的改进。还假设JFET被用于放大，从而限制了底噪。ASIC可能具有更低的底噪并进一步增强麦克风性能。还假设0.001的tan(δ)，但已经示出的是通过合适的退火处理可将tan(δ)降低到低于该值。
如上文所述构建的压电MEMS麦克风可具有与用于消费电子器件中的驻极体电容式麦克风(ECM)和MEMS电容性麦克风相竞争的商业潜力。该设计提供了与ECM和MEMS电容性麦克风同等水平的性能，而且对每种麦克风还都提供了优势。首先，标准的ECM不能使用传统的无铅焊料工艺(其被用在其它所有微芯片中)被安装到印刷电路板。这意味着它们必须通过手动或更昂贵及较不可靠的套接(socket)进行特殊附着。前述压电麦克风可经受高温，并且因此可使用传统技术被安装。该压电麦克风还小于ECM，允许更小的整体电子器件。MEMS电容性麦克风也具有这些优点，因此从2003年起它们已经被用于手机。但是，MEMS电容性麦克风比ECM更贵，这主要是因为使用专用集成电路(ASIC)来提供用于这些麦克风的读出电路。它是比ECM中使用的JFET昂贵得多的部件。本文描述的压电MEMS麦克风可以使用单独JFET进行放大，因此，产生了较低成本的麦克风，同时具有MEMS电容性麦克风的所有优点。
除了用作音频麦克风，该装置还可被用作其它应用，例如超声波检测，这通过对麦克风结构设计的合适改变以针对该应用进行最优化来实现。而且，通过以诸如聚对二甲苯(例如，约1-2μm)的绝缘材料覆盖梁，麦克风可被用作水下应用的水听器。类似地，聚对二甲苯或其他合适绝缘覆盖可用于上文所述的隔板设计中，以构成水听器，在这种情况下该装置将包括压力均衡端口，或其它合适的、将被本领域技术人员所知的与外界环境压力均衡的装置。
应该理解的是上文是对本发明一个或多个优选示例性实施例的描述。本发明并不受限于本文所公开的特定实施例(一个或多个)，而是仅由以下权利要求书来定义。此外，包含在上文说明书中的陈述涉及具体实施例，并且不构成对本发明范围的限制或对权利要求中所用术语定义的限制，除非该术语或短语已在上文中被明确定义。对本领域技术人员来说，对所公开实施例(一个或多个)的各种其它实施例和其它改变和改进将变得显而易见。例如，尽管传感器设计提供了对很多应用适用的、最大可获得比率(或最大可获得最优化参数)的至少10％，但更优选的设计将提供最大可获得的至少25％，以及再优选的设计将提供最大可获得的至少50％。在高度优选的实施例中，使用最大可获得最优化参数的设计可被使用。所有这些其它实施例、改进和修改都旨在落入所附权利要求的范围内。
如在说明书和权利要求书中所使用的，当术语“例如”、“比如”、“诸如”及“像”和动词“包括”、“具有”、“包含”及它们的其它动词形式与一个或多个元件或其它物件的列表一起使用时，都被构建为开放式，这意味着列表并不被认为是排除其它额外元件或物件。将使用它们最宽广的合理含义构建其它术语，除非它们在上下文中的使用需要某种不同的解释。
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Claims (14)

1.一种悬臂梁式压电MEMS麦克风，包括：
衬底；以及
多层声传感器，其包括至少三层，所述至少三层包含第一电极层、沉积在所述第一电极层之上的压电材料中间层、以及沉积在所述压电材料之上的第二电极层；
其中，所述传感器被尺寸定制为使得根据以下方程计算的最优化参数是对于所述传感器而言最大可获得最优化参数的至少10％：
其中Vout是所述传感器的输出电压，C是所述传感器的电容，P是输入压力，A是传感器面积，tan(δ)是在所述传感器的第一谐振频率处的传感器介电损耗角，并且fres是第一谐振频率。
2.根据权利要求1所述的悬臂梁式压电MEMS麦克风，其中所述第一和第二电极层及所述中间层合起来具有不大于2μm的厚度。
3.根据权利要求1所述的悬臂梁式压电MEMS麦克风，其中所述中间层包括直接沉积到所述第一电极层表面上的压电材料层，并且所述第二电极层包括直接沉积到所述压电材料表面上的电极材料层。
4.根据权利要求1所述的悬臂梁式压电MEMS麦克风，其中所述多层声传感器包括在所述衬底上方悬挂的应力消除隔板。
5.根据权利要求4所述的悬臂梁式压电MEMS麦克风，其中所述隔板在所述隔板的周界附近附着到所述衬底，并且使所述周界的第一部分附着到所述衬底作为所述层中至少一层到所述衬底上的直接沉积，并且通过将所述周界的第二部分分离粘合到衬底上而使所述第二部分附着到所述衬底。
6.根据权利要求5所述的悬臂梁式压电MEMS麦克风，其中所述第一和第二电极层包括相应的第一和第二电极，它们居中地位于所述隔板上并包括在所述第一部分延伸到所述衬底的引线轨迹。
7.根据权利要求4所述的悬臂梁式压电MEMS麦克风，其中所述隔板覆盖有绝缘层，并且其中所述麦克风包括压力均衡端口，由此所述麦克风包括水听器。
8.根据权利要求1所述的悬臂梁式压电MEMS麦克风，其中所述传感器包括多个梁，每个梁一端由所述衬底支撑，以使得每个梁是悬臂式的并在固定端和自由端之间延伸，每个梁都包括所述电极和中间层。
9.根据权利要求8所述的悬臂梁式压电MEMS麦克风，其中所述梁的至少两个被定位为使得：每个梁的自由端彼此相对并且以不大于3μm的间隙分隔开。
10.根据权利要求8所述的悬臂梁式压电MEMS麦克风，其中相邻梁以不大于10μm的间隙分隔开。
11.根据权利要求8所述的悬臂梁式压电MEMS麦克风，其中所述多个梁包括多个堆叠的梁集合，每个堆叠的梁集合包括至少五个电极材料和压电材料的交替层。
12.根据权利要求8所述的悬臂梁式压电MEMS麦克风，其中所述梁被朝向它们的自由端锥化，以使得所述梁在其自由端的宽度窄于在其悬臂端的宽度。
13.一种压电MEMS麦克风，包括：
衬底；
弹簧；
在所述衬底上方悬挂的应力消除隔板，所述隔板包括多层声传感器，所述多层声传感器具有至少三层，包括：第一电极层、沉积在所述第一电极层之上的压电材料中间层、以及沉积在所述压电材料之上的第二电极层，其中所述弹簧的第一端被固定到所述衬底，并且所述弹簧的第二端被固定到所述隔板；以及
在所述隔板的一个或多个重新附着部分处的所述衬底和所述隔板之间的可移除连接。
14.根据权利要求13所述的压电MEMS麦克风，其中所述隔板在所述隔板的周界附近附着到所述衬底，其中所述周界的第一部分被附着到所述衬底作为所述层中至少一层到所述衬底上的直接沉积，并且所述周界的第二部分通过将所述第二部分分离粘合到衬底上而被附着到所述衬底。
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