CN110475191A - 一种低空气阻尼mems压电式麦克风 - Google Patents
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Abstract
一种低空气阻尼MEMS压电式麦克风，包括具有空腔的晶圆衬底和多个具有压电叠层结构的悬臂梁，所述悬臂梁包括设置在晶圆衬底顶面的固定端和悬置于空腔上方的自由端，相邻的悬臂梁之间均设置有间隙，且相邻悬臂梁的自由端均连接有能使悬臂梁同步振动的柔性弹性件，所述悬臂梁上设置有与所述空腔相通的孔口。本发明通过增设压电式麦克风与空腔相贯通的孔口，减小了悬臂梁振动时空气阻尼的影响，提高了麦克风的信噪比。
Description
技术领域
本发明涉及一种麦克风设备技术领域，尤其涉及一种低空气阻尼MEMS压电式麦克风。
背景技术
麦克风是一种声电转换类的换能器，能够把外界条件的声压信号转换成电信号进行输出，根据声压信号的不同特点形成不同的电信号，进行存储和运输，传递信号。如今麦克风广泛应用于我们的生活中，包括PC、平板，数码相机，机器人，手机和汽车语音等，一个手机内部存在若干个麦克风，各有各的功能，在通话降噪方面起到了不小的作用。随着MEMS技术和压电技术的融入，麦克风从传统的电容式结构中逐渐发展出压电式麦克风，由于压电式麦克风结构简化，信号响应速度更快，并且具有高灵敏度的特点，已经逐渐受到青睐，在未来的麦克风领域会进行重点发展。
传统的压电式麦克风其压电叠层结构通常为整体，当其在空气中振动时所受空气阻尼较大，导致接收声音时产生的信号较低，从而会降低压电式麦克风的性能。专利CN201821645803公开一种改良结构的麦克风，此麦克风相邻悬臂梁之间设置有一定的间隙，同时设置覆盖膜使各悬臂梁振动时保持姿态的一致性。因此，有必要通过改进麦克风的结构来减小空气阻尼带来的影响，实现压电层的振幅最大化，改善麦克风的性能。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种改良结构的麦克风，具体技术方案为：
一种低空气阻尼MEMS压电式麦克风，包括具有空腔的晶圆衬底和多个具有压电叠层结构的悬臂梁，所述悬臂梁包括设置在晶圆衬底顶面的固定端和悬置于空腔上方的自由端，相邻的悬臂梁之间均设置有间隙，且相邻悬臂梁的自由端均连接有能使悬臂梁同步振动的柔性弹性件，所述悬臂梁上设置有与所述空腔相通的孔口。
进一步地，多个所述悬臂梁围成规则的形状，所围成的形状为圆形、正方形、矩形、六边形中的一种。
进一步地，所述孔口贯通所述悬臂梁的自由端，所述孔口的形状为圆形、正方形、矩形、六边形中的一种。
进一步地，所述晶圆衬底为CSOI晶圆衬底，其顶面和所述悬臂梁制成单晶片的压电叠层结构，所述压电叠层结构从下至上依次为第一下电极、第一压电薄膜和第一上电极。
进一步地，所述CSOI晶圆衬底顶面分别设置有用于引出所述第一下电极电信号的下引出电极和用于引出所述第一上电极电信号的上引出电极。
进一步地，所述晶圆衬底为Si晶圆衬底，其顶面和所述悬臂梁制成双晶片的压电叠层结构，所述压电叠层结构从下至上依次为第二下电极、第二压电薄膜、中间电极、第三压电薄膜和第二上电极。
有益效果：
本发明通过增设压电式麦克风与空腔相贯通的孔口，减小了悬臂梁振动时空气阻尼的影响，提高了麦克风的信噪比。
附图说明
图1为本发明的单晶片悬臂梁的截面图。
图2为本发明的单晶片悬臂梁的俯视图。
图3为本发明的单晶片悬臂梁的制作方法简图。
图4本发明的柔性弹性件的放大图。
图5本发明的双晶片悬臂梁的截面图。
图中：1 CSOI晶圆衬底，11第一绝缘层，12过渡层，13第二绝缘层，14空腔，2单晶片悬臂梁，21第一下电极，22第一压电薄膜，23第一上电极，24自由端，25第三绝缘层，3下引出电极，4上引出电极，5孔口，6间隙，7柔性弹性件，8 Si晶圆衬底，9双晶片悬臂梁，91第二下电极，92第二压电薄膜，93中间电极，94第三压电薄膜，95第二上电极，96第一引出电极，97第二引出电极。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步描述：
如图1、图2所示，一种低空气阻尼MEMS压电式麦克风，包括具有空腔14的晶圆衬底和多个具有压电叠层结构的悬臂梁，所述悬臂梁包括设置在晶圆衬底顶面的固定端和悬置于空腔14上方的自由端24，相邻的悬臂梁之间均设置有间隙6，且相邻悬臂梁的自由端24均连接有能使悬臂梁同步振动的柔性弹性件7，所述悬臂梁上设置有与所述空腔14相通的孔口5。
所述悬臂梁可制作成单晶片悬臂梁2和双晶片悬臂梁9。如图3所示为单晶片悬臂梁2的制作方法，包括以下步骤：
S01：所述晶圆衬底选用带有空腔的CSOI晶圆衬底，其包括第一绝缘层、过渡层和第二绝缘层，第一绝缘层和第二绝缘层的材料均为硅，过渡层的材料二氧化硅。
S02：在所述CSOI晶圆衬底的顶面依次沉积第一下电极、第一压电薄膜、第一上电极，形成所述压电叠层结构；通过光刻工艺，对所述第一上电极进行图案化处理；所述图案化处理为刻蚀掉靠部分靠外圈的所述第一上电极。
S03:在图案化处理后的所述第一上电极的表面沉积第三绝缘层，所述第三绝缘层为二氧化硅；在所述第三绝缘层上刻蚀用于引出所述第一下电极电信号的第一下引出电极和用于引出所述第一上电极电信号的上引出电极；所述第一下引出电极设置在第三绝缘层的靠外圈处，以防止第一下引出电极与第一上电极相接触；从顶面向下刻蚀一定深度至露出所述第一下电极，再沉积一层金属电极作为第一下引出电极；在所述第一上电极上沉积一层金属电极作为上引出电极，所述下引出电极、上引出电极的材料为钼、铝等金属材料；所述单晶片悬臂梁的第一下电极和第一上电极均采用并联或串联的方式相连接。
S04：从所述第三绝缘层向所述空腔内刻蚀，形成所述孔口、单晶片悬臂梁以及相邻单晶片悬臂梁之间的间隙所述柔性弹性件同样也可以通过刻蚀制得。
如图2所示，多个所述单晶片悬臂梁2围成规则的形状，围成的形状可以为圆形、正方形、矩形、六边形等；所述孔口5贯通所述单晶片悬臂梁2的自由端24，所述孔口5的形状可以为圆形、正方形、矩形、六边形等；本实施例中，所述孔口5的形状与单晶片悬臂梁2围成的形状相匹配的，即为正六边形，所述孔口5的位置处于空腔14中心的正上方。然而应当理解，在其他的实施例中，所述单晶片悬臂梁2的数量为任意所需的数量，其围成的形状可以为任意形状，只需满足这些单晶片悬臂梁2能围成规则的形状；所述孔口5的位置可以为单晶片悬臂梁2的自由端24与空腔14相贯通的任意位置。
如图1、图2所示，当所述低空气阻尼MEMS压电式麦克风接收声波时，声波信号通过空气媒介传播至麦克风处，引起单晶片悬臂梁2的振动，所述单晶片悬臂梁2中的所述第一压电薄膜22由于正压电效应，在其上下表面产生异号电荷，通过所述第一上电极23和第一下电极21的传输，由上引出电极4和第一下引出电极3引出电信号至相应的器件。如图2、图4所示，为减弱多个单晶片悬臂梁2振动不同步而导致信号串扰，在相邻单晶片悬臂梁2的自由端24之间刻蚀有柔性弹性件7，所述柔性弹性件7设置在间隙6内，以使单晶片悬臂梁2能同步振动发生振动，减弱信号窜扰；相邻单晶片悬臂梁2之间设置的一定宽度的间隙6，并在空腔14的中部贯通设置有一个六边形的孔口5，可以减小单晶片悬臂梁2振动时空气阻尼带来的影响，提高压电式麦克风的灵敏度以及信噪比。
如图5所示，在另一个实施例中，所述低空气阻尼MEMS压电式麦克风的悬臂梁制作成双晶片悬臂梁9；具体地，所述低空气阻尼MEMS压电式麦克风包括Si晶圆衬底8，在所述Si晶圆衬底8的顶面由下至上通过沉积形成第二下电极91、第二压电薄膜92、中间电极93、第三压电薄膜94和第二上电极95，参照所述S02至S04的制作方法，刻蚀形成多个所述双晶片悬臂梁9、孔口5、相邻双晶片悬臂梁9之间的间隙6和相邻双晶片悬臂梁9自由端24连接的能使双晶片悬臂梁9同步振动的柔性弹性件7，所述双晶片悬臂梁9的第二下电极91和第二上电极95均采用并联或串联的方式相连接.在双晶片悬臂梁9振动的过程中，应力应变为零的结构层称为中性轴，所述双晶片悬臂梁9的中性轴位于中间电极93中，且在中性轴的上部与下部的应力应变相反；当双晶片悬臂梁9发生振动时，第二压电薄膜92与第三压电薄膜94的应力应变相反，两层压电薄膜的极化方向相同，与中间电极93相接触的第二、第三压电薄膜94的两个表面产生的电荷符号相同，第二压电薄膜92的下表面与第三压电薄膜94的上表面产生的电荷符号相同。由上述产生电荷的分布特点，在引出电极时，第二下电极91和第二上电极95的电信号通过第一引出电极96引出，中间电极93的电信号通过第二引出电极97引出；第一引出电极96和第二引出电极97设置于Si晶圆衬底8的顶部外侧。采用所述双晶片悬臂梁9，利用这种特性的信号叠加，可显著增加低空气阻尼MEMS压电式麦克风的信号输出，提高器件灵敏度；同时，间隙6和孔口5的设置，可以减小双晶片悬臂梁9振动时空气阻尼带来的影响，提高压电式麦克风的灵敏度以及信噪比。然而应当理解，采用Si晶圆衬底8所制得的双晶片悬臂梁9结构，其未详尽说明之处均与CSOI晶圆衬底1所制得的单晶片悬臂梁22结构类似。
Claims (6)
1.一种低空气阻尼MEMS压电式麦克风，包括具有空腔的晶圆衬底和多个具有压电叠层结构的悬臂梁，所述悬臂梁包括设置在晶圆衬底顶面的固定端和悬置于空腔上方的自由端，其特征在于：相邻的悬臂梁之间均设置有间隙，且相邻悬臂梁的自由端均连接有能使悬臂梁同步振动的柔性弹性件，所述悬臂梁上设置有与所述空腔相通的孔口。
2.根据权利要求1所述的一种低空气阻尼MEMS压电式麦克风，其特征在于：多个所述悬臂梁围成规则的形状，所围成的形状为圆形、正方形、矩形、六边形中的一种。
3.根据权利要求2所述的一种低空气阻尼MEMS压电式麦克风，其特征在于：所述孔口贯通所述悬臂梁的自由端，所述孔口的形状为圆形、正方形、矩形、六边形中的一种。
4.根据权利要求3所述的一种低空气阻尼MEMS压电式麦克风，其特征在于：所述晶圆衬底为CSOI晶圆衬底，其顶面和所述悬臂梁制成单晶片的压电叠层结构，所述压电叠层结构从下至上依次为第一下电极、第一压电薄膜和第一上电极。
5.根据权利要求4所述的一种低空气阻尼MEMS压电式麦克风，其特征在于：所述CSOI晶圆衬底顶面分别设置有用于引出所述第一下电极电信号的下引出电极和用于引出所述第一上电极电信号的上引出电极。
6.根据权利要求3所述的一种低空气阻尼MEMS压电式麦克风，其特征在于：所述晶圆衬底为Si晶圆衬底，其顶面和所述悬臂梁制成双晶片的压电叠层结构，所述压电叠层结构从下至上依次为第二下电极、第二压电薄膜、中间电极、第三压电薄膜和第二上电极。
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Effective date of registration: 20201224 Address after: No.01, 4th floor, building D7, phase 3, Wuhan Software New Town, No.9 Huacheng Avenue, Donghu New Technology Development Zone, Wuhan City, Hubei Province, 430000 Applicant after: Wuhan Minsheng New Technology Co.,Ltd. Address before: 430072 Hubei Province, Wuhan city Wuchang District of Wuhan University Luojiashan Applicant before: WUHAN University |
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Application publication date: 20191119 |
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