CN110519679A - 一种mems结构 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种MEMS结构，包括：衬底，具有空腔；压电复合振动层，包括固定端和自由端，所述固定端连接至位于所述空腔的第一侧的衬底材料上方，所述自由端悬挂在所述空腔的第二侧的衬底材料上方，所述压电复合振动层覆盖所述空腔，所述空腔的第一侧和第二侧相对设置；防漏声限位件，位于所述自由端上方并且阻挡限制所述压电复合振动层的所述自由端的偏转。基于本申请所提供的MEMS结构，能够实现对压电复合振动层的限位，降低振动梁大幅度弯曲而折断的几率，提高MEMS结构的可靠性。另一方面，防漏声限位件增大了声阻，减小了低频漏声。
Description
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，具体来说，涉及一种MEMS(MicroelectroMechanical Systems的简写，即微机电系统)结构。
背景技术
MEMS传声器(麦克风)主要包括电容式和压电式两种。MEMS压电传声器是利用微电子机械系统技术和压电薄膜技术制备的传声器，由于采用半导体平面工艺和体硅加工等技术，所以其尺寸小、体积小、一致性好。同时相对于电容传声器还有不需要偏置电压，工作温度范围大，防尘、防水等优点。
但是，声压太大或其他外部原因造成MEMS压电传声器的振动梁大幅度弯曲时，容易造成振动梁折断损坏，从而影响MEMS压电传声器的可靠性。并且，现有的MEMS压电传声器也容易造成低频漏声。
针对相关技术中MEMS压电传声器的可靠性较低的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中MEMS压电传声器的可靠性较低的问题，本申请提出一种MEMS结构，能够提高MEMS压电传声器的可靠性。
本申请的技术方案是这样实现的：
根据本申请的一个方面，提供了一种MEMS结构，包括衬底，具有空腔；压电复合振动层，包括固定端和自由端，所述固定端连接至位于所述空腔的第一侧的衬底材料上方，所述自由端悬挂在所述空腔的第二侧的衬底材料上方，所述压电复合振动层覆盖所述空腔，所述空腔的第一侧和第二侧相对设置；防漏声限位件，位于所述自由端上方并且阻挡限制所述压电复合振动层的所述自由端的偏转。
其中，所述压电复合振动层包括：第一电极层，形成在所述衬底上方；第一压电层，形成在所述第一电极层上方；第二电极层，形成在所述第一压电层上方。
其中，所述压电复合振动层还包括：振动支撑层，形成在所述衬底和所述第一电极层之间。
其中，所述压电复合振动层还包括：第二压电层，形成在所述第二电极层上方；第三电极层，形成在所述第二压电层上方。
其中，所述空腔的第一侧的衬底材料的厚度等于所述空腔的第二侧的衬底材料的厚度，所述MEMS结构还包括位于所述衬底上方的连接支撑层，所述固定端通过所述连接支撑层与所述衬底连接。
其中，所述空腔的第一侧的衬底材料的厚度大于所述空腔的第二侧的衬底材料的厚度，所述固定端直接连接至位于所述空腔的第一侧的衬底材料上方，所述自由端悬挂于所述空腔的第二侧的衬底材料上方。
其中，所述自由端位于所述衬底和所述防漏声限位件之间，并且所述自由端与所述防漏声限位件在垂直方向上具有重叠区域。
其中，所述防漏声限位件环绕所述压电复合振动层的所述自由端；或者所述防漏声限位件仅覆盖所述压电复合振动层的所述自由端的一部分。
其中，所述第一电极层和所述第二电极层分别具有相互隔离的多个分区，同一分区的所述第一电极层的材料与所述第二电极层的材料构成电极层对，不同分区之间的所述电极层对依次串联连接。
其中，所述第一电极层、所述第二电极层和所述第三电极层具有至少两个相互隔离的分区，同一分区内的所述第一电极层的材料和所述第三电极层的材料电连接之后与所述第二电极层的材料构成电极层对，不同所述分区间的所述电极层对依次串联。
其中，所述第一电极层、所述第二电极层和所述第三电极层具有至少两个相互隔离的分区，同一分区内的所述第一电极层的材料与所述第二电极层的材料构成第一电极层对并且所述第二电极层的材料与所述第三电极层的材料构成第二电极层对，所述第一电极层对与所述第二电极层对串联后构成电极层串，不同所述分区间的所述电极层串依次串联。
基于本申请所提供的MEMS结构，能够实现对压电复合振动层的限位，降低振动梁因大幅度弯曲而折断的几率，提高MEMS结构的可靠性。另一方面，防漏声限位件增大了声阻，减小了低频漏声。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以更好地理解本申请的各个方面。需要强调的是，根据行业的标准实践，各个部件未按比例绘制，并且仅用于说明目的。实际上，为了清楚的讨论，各个部件的尺寸可以任意地增大或减小。
图1是根据本申请的一些实施例的MEMS结构的截面示意图；
图2是根据本申请的一些实施例的MEMS结构的截面示意图；
图3是根据本申请的一些实施例的MEMS结构的俯视图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
以下公开内容提供了许多不同的实施例或实例以实现本申请的不同特征。下面将描述元件和布置的特定实例以简化本申请。当然这些仅是实例并不旨在限定。例如，元件的尺寸不限于所公开的范围或值，但可能依赖于工艺条件和/或器件所需的性能。此外，在以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接触形成的实施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之间可以形成附加的部件，从而使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。为了简化和清楚，可以以不同的尺寸任意地绘制各个部件。
此外，为便于描述，空间相对术语如“在……之下(beneath)”、“在……下方(below)”、“下部(lower)”、“在……之上(above)”、“上部(upper)”等在本文可用于描述附图中示出的一个元件或部件与另一个(或另一些)元件或部件的关系。空间相对术语旨在包括除了附图中所示的方位之外，在使用中或操作中的器件的不同方位。装置可以其他方式定向(旋转90度或在其他方位上)，本文使用的空间相对描述符可同样地作相应解释。另外，术语“由……制成”可以意为“包括”或者“由……组成”。
根据本申请的实施例，提供了一种MEMS结构，应用于传声器或麦克风并且具有良好的可靠性。
如图1和图2所示，根据本申请实施例的MEMS结构，包括衬底10、压电复合振动层20和防漏声限位件30。以下将具体描述各个组成部分。
衬底10包括硅或任何合适的硅基化合物或衍生物(例如硅晶片、SOI、SiO2/Si上的多晶硅)。衬底10具有空腔11，可以使用DRIE(深反应离子蚀刻)或湿法蚀刻来形成空腔11。
在衬底10上方形成压电复合振动层20。压电复合振动层20包括固定端A和自由端B，固定端A连接至位于空腔11的第一侧的衬底材料上方，自由端B悬挂在空腔11的第二侧的衬底材料上方，空腔11的第一侧和第二侧相对设置，压电复合振动层20覆盖空腔11。换句话说，压电复合振动层20形成悬臂梁结构，从而在声压作用下振动。
形成具有固定端A和自由端B的悬臂梁结构可以包括两种方法。一种方法是在衬底10上方形成连接支撑层40，空腔11的第一侧的衬底材料的厚度等于空腔11的第二侧的衬底材料的厚度，固定端A通过连接支撑层40与衬底10连接。连接支撑层40的材料包括对聚二甲苯、聚酰亚胺、SiN、SiO2、多晶硅。另一种方法是蚀刻部分衬底10或应用牺牲层，使得空腔11的第一侧的衬底材料的厚度大于空腔11的第二侧的衬底材料的厚度，固定端A直接连接至位于空腔11的第一侧的衬底材料上，从而使得自由端B悬挂于空腔11的第二侧的衬底材料上方。
压电复合振动层20包括振动支撑层21、第一电极层22、第一压电层23、第二电极层24。振动支撑层21形成在衬底10上方，第一电极层22形成在振动支撑层21上方，第一压电层23形成在第一电极层22上方，第二电极层24形成在第一压电层23上方。振动支撑层21包括氮化硅(Si3N4)、氧化硅、单晶硅、多晶硅构成的单层或者多层复合膜结构或其他合适的支撑材料。考虑到控制振动支撑层21的应力问题，可以将振动支撑层21设置为多层结构以减小应力。形成振动支撑层21的方法包括热氧化法或化学气相沉积法。第一电极层22、第一压电层23和第二电极层24构成压电复合层。第一压电层23可将施加的压力转换成电压，第一电极层22和第二电极层24可将所产生的电压传送至其他集成电路器件。在一些实施例中，第一压电层23的材料包括氧化锌、氮化铝、有机压电膜、锆钛酸铅(PZT)、钙钛矿型压电膜中的一层或多层，或其他合适的材料。形成第一压电层23的方法包括磁控溅射法或其他合适的方法。第一电极层22和第二电极层24的材料包括铝、金、铂、钼、钛、铬以及它们组成的复合膜或其他合适的材料。形成第一电极层22和第二电极层24的方法包括物理气相沉积或其他合适的方法。
在一些实施例中，在没有设置振动支撑层21的实施例中，可以在第二电极层24上方依次形成第二压电层(图中未示出)和第三电极层(图中未示出)。因此，MEMS结构的压电复合层具有第一电极层22、第一压电层23、第二电极层24、第二压电层和第三电极层，从而构成了双晶片结构，提高了MEMS结构的压电转换效率。第二压电层的材料包括氧化锌、氮化铝、有机压电膜、锆钛酸铅(PZT)、钙钛矿型压电膜中的一层或多层，或其他合适的材料。第二压电层的材料和形成方法与第一压电层23的材料和形成方法可以相同，也可以不同。第三电极层的材料包括铝、金、铂、钼、钛、铬以及它们组成的复合膜或其他合适的材料。第三电极层的材料和形成方法与第一电极层22的材料和形成方法可以相同，也可以不同。
防漏声限位件30位于自由端B上方并且阻挡限制压电复合振动层20的自由端B的偏转。防漏声限位件30的材料包括对聚二甲苯、聚酰亚胺、SiN、SiO2、多晶硅。自由端B位于衬底10和防漏声限位件30之间，并且自由端B与防漏声限位件30在垂直方向上具有重叠区域。防漏声限位件30环绕压电复合振动层20的自由端B，或者防漏声限位件30仅覆盖压电复合振动层20的自由端B的一部分。防漏声限位件30包括第一部分和第二部分，第一部分与衬底10相接触，第二部分与第一部分相连并且用于阻挡压电复合振动层20的自由端B偏转。
如图3所示，关于电极层的设置，本申请提供了一种可能的实施例。例如，在压电复合振动层20仅具有第一电极层22和第二电极层24的实施例中，第一电极层22和第二电极层24分别具有相互隔离的多个分区，同一分区的第一电极层22与第二电极层24构成电极层对，不同分区之间的电极层对依次串联连接，以将MEMS结构所产生的电压通过引线导出。
在压电复合振动层20具有第一电极层22、第二电极层24和第三电极层的实施例中，第一电极层22、第二电极层24和第三电极层具有至少两个相互隔离的分区，同一分区内的第一电极层22的材料和第三电极层的材料电连接之后与第二电极层24的材料构成电极层对(即同一分区内的电极层对并联)，不同分区间的电极层对依次串联；或者同一分区内的第一电极层22的材料与第二电极层24的材料构成第一电极层对，并且第二电极层24的材料与第三电极层的材料构成第二电极层对(即同一分区内的电极层对串联)，第一电极层对与第二电极层对串联后构成电极层串，不同分区间的电极层串依次串联。
基于本申请所提供的MEMS结构，能够实现对压电复合振动层20的限位，降低了振动梁大幅度弯曲而折断的几率，提高了MEMS结构的可靠性。另一方面，防漏声限位件30增大了声阻，减小了低频漏声。
以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种MEMS结构，其特征在于，包括：
衬底，具有空腔；
压电复合振动层，包括固定端和自由端，所述固定端连接至位于所述空腔的第一侧的衬底材料上方，所述自由端悬挂在所述空腔的第二侧的衬底材料上方，所述压电复合振动层覆盖所述空腔，所述空腔的第一侧和第二侧相对设置；
防漏声限位件，位于所述自由端上方并且阻挡限制所述压电复合振动层的所述自由端的偏转。
2.根据权利要求1所述的MEMS结构，其特征在于，所述压电复合振动层包括：
第一电极层，形成在所述衬底上方；
第一压电层，形成在所述第一电极层上方；
第二电极层，形成在所述第一压电层上方。
3.根据权利要求2所述的MEMS结构，其特征在于，所述压电复合振动层还包括：
振动支撑层，形成在所述衬底和所述第一电极层之间。
4.根据权利要求2所述的MEMS结构，其特征在于，所述压电复合振动层还包括：
第二压电层，形成在所述第二电极层上方；
第三电极层，形成在所述第二压电层上方。
5.根据权利要求1所述的MEMS结构，其特征在于，所述空腔的第一侧的衬底材料的厚度等于所述空腔的第二侧的衬底材料的厚度，所述MEMS结构还包括位于所述衬底上方的连接支撑层，所述固定端通过所述连接支撑层与所述衬底连接。
6.根据权利要求1所述的MEMS结构，其特征在于，所述空腔的第一侧的衬底材料的厚度大于所述空腔的第二侧的衬底材料的厚度，所述固定端直接连接至位于所述空腔的第一侧的衬底材料上方，所述自由端悬挂于所述空腔的第二侧的衬底材料上方。
7.根据权利要求1所述的MEMS结构，其特征在于，所述自由端位于所述衬底和所述防漏声限位件之间，并且所述自由端与所述防漏声限位件在垂直方向上具有重叠区域。
8.根据权利要求1所述的MEMS结构，其特征在于，所述防漏声限位件环绕所述压电复合振动层的所述自由端；或者所述防漏声限位件仅覆盖所述压电复合振动层的所述自由端的一部分。
9.根据权利要求2所述的MEMS结构，其特征在于，所述第一电极层和所述第二电极层分别具有相互隔离的多个分区，同一分区的所述第一电极层的材料与所述第二电极层的材料构成电极层对，不同分区之间的所述电极层对依次串联连接。
10.根据权利要求4所述的MEMS结构，其特征在于，所述第一电极层、所述第二电极层和所述第三电极层具有至少两个相互隔离的分区，同一分区内的所述第一电极层的材料和所述第三电极层的材料电连接之后与所述第二电极层的材料构成电极层对，不同所述分区间的所述电极层对依次串联。
11.根据权利要求4所述的MEMS结构，其特征在于，所述第一电极层、所述第二电极层和所述第三电极层具有至少两个相互隔离的分区，同一分区内的所述第一电极层的材料与所述第二电极层的材料构成第一电极层对并且所述第二电极层的材料与所述第三电极层的材料构成第二电极层对，所述第一电极层对与所述第二电极层对串联后构成电极层串，不同所述分区间的所述电极层串依次串联。
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