CN110602616A - 一种高灵敏度mems压电式麦克风 - Google Patents
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Abstract
一种高灵敏度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，所述悬臂梁包括固定端和悬置于空腔上方的自由端，所述悬臂梁为一端窄另一端宽的结构，较窄的一端为固定端；所述空腔的底面中心设置有固定柱，多个所述悬臂梁的固定端均连接在所述固定柱的顶面，相邻的所述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，其中一个所述间隙内设置有用于引出所述悬臂梁电信号的连接段。本发明通过改变MEMS压电式麦克风内悬臂梁的结构形式，提高了麦克风的灵敏度和信噪比。
Description
技术领域
本发明涉及一种麦克风技术领域，尤其涉及一种高灵敏度MEMS压电式麦克风。
背景技术
麦克风是一种将声音信号转化为电信号的器件，广泛用于话筒、手机、PC和车载语音识别等设备中。历经长期发展，目前在麦克风的性能指标上，更注重于智能化、数字化以及小型化。如今MEMS压电式麦克风技术与航空航天、生物医学、消费电子、信息通信以及军工等领域结合得愈发紧密，对麦克风的可靠性和灵敏度提出了更高的要求。当前，电容式麦克风占据着主要市场份额，但压电式麦克风由于耐用、高灵敏度、低噪声和无需外接电源驱动等优点，在未来的气动声学领域将会有广泛应用。
传统的梁式压电麦克风的结构，梁的固定端设置在振动区域的外围，且在设计时没有充分考虑空气阻尼对器件性能的影响，因而会降低麦克风的灵敏度以及信噪比。专利CN201811650376公开了一种麦克风，但此公开技术中悬臂梁振膜的自由端未能把声波能量有效地最大化吸收，能量损耗较大，从而导致此类麦克风灵敏度欠缺；专利CN201821645803公开了一种麦克风，此公开技术利用悬臂梁自由端共同连接的覆盖膜来保持各个悬臂梁的同步振动，以确保麦克风信号输出的稳定性，但会使悬臂梁的振幅无法最大化，使麦克风的灵敏度降低。因此，需采取改进悬臂梁的结构来改善麦克风的性能。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种高灵敏度MEMS压电式麦克风，具体技术方案为：
一种高灵敏度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，所述悬臂梁包括固定端和悬置于空腔上方的自由端，所述悬臂梁为一端窄另一端宽的结构，其中，较窄的一端为固定端；所述空腔的底面中心设置有固定柱，多个所述悬臂梁的固定端均连接在所述固定柱的顶面，相邻的所述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，其中一个所述间隙内设置有用于引出所述悬臂梁电信号的连接段。
进一步地，所述悬臂梁呈梯形结构，其数量为四个，四个所述悬臂梁围成矩形结构。
进一步地，所述悬臂梁呈梯形结构，其数量为六个，六个所述悬臂梁围成六边形结构。
进一步地，所述晶圆衬底为SOI晶圆衬底，其顶面、固定柱的顶面和悬臂梁均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底电极、压电薄膜和顶电极。
进一步地，所述连接段连接固定柱上的压电叠层结构与晶圆衬底上的压电叠层结构，所述晶圆衬底顶面的外侧分别设置有用于引出底电极电信号的底引出电极和用于引出顶电极电信号的顶引出电极。
进一步地，所述底引出电极与所述顶电极之间设置有绝缘层。
进一步地，多个所述悬臂梁的底电极和顶电极均采用并联连接。
进一步地，所述柔性弹性件为具有弹性的波形结构。
进一步地，所述晶圆衬底为Si晶圆衬底，其顶面、固定柱的顶面和悬臂梁均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下电极、第一压电薄膜、中间电极、第二压电薄膜和上电极。
有益效果：
本发明通过改变MEMS压电式麦克风内悬臂梁的结构形式，提高了麦克风的灵敏度；同时，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为本发明具有六个悬臂梁的单晶片式麦克风的俯视图。
图2为本发明具有四个悬臂梁的单晶片式麦克风的俯视图。
图3为本发明单晶片式麦克风的A-A剖视图。
图4为本发明单晶片式麦克风的B-B剖视图。
图5为本发明单晶片式麦克风的C-C剖视图。
图6为本发明双晶片式麦克风的剖视图。
图中：1 SOI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底电极，22压电薄膜，23顶电极，24间隙，3固定柱，4连接段，5柔性弹性件，6底引出电极，61第三绝缘层，7顶引出电极，8双晶片悬臂梁，81下电极，82第一压电薄膜，83中间电极，84第二压电薄膜，85上电极，86第一引出电极，87第二引出电极，88第四绝缘层，9 Si晶圆衬底。
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至图5所示，一种高灵敏度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，所述悬臂梁包括固定端和悬置于空腔14上方的自由端，所述悬臂梁为一端窄另一端宽的结构，其中，较窄的一端为固定端；所述空腔14的底面中心设置有固定柱3，多个所述悬臂梁的固定端均连接在所述固定柱3的顶面，相邻的所述悬臂梁之间均设置有间隙24，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5，其中一个所述间隙24内设置有用于引出所述悬臂梁电信号的连接段4。
如图1所示，在一个实施例中，所述悬臂梁呈梯形结构，其数量为四个，悬臂梁的梯形结构的短边均匀地固定连接在固定柱3上(图中虚线所示即为固定柱3的俯视图)，以使四个所述悬臂梁围成矩形结构。
如图2所示，在另一个实施例中，所述悬臂梁呈梯形结构，其数量为六个，悬臂梁的梯形结构的短边均匀地固定连接在固定柱3上(图中虚线所示即为固定柱3的俯视图)，以使六个所述悬臂梁围成六边形形结构。
然而应当理解，在其他的实施例中，所示压电悬梁臂的数量为任意所需的数量，其结构为任意形状，只需满足这些悬臂梁的结构为一端窄另一端宽，且其窄端均匀连接在固定柱3上后能使这些悬臂梁形成规则的形状。
在本实施例中，以六个梯形结构的悬臂梁围成正六边形结构为例进行说明。
本实施例中，单晶片悬臂梁2的制作方法：
步骤一：所述晶圆衬底选用带有空腔14的SOI(长在绝缘衬底上的硅)晶圆衬底，其包括第一绝缘层11、过渡层12和第二绝缘层13，第一绝缘层11和第二绝缘层13的材料均为硅，过渡层12的材料二氧化硅。
步骤二：在SOI晶圆衬底1的顶面和固定柱3的顶面通过沉积溅射等方式，生长出从下至上依次为底电极21、压电薄膜22和顶电极23的单晶片的压电叠层结构，其中，底电极21的材料为钼，压电薄膜22的材料为氮化铝，顶电极23的材料为钼。
步骤三：进一步地，对顶电极23做图案化处理，保留靠近固定端的顶电极23。
步骤四：在器件上表面旋涂光刻胶，需要刻蚀部位的光刻胶经曝光后清洗去除，依次刻蚀顶电极23、压电薄膜22、底电极21、第二绝缘层13、过渡层12，形成单晶片悬臂梁2和相邻的单晶片悬臂梁2之间的间隙24。
如图2、图4所示，刻蚀后形成的六个单晶片悬臂梁2的梯形结构的短边固定于与其固定柱3的顶部，单晶片悬臂梁2的宽边悬空于空腔14的上方以形成自由端。在本实施例中，对单晶片悬臂梁2上的顶电极23作光刻处理，在所述单晶片悬臂梁2上只保留靠近固定端的部分顶电极23，在发生振动时，单晶片悬臂梁2的应力应变主要集中在靠近固定端的部分，这一部分压电材料上下表面产生的电荷量更多，这样布置顶电极23可有效增加麦克风器件的信号输出。所述单晶片悬臂梁2的自由端相对于固定端的面积较大，与Vesper公司推出的麦克风产品所设置的单晶片悬臂梁2结构相反，在同等器件面积、同等声波强度的条件下，所述自由端所接受声波而发生振动的振幅更大，单晶片悬臂梁2产生更大的应力应变，输出的电信号更强，灵敏度更高。特别地，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的自由端之间刻蚀有柔性弹性件5，所述柔性弹性件5设置在间隙24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；所述柔性弹性件5与单晶片悬臂梁2可同时通过图案化刻蚀制得。
如图2、图3所示，其中右侧的一个所述间隙24内具有用于引出电信号的连接段4，使其能引出单晶片悬臂梁2和固定柱3上的底电极21和顶电极23上的电信号，其结构形式如图3所示，选用定制的带有所需空腔14的SOI晶圆衬底1，在刻蚀形成空腔14时在空腔14内留有所述连接段4结构，所述连接段4用于连接固定柱3上的压电叠层结构和SOI晶圆衬底1的压电叠层结构的外侧部分。所述SOI晶圆衬底1的顶面靠外侧分别设置有用于引出底电极21电信号的底引出电极6和用于引出顶电极23电信号的顶引出电极7，从而把电信号进行输出；单晶片悬臂梁2和固定柱3上产生的电信号通过连接段4引出，每个所述单晶片悬臂梁2的底电极21均与底引出电极6相连接，顶电极23均与顶引出电极7相连接，以使单晶片悬臂梁2形成并联的方式连接。其中，如图3、图5所示，在引出底电极21和顶电极23的电信号时，在SOI晶圆衬底1顶面的顶电极23的上表面沉积第三绝缘层61，再分别刻蚀一定深度至露出所述底电极21和所述顶电极23，再沉积一层金属层，进一步把金属层光刻图案化形成顶引出电极7和底引出电极6，所述第三绝缘层61的材料为二氧化硅，所述顶引出电极7和底引出电极6的材料可为铝、金等。
如图4所示，声波信号通过空气等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，通过所述底电极21和所述顶电极23引出电信号。相邻单晶片悬臂梁2之间留有一定宽度的间隙24，可减小单晶片悬臂梁2振动时空气阻尼的影响，同时减小空腔14中空气振动给单晶片悬臂梁2的振动带来的干扰，提高麦克风器件的信噪比。
如图6所示，在另一个实施例中，所述MEMS压电式麦克风的悬臂梁可制作成双晶片悬臂梁8；具体地，所述MEMS压电式麦克风包括Si晶圆衬底9，在所述Si晶圆衬底9的顶面由下至上通过沉积溅射等方式形成下电极81、第一压电薄膜82、中间电极83、第二压电薄膜84和上电极85，在通过刻蚀形成中心保留固定柱3的空腔14、多个所述双晶片悬臂梁8、相邻双晶片悬臂梁8之间的间隙24和相邻双晶片悬臂梁8的自由端连接的能使双晶片悬臂梁8同步振动的柔性弹性件5，所述双晶片悬臂梁8的下电极81和上电极85均采用并联连接，其中一个所述间隙24内设置有用于引出电信号的连接段4，所述连接段4与所述固定柱3和Si晶圆衬底9通过刻蚀一体成型。在双晶片悬臂梁8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8的中性轴位于中间电极83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8发生振动时，第一压电薄膜82与第二压电薄膜84的应力应变相反，两层压电薄膜22的极化方向相同，与中间电极83相接触的第一、第二压电薄膜84的两个表面产生的电荷符号相同，第一压电薄膜82的下表面与第二压电薄膜84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，下电极81和上电极85的电信号通过第一引出电极86引出，中间电极83的电信号通过第二引出电极87引出，所述第二引出电极87下方设有与上电极85相隔离的第四绝缘层88；第一引出电极86和第二引出电极87设置于Si晶圆衬底9的顶部外侧。采用所述双晶片悬臂梁8，利用这种特性的信号叠加，可显著增加MEMS压电式麦克风的信号输出，提高器件灵敏度。然而应当理解，采用Si晶圆衬底9所制得的双晶片悬臂梁8结构，其未详尽说明之处均与SOI晶圆衬底1所制得的单晶片悬臂梁2结构类似。
本发明提供的技术方案能有效提高压电式麦克风的灵敏度以及信噪比，且提供的新结构制造工艺简单，与CMOS工艺兼容，便于微型麦克风的大批量生产。
Claims (9)
1.一种高灵敏度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，所述悬臂梁包括固定端和悬置于空腔上方的自由端，特征在于：所述悬臂梁为一端窄另一端宽的结构，其中，较窄的一端为固定端；所述空腔的底面中心设置有固定柱，多个所述悬臂梁的固定端均连接在所述固定柱的顶面，相邻的所述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，其中一个所述间隙内设置有用于引出所述悬臂梁电信号的连接段。
2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度MEMS压电式麦克风，其特征在于：所述悬臂梁呈梯形结构，其数量为四个，四个所述悬臂梁围成矩形结构。
3.根据权利要求1所述的一种高灵敏度MEMS压电式麦克风，其特征在于：所述悬臂梁呈梯形结构，其数量为六个，六个所述悬臂梁围成六边形结构。
4.根据权利要求2或3所述的一种高灵敏度MEMS压电式麦克风，其特征在于：所述晶圆衬底为SOI晶圆衬底，其顶面、固定柱的顶面和悬臂梁均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底电极、压电薄膜和顶电极。
5.根据权利要求4所述的一种高灵敏度MEMS压电式麦克风，其特征在于：所述连接段连接固定柱上的压电叠层结构与晶圆衬底上的压电叠层结构，所述晶圆衬底顶面的外侧分别设置有用于引出底电极电信号的底引出电极和用于引出顶电极电信号的顶引出电极。
6.根据权利要求5所述的一种高灵敏度MEMS压电式麦克风，其特征在于：所述底引出电极与所述顶电极之间设置有绝缘层。
7.根据权利要求5所述的一种高灵敏度MEMS压电式麦克风，其特征在于：多个所述悬臂梁的底电极和顶电极均采用并联连接。
8.根据权利要求1所述的一种高灵敏度MEMS压电式麦克风，其特征在于：所述柔性弹性件为具有弹性的波形结构。
9.根据权利要求2或3所述的一种高灵敏度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、固定柱的顶面和悬臂梁均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下电极、第一压电薄膜、中间电极、第二压电薄膜和上电极。
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