CN111146327A - 单晶压电结构及其制造方法、单晶压电层叠结构的电子设备 - Google Patents

单晶压电结构及其制造方法、单晶压电层叠结构的电子设备 Download PDF

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庞慰
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Abstract

本发明涉及单晶压电结构及其制造方法，及单晶压电层叠结构，以及电子设备。单晶压电结构包括：层叠结构，包括在单晶压电结构的厚度方向上层叠设置的多个压电层与多个电极，每个压电层为单晶压电层，每个压电层的上下两侧设置有电极，每个压电层及其上下两侧的电极构成薄膜结构，每个薄膜结构具有上、下电极层以及位于上、下电极层之间的压电层；基底，层叠结构设置于基底；声学镜，其中：在厚度方向上，位于上层的薄膜结构中的至少一层的面积不大于位于下层的薄膜结构中的对应层的面积，和/或位于上层的薄膜结构作为整体的面积不大于位于下层的薄膜结构作为整体的面积，和/或每一个薄膜结构中上电极层的面积≤压电层的面积≤下电极层的面积。

Description

单晶压电结构及其制造方法、单晶压电层叠结构的电子设备
技术领域
本发明的实施例涉及半导体领域，尤其涉及一种单晶压电结构及其制造方法，一种单晶压电层叠结构，以及一种具有该结构的电子设备。
背景技术
MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)是微机电系统的简称。MEMS器件内部结构尺寸一般是微米或纳米级别，同时MEMS是一个独立的智能系统。MEMS器件能够将一种形式的能量转换为另一种形式的能量，如将电能转化为机械能或者机械能转化为电能。本发明中所涉及到的MEMS换能器是指能将声波的机械能和电能相互转换的换能器。一般来说，MEMS器件需要压电材料实现不同形式的能量转换。当在压电材料上施以交变电场时，压电材料将按所施交变电场的频率而振动，若所施交变电场的频率刚好是该MEMS器件的谐振频率，则振幅值将大大增加，在该频率处具有更高的能量转换效率，当MEMS器件作为换能器时具有较大的发射灵敏度。另一方面，当声波传至压电材料上，将引起压电材料的振动和形变，这一振动又将在压电材料的两端电极上引起交变的电荷分布，当声波频率是在MEMS器件的谐振频率点时，在该频率处具有更高的能量转换效率，当MEMS器件作为换能器时具有较大的接收灵敏度。
传统压电MEMS器件的压电薄膜材料大多采用磁控溅射等物理或化学沉积技术制备，为多晶压电薄膜，其压电特性较差(主要体现为机电耦合系数较低)，缺陷密度较高(主要体现为品质因数较低)，散热性不佳(主要体现为功率容量较低)，而且晶向选择有限(无法选择器件设计的最优晶向和压电系数)。这些缺陷导致多晶压电MEMS器件性能不够好，如Q值不高、灵敏度不高、插入损耗较高等。
发明内容
为缓解或解决现有技术中的上述问题的至少一个方面，提出本发明。
根据本发明的实施例的一个方面，提出了一种单晶压电结构，包括：
多个压电层，每一个压电层为单晶压电层；
多个电极，每个压电层的上下两侧设置有电极，所述多个压电层与所述多个电极共同形成在单晶压电结构的厚度方向上层叠的层叠结构，每个压电层及其上下两侧的电极一起构成一个薄膜结构，每一个薄膜结构具有上电极层、下电极层以及位于上电极层与下电极层之间的压电层；
基底，层叠结构设置在基底上；
声学镜，
其中：
所述多个压电层、多个电极与声学镜在压电层的厚度方向上的重叠区域构成所述单晶压电结构的有效区域；
在单晶压电结构的厚度方向上，位于上层的薄膜结构中的至少一层的面积不大于位于下层的薄膜结构中的对应层的面积，和/或位于上层的薄膜结构作为整体的面积不大于位于下层的薄膜结构作为整体的面积，和/或每一个薄膜结构中上电极层的面积≤压电层的面积≤下电极层的面积。
本发明的实施例还涉及一种单晶压电结构的制造方法，包括步骤：
提供基底；
设置声学镜；
提供层叠结构，即在基底的一侧设置由多个压电层与多个电极层叠形成的层叠结构，其中每个压电层的上下两侧设置有电极，且所述多个压电层、多个电极与声学镜在压电层的厚度方向上的重叠区域构成所述单晶压电结构的有效区域，每个压电层及其上下两侧的电极一起构成一个薄膜结构，每一个薄膜结构具有上电极层、下电极层以及位于上电极层与下电极层之间的压电层；和
在单晶压电结构的厚度方向上，使得位于上层的薄膜结构中的至少一层的面积不大于位于下层的薄膜结构中的对应层的面积，和/或位于上层的薄膜结构作为整体的面积不大于位于下层的薄膜结构作为整体的面积，和/或每一个薄膜结构中上电极层的面积≤压电层的面积≤下电极层的面积。
本发明的实施例也涉及一种单晶压电层叠结构，包括在单晶压电层叠结构的厚度方向上层叠设置的多个压电层与多个电极，其中：
每一个压电层为单晶压电层，每个压电层的上下两侧设置有电极，每个压电层及其上下两侧的电极一起构成一个薄膜结构，每一个薄膜结构具有上电极层、下电极层以及位于上电极层与下电极层之间的压电层；且
在单晶压电层叠结构的厚度方向上，位于上层的薄膜结构中的至少一层的面积不大于位于下层的薄膜结构中的对应层的面积；和/或位于上层的薄膜结构作为整体的面积不大于位于下层的薄膜结构作为整体的面积，和/或每一个薄膜结构中上电极层的面积≤压电层的面积≤下电极层的面积。
本发明的实施例还涉及一种电子设备，包括上述的单晶压电结构或根据上述的方法制造的单晶压电结构或上述的单晶压电层叠结构。
附图说明
以下描述与附图可以更好地帮助理解本发明所公布的各种实施例中的这些和其他特点、优点，图中相同的附图标记始终表示相同的部件，其中：
图1为根据本发明的一个示例性实施例的单晶压电MEMS器件的剖面示意图；
图2为根据本发明的另一个示例性实施例的单晶压电MEMS器件的剖面示意图，其中器件结构还设置有附加结构；
图3为根据本发明的再一个示例性实施例的单晶压电MEMS器件的剖面示意图，其中器件的层叠结构设置有通孔；
图4为根据本发明的一个示例性实施例的单晶耦合谐振滤波器的剖面示意图；
图5为图4中的单晶压电耦合谐振滤波器的示意性俯视图；
图6A-6D为示例性说明图1中的单晶压电MEMS器件的制造方法的过程图；
图7为现有技术中的在已有图案上制备多晶压电薄膜的示例性剖视图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。
本发明提出了一种利用单晶压电薄膜材料的MEMS器件结构。单晶压电薄膜材料能够弥补传统多晶压电薄膜材料中所存在的不足，由其加工制作的压电MEMS器件具有更高的机电耦合系数、更高的Q值、更高的功率容量、更高的灵敏度、更低的插入损耗等。本发明中所提出的器件结构是一种适用于多种单晶压电MEMS器件的通用性结构，可用于单晶压电MEMS超声波换能器(Ultrasonic Transducers)、单晶压电MEMS麦克风(Microphone)、单晶压电MEMS扬声器(Speaker)和单晶压电MEMS水听器(Hydrophone)、单晶压电耦合谐振滤波器(Coupled Resonator Filter)等。由于单晶压电薄膜的制备方式与传统多晶压电薄膜不同，单晶压电MEMS器件的制造方法、器件结构等也与传统多晶压电MEMS器件有很大区别。
图1为根据本发明的一个示例性实施例的单晶压电MEMS器件的剖面示意图。图1中，01为器件的基底；10为器件底部的空腔结构，在本实施例中，空腔结构为穿过基底的通孔，10为器件的声学镜结构，其也可以是其他等效形式；02为器件的底电极；03为器件的第一单晶压电层；04为器件的中间电极；05为器件的第二单晶压电层；06为器件的顶电极；07为顶电极连接部；08为中间电极连接部；09为底电极连接部。
在本发明中，每个压电层及其上下两侧的电极一起构成一个薄膜结构，每一个薄膜结构具有上电极层、下电极层以及位于上电极层与下电极层之间的压电层。如能够理解的，两个在厚度方向上相邻的薄膜结构可以共用电极层，例如上薄膜结构的下电极可以作为下薄膜结构的上电极。
在本发明中，第一单晶压电层和第二单晶压电层的材料可以都为单晶铌酸锂(LiNbO3)材料。也可以为其他材料，例如单晶钽酸锂(LiTaO3)、单晶氮化铝(AlN)、石英(Quartz)、单晶锆钛酸铅(PZT)、铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)中的至少一种。在本发明中，电极组成材料可以是钼、钌、金、铝、镁、钨、铜，钛、铱、锇、铬或以上金属的复合或其合金等。基底可以为硅(Si)、单晶铌酸锂(LiNbO3)、碳化硅(SiC)、蓝宝石(Al2O3)、石英(Quartz)等。
此外，在图1中，顶电极、第二单晶压电层、中间电极、第一单晶压电层、底电极和空腔在垂直方向上重叠的区域为单晶压电MEMS器件的有效区域，如图1中D区域所示。
为了提高单晶压电MEMS器件的性能，如提高能量转化效率，也为了便于合理连接电极等，在本发明中，上层薄膜结构的面积始终小于等于下层薄膜结构的面积。这样的要求不同于多晶压电MEMS器件，因为针对多晶压电MEMS器件，通常情况下下部电极小于上部电极面积会提高器件性能；而单晶压电MEMS器件则是上层薄膜结构的面积始终小于等于下层薄膜结构的面积时性能更佳。后面参照附图6A-6D具体提及的，通过光刻、刻蚀等加工方法，先将顶电极06、第二单晶压电层05右侧的一部分去除掉，露出中间电极04的一部分作为中间电极连接部08；再将顶电极06、第二单晶压电层05、中间电极04和第一单晶压电层03左侧的一部分刻蚀掉，露出底电极02的一部分作为底电极连接部09。
在本发明中，参见图1，底电极连接部09位于有效区域的左侧，而中间电极连接部08位于有效区域的右侧。在本发明中，电极连接部位于有效区域的一侧，表示其在有效区域的外侧，且在例如图示的图中，位于有效区域的左边或者右边。
此外，从器件加工角度，如图6A-6D所示的，器件加工的初始状态为多层均匀薄膜(电极层和单晶压电层)堆叠置于基底之上(即叠置结构整体设置在基底之上)，然后采用传统MEMS工艺加工(如光刻和刻蚀工艺)。如图6A所示，由于单晶压电薄膜的制备工艺难度远大于多晶压电薄膜，为了保证单晶压电薄膜的质量，单晶压电薄膜仅在平面上(未经图案化的基底和电极薄膜上)制备。采用传统MEMS工艺加工叠置结构之后，器件的最终结构可以为上层薄膜结构的面积始终小于等于下层薄膜结构的面积。
图6A-6D所示的加工方式与多晶压电MEMS器件的加工不同。图7示出了多晶压电MEMS器件可以在已经有图案的电极上制备多晶压电薄膜，如图7所示，其中20为基底、24为空腔、21为底电极、22为压电层、23为顶电极，其底电极薄膜结构的面积小于压电层和顶电极薄膜结构的面积。可见：(1)在传统多晶压电MEMS器件中，多采用自下而上的加工方式，其关键步骤是，在溅射底电极后对底电极先进行图形化再继续生长压电层，从而导致压电层在电极边缘处容易发生断裂或晶向改变导致机电耦合系数下降；(2)而针对单晶压电器件，由于单晶生长对界面材料、界面结晶度、界面洁净度、粗糙度、平整度要求极高，因此，直接在已经图形化的底电极上生长单晶材料会恶化材料特性，如晶向和致密度等)。可见，基于器件加工的初始状态(多层均匀薄膜)和单晶压电材料性能，在本专利中，上层薄膜结构的面积可以始终小于等于下层薄膜结构的面积。
虽然在图示的实施例中示出了上层薄膜结构的面积均小于下层薄膜结构的面积，但是，如上所提及的，也可以使得上层薄膜结构的面积均等于下层薄膜结构的面积。
在本发明中，在单晶压电结构的厚度方向上，位于上层的薄膜结构中的至少一层的面积不大于位于下层的薄膜结构中的对应层(这里的对应，例如上电极层对上电极层，压电层对压电层，下电极层对下电极层)的面积，或者上层的薄膜结构作为一个整体其面积不大于下层的薄膜结构作为整体的面积的情况。
在本发明实施例中，由于单晶压电MEMS器件的结构为五层薄膜堆叠结构，其能量转化效率比普通三层结构高一倍。而且由于第一压电层和第二压电层所用的材料都是单晶压电材料，使得器件的机电耦合系数也要比普通多晶压电材料的要高，因此对应的单晶压电MEMS器件的发射、接收灵敏度更高、插入损耗更低。从压电层晶向选择角度可以进一步优化单晶压电MEMS器件的能量转化效率，第一压电层和第二压电层的晶向为同向或反向。需要指出的是，这里的晶向可以为任意选定的方向，因为单晶薄膜的特点为可以根据器件设计需要提供任意晶向的薄膜；而多晶压电薄膜则不然，一般只有在一个固定的晶向方向上其制备的薄膜压电特性才能得到保证，因此多晶压电薄膜很难根据设计要求提供晶向在任意方向下的同向或反向压电薄膜组合。
图2为根据本发明的另一个示例性实施例的单晶压电MEMS器件的剖面示意图，其中器件结构还设置有附加结构。图2所示的实施例与图1所示结构相似，不同之处在于，在第二单晶压电层05的右侧存在一部分结构11，其与第二单晶压电层的材料形同；在中间电极04的左右两侧存在一部分结构12，其与中间电极的材料相同；在第一单晶压电层03的左右两侧存在一部分结构13，其与第一单晶压电层的材料相同；在底电极02的左侧存在一部分结构14，其与底电极的材料相同。上述附加结构位于其所在的同层电极或同层压电层的外侧且与其在横向方向上间隔开。可以同时设置上述附加结构，也可以仅仅设置其中的一部分。
在本实施中，增加的部分结构11、12、13、14，能够起到增加单晶压电MEMS器件机械强度的作用，使其结构更为稳定，能够适应更加复杂的应用环境。另外，增加的部分结构还能作为单晶压电MEMS器件外部的匹配电路或元器件或电路连接部分使用。
图3为根据本发明的再一个示例性实施例的单晶压电MEMS器件的剖面示意图，其中器件的层叠结构设置有通孔。图3所示的实施例与图1所示结构相似，不同之处在于，在器件中间部分设置有一通孔15，形成了典型的压电麦克风器件，通孔15的存在能够大幅提升压电麦克风的灵敏度。该器件的工作原理是当外界声压作用于单晶压电薄膜时，单晶压电薄膜在外界应力的作用下会产生电荷(或电压)，这种效应称为正压电效应，与之对应的是逆压电效应。这样该器件便通过单晶压电材料，将声能转化为电能，产生的电压通过电极接出，并输入到ASC放大电路，这样就可以利用麦克风输出的电压。
图4为根据本发明的一个示例性实施例的单晶压电耦合谐振滤波器的剖面示意图。图4所示的实施例与图1中所示的结构相似，不同之处在于，图4中，中间电极包括了两层金属层(即电极17与04)和解耦层16，形成了典型的耦合谐振滤波器，即由两个谐振器在垂直方向上重叠放置并声学解耦形成。在图4中，10为空腔结构，其为穿过基底01的通孔；02为第一谐振器的底电极；03为第一谐振器的单晶压电层；04为第一谐振器的顶电极；16为解耦层，其可以为单层钝化层或者不同声阻抗材料构成的多层钝化层；17为第二谐振器的底电极；05为第二谐振器的单晶压电层；06为第二谐振器的顶电极。
另外，在本实施例中，如图4所示，上层薄膜的面积始终要小于等于下层薄膜的面积，这样可以将各电极层的连接部分裸露出来。其中07为第二谐振器顶电极的电极连接部分，19为第二谐振器底电极的电极连接部分，08为第一谐振器顶电极的电极连接部分，09为第一谐振器底电极的电极连接部分。
在本实施例中，由于第一谐振器和第二谐振器的压电层材料都是单晶压电材料，所以其可以提高谐振器的机电耦合系数、品质因数和功率容量，以及由其形成的耦合谐振滤波器的插入损耗、相邻频带的抑制率等性能也大幅提高。并且，由于单谐振器被一对堆叠谐振器所代替，实现滤波器所需的总面积减小，因此实现了最小尺寸和制造成本的降低，同时解耦层的引入可以让滤波器的带宽远大于其他形式的滤波器构架。
另一方面，图4的实施例结构也适用于其他单晶压电MEMS器件，如超声换能器、麦克风、扬声器、水听器等。解耦层16可以起到增大压电层05和03应变的作用，进而提高器件的发射灵敏度和接收灵敏度。
图5为图4中的单晶压电耦合谐振滤波器的示意性俯视图。在图5中清楚的表现出了耦合谐振器滤波器中各个谐振器的电极连接部分示意图，可以看到从上到下，上层薄膜的面积始终小于等于下层薄膜的面积。其中，06的左侧部分为第二谐振器的顶电极的电极连接部分，19为第二谐振器的底电极的电极连接部分，08为第一谐振器的顶电极的电极连接部分，09为第一谐振器的底电极的电极连接部分。
在图5中，可以看到，底电极的电极连接部09既包括了在有效区域的左侧(图4中)的一部分，也包括在有效区域的右侧的一部分。
图6A-6D为示例性说明图1中的单晶压电MEMS器件的制造方法的过程图。
图6A所示为提供的包含单晶压薄膜03和05，以及底电极02、中间电极04和顶电极06的多层薄膜基底结构。
如图6B所示，通过光刻、刻蚀等工艺将顶电极06和第二单晶压电薄膜05右侧的一部分(这里的顶电极06和第二单晶压电薄膜05右侧的一部分构成层结构，需要指出的是，这里的层结构表示在单晶压电结构的厚度方向上位于该电极连接部分上方的所有层所构成的结构)刻蚀掉，露出中间电极08的一部分作为中间电极的连接部分。
然后，在通过类似的工艺方法，如图6C所示，将顶电极06、第二单晶压电薄膜05、中间电极08、第一单晶压电薄膜03左侧的一部分(这里的顶电极06、第二单晶压电薄膜05、中间电极08、第一单晶压电薄膜03左侧的一部分构成层结构)刻蚀掉，露出底电极09的一部分作为中间电极的连接部分。
从图6C或图1可以看到，电极连接部分08的顶面与顶电极06的顶面组成台阶面。
最后，在通过键合、机械抛光、深硅刻蚀等工艺，如图6D所示，在基底01上形成贯穿基底的通孔结构10，即位于底电极下方的空腔。
虽然没有示出，对于图4中所示的结构，也可以采用类似的方法露出各个相应的电极连接部分。从图4可以看出，电极连接部分19和08的端部在图中有效区域的右侧依次错开以使得电极连接部分19和08的顶面组成台阶面。这里的依次错开，表示在下层的电极连接部分的端部位于在上层的电极连接部分的端部的外侧。在本发明中，外侧是指在横向方向或者径向方向上更远离有效区域的中心的一侧，而内侧是指在横向方向或者径向方向上更靠近有效区域的中心的一侧。
虽然没有示出，所有电极的电极连接部分或者除了顶电极的之外的其他电极的电极连接部分都可以位于有效区域的一侧。
基底之上的层叠结构也可以作为一个单独的部件应用于其他电子设备中。
在本发明中，在图中结构中，以基底01为下、顶电极06为上确定上下方向，此外，各层朝上的表面为上表面，各层朝下的表面为下表面。
基于以上，本发明提出了如下技术方案：
1、一种单晶压电结构，包括：
层叠结构，所述层叠结构包括在单晶压电结构的厚度方向上层叠设置的多个压电层与多个电极，其中，每一个压电层为单晶压电层，每个压电层的上下两侧设置有电极，每个压电层及其上下两侧的电极一起构成一个薄膜结构，每一个薄膜结构具有上电极层、下电极层以及位于上电极层与下电极层之间的压电层；
基底，层叠结构设置在基底上；
声学镜，
其中：
所述多个压电层、多个电极与声学镜在压电层的厚度方向上的重叠区域构成所述单晶压电结构的有效区域；且
在单晶压电结构的厚度方向上，层叠结构中：位于上层的薄膜结构中的至少一层的面积不大于位于下层的薄膜结构中的对应层的面积；和/或位于上层的薄膜结构作为整体的面积不大于位于下层的薄膜结构作为整体的面积，和/或每一个薄膜结构中上电极层的面积≤压电层的面积≤下电极层的面积。
2、根据1所述的单晶压电结构，其中：
所述多个压电层包括第一压电层与第二压电层，所述多个电极包括底电极、中间电极和顶电极，层叠结构中，底电极、第一压电层、中间电极、第二压电层、顶电极依次叠置。
3、根据1所述的单晶压电结构，其中：
所述多个压电层包括第一压电层与第二压电层；
所述多个电极包括底电极、第一中间电极、第二中间电极和顶电极；
所述层叠结构还包括耦合层，耦合层设置在第一中间电极与第二中间电极之间；且
层叠结构中，底电极、第一压电层、第一中间电极、耦合层、第二中间电极、第二压电层、顶电极依次叠置。
4、根据1-3中任一项所述的单晶压电结构，其中：
层叠结构中：位于上层的薄膜结构中的至少一层的面积小于位于下层的薄膜结构中的对应层的面积，和/或位于上层的薄膜结构作为整体的面积小于位于下层的薄膜结构作为整体的面积，和/或每一个薄膜结构中上电极层的面积＜压电层的面积小于下电极层的面积。
5、根据4所述的单晶压电结构，其中：
所述单晶压电结构的多个电极中除了位于顶层的顶电极之外，其他电极中的至少一个电极的电极连接部分上侧的层结构被移除以露出该电极连接部分。
6、根据5所述的单晶压电结构，其中：
顶电极之下的所有电极的电极连接部分上侧的层结构被移除以露出对应的电极连接部分。
7、根据6所述的单晶压电结构，其中：
顶电极之下的所有电极的电极连接部分均位于有效区域的同一侧或具有在有效区域的同一侧的部分；
电极连接部分的端部在所述同一侧依次错开以使得电极连接部分的顶面组成台阶面。
8、根据6所述的单晶压电结构，其中：
顶电极之下的至少一个电极的电极连接部分包括位于有效区域的一侧的部分，而顶电极之下的其他电极的电极连接部分位于有效区域的另一侧或具有在有效区域的另一侧的部分。
9、根据8所述的单晶压电结构，其中：
在有效区域的同侧的电极连接部分的个数不小于二的情况下，在有效区域的同侧的电极连接部分的端部依次错开且在同侧的电极连接部分顶面组成台阶面。
10、根据8或9所述的单晶压电结构，其中：
所述多个电极中位于最下层的底电极的电极连接部分位于有效区域的一侧或具有在有效区域的一侧的部分，而所述多个电极中除了顶电极与底电极之外的其他电极的电极连接部分位于有效区域的另一侧或具有在有效区域的另一侧的部分。
11、根据5所述的单晶压电结构，其中：
所述单晶压电结构还设置有附加结构，所述附加结构位于其所在的同层电极或同层压电层的外侧且与其在横向方向上间隔开。
12、根据11所述的单晶压电结构，其中：
所述附加结构包括设置在被露出的电极连接部分的外侧且与其在横向方向上间隔开的同层电极部和/或同层压电层部。
13、根据1所述的单晶压电结构，其中：
在单晶压电结构的厚度方向上，位于上层的薄膜结构中的每一层的面积不大于位于下层的薄膜结构中的对应层的面积。
14、根据1所述的单晶压电结构，其中：
第一压电层和第二压电层的晶向为同向或反向。
15、根据1-14中任一项所述的单晶压电结构，其中：
所述单晶压电结构在有效区域具有贯穿所述层叠结构的通孔。
16、根据1-14中任一项所述的单晶压电结构，其中：
压电层的材料包括单晶铌酸锂(LiNbO3)、单晶钽酸锂(LiTaO3)、单晶氮化铝(AlN)、石英(Quartz)、单晶锆钛酸铅(PZT)、铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)中的至少一种。
17、一种单晶压电结构的制造方法，包括步骤：
提供基底；
设置声学镜；
在基底的一侧设置层叠结构，所述层叠结构包括在单晶压电结构的厚度方向上层叠设置的多个压电层与多个电极，其中，每个压电层为单晶压电层，每个压电层的上下两侧设置有电极，且所述多个压电层、多个电极与声学镜在压电层的厚度方向上的重叠区域构成所述单晶压电结构的有效区域，每个压电层及其上下两侧的电极一起构成一个薄膜结构，每一个薄膜结构具有上电极层、下电极层以及位于上电极层与下电极层之间的压电层；和
在单晶压电结构的厚度方向上，使得层叠结构中：位于上层的薄膜结构中的至少一层的面积不大于位于下层的薄膜结构中的对应层的面积，和/或位于上层的薄膜结构作为整体的面积不大于位于下层的薄膜结构作为整体的面积，和/或每一个薄膜结构中上电极层的面积≤压电层的面积≤下电极层的面积。
18、根据17所述的方法，包括：
电极连接部分露出步骤：移除对应电极上方的层结构以露出该电极的电极连接部分。
19、根据18所述的方法，其中：
所述层叠结构包括由下而上依次设置的底电极、第一压电层、中间电极、第二压电层、顶电极；且
所述电极连接部分露出步骤包括：
移除在有效区域一侧的顶电极与第二压电层形成的层结构，以露出部分中间电极；
移除在有效区域的另一侧的顶电极、第二压电层、中间电极、第一压电层形成的层结构，以露出部分底电极。
20、根据18所述的方法，其中：
所述层叠结构包括由下而上依次设置的底电极、第一压电层、第一中间电极、耦合层、第二中间电极、第二压电层、顶电极；且
所述电极连接部分露出步骤包括：
移除在有效区域一侧的顶电极、第二压电层、第二中间电极、耦合层形成的层结构，以露出部分第一中间电极；
移除在有效区域一侧的顶电极与第二压电层形成的层结构，以露出部分第二中间电极；
移除在有效区域的另一侧的顶电极、第二压电层、第二中间电极、耦合层、第一中间电极、第一压电层形成的层结构，以露出部分底电极。
21、根据17-20中任一项所述的方法，其中：
“设置声学镜”的步骤包括在基底的另一侧形成贯穿基底的空腔结构。
22、一种单晶压电层叠结构，包括在单晶压电层叠结构的厚度方向上层叠设置的多个压电层与多个电极，其中：
每一个压电层为单晶压电层，每个压电层的上下两侧设置有电极，每个压电层及其上下两侧的电极一起构成一个薄膜结构，每一个薄膜结构具有上电极层、下电极层以及位于上电极层与下电极层之间的压电层；且
在单晶压电层叠结构的厚度方向上，位于上层的薄膜结构中的至少一层的面积不大于位于下层的薄膜结构中的对应层的面积；和/或位于上层的薄膜结构作为整体的面积不大于位于下层的薄膜结构作为整体的面积，和/或每一个薄膜结构中上电极层的面积≤压电层的面积≤下电极层的面积。
23、一种电子设备，包括根据1-16中任一项所述的单晶压电结构或根据17-21中任一项所述的方法制造的单晶压电结构或根据22所述的单晶压电层叠结构。
24、根据23所述的电子设备，其中：
所述单晶压电结构在有效区域具有贯穿所述层叠结构的通孔；且
所述电子设备包括具有所述单晶压电结构的MEMS压电麦克风器件。
25、根据23所述的电子设备，其中：
所述电子设备包括MEMS超声换能器、MEMS扬声器、MEMS水听器、单晶耦合谐振滤波器中的至少一种。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (25)

1.一种单晶压电结构，包括：
层叠结构，所述层叠结构包括在单晶压电结构的厚度方向上层叠设置的多个压电层与多个电极，其中，每一个压电层为单晶压电层，每个压电层的上下两侧设置有电极，每个压电层及其上下两侧的电极一起构成一个薄膜结构，每一个薄膜结构具有上电极层、下电极层以及位于上电极层与下电极层之间的压电层；
基底，层叠结构设置在基底上；
声学镜，
其中：
所述多个压电层、多个电极与声学镜在压电层的厚度方向上的重叠区域构成所述单晶压电结构的有效区域；且
在单晶压电结构的厚度方向上，层叠结构中：位于上层的薄膜结构中的至少一层的面积不大于位于下层的薄膜结构中的对应层的面积；和/或位于上层的薄膜结构作为整体的面积不大于位于下层的薄膜结构作为整体的面积，和/或每一个薄膜结构中上电极层的面积≤压电层的面积≤下电极层的面积。
2.根据权利要求1所述的单晶压电结构，其中：
所述多个压电层包括第一压电层与第二压电层，所述多个电极包括底电极、中间电极和顶电极，层叠结构中，底电极、第一压电层、中间电极、第二压电层、顶电极依次叠置。
3.根据权利要求1所述的单晶压电结构，其中：
所述多个压电层包括第一压电层与第二压电层；
所述多个电极包括底电极、第一中间电极、第二中间电极和顶电极；
所述层叠结构还包括耦合层，耦合层设置在第一中间电极与第二中间电极之间；且
层叠结构中，底电极、第一压电层、第一中间电极、耦合层、第二中间电极、第二压电层、顶电极依次叠置。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的单晶压电结构，其中：
层叠结构中：位于上层的薄膜结构中的至少一层的面积小于位于下层的薄膜结构中的对应层的面积，和/或位于上层的薄膜结构作为整体的面积小于位于下层的薄膜结构作为整体的面积，和/或每一个薄膜结构中上电极层的面积＜压电层的面积小于下电极层的面积。
5.根据权利要求4所述的单晶压电结构，其中：
所述单晶压电结构的多个电极中除了位于顶层的顶电极之外，其他电极中的至少一个电极的电极连接部分上侧的层结构被移除以露出该电极连接部分。
6.根据权利要求5所述的单晶压电结构，其中：
顶电极之下的所有电极的电极连接部分上侧的层结构被移除以露出对应的电极连接部分。
7.根据权利要求6所述的单晶压电结构，其中：
顶电极之下的所有电极的电极连接部分均位于有效区域的同一侧或具有在有效区域的同一侧的部分；
电极连接部分的端部在所述同一侧依次错开以使得电极连接部分的顶面组成台阶面。
8.根据权利要求6所述的单晶压电结构，其中：
顶电极之下的至少一个电极的电极连接部分包括位于有效区域的一侧的部分，而顶电极之下的其他电极的电极连接部分位于有效区域的另一侧或具有在有效区域的另一侧的部分。
9.根据权利要求8所述的单晶压电结构，其中：
在有效区域的同侧的电极连接部分的个数不小于二的情况下，在有效区域的同侧的电极连接部分的端部依次错开且在同侧的电极连接部分顶面组成台阶面。
10.根据权利要求8或9所述的单晶压电结构，其中：
所述多个电极中位于最下层的底电极的电极连接部分位于有效区域的一侧或具有在有效区域的一侧的部分，而所述多个电极中除了顶电极与底电极之外的其他电极的电极连接部分位于有效区域的另一侧或具有在有效区域的另一侧的部分。
11.根据权利要求5所述的单晶压电结构，其中：
所述单晶压电结构还设置有附加结构，所述附加结构位于其所在的同层电极或同层压电层的外侧且与其在横向方向上间隔开。
12.根据权利要求11所述的单晶压电结构，其中：
所述附加结构包括设置在被露出的电极连接部分的外侧且与其在横向方向上间隔开的同层电极部和/或同层压电层部。
13.根据权利要求1所述的单晶压电结构，其中：
在单晶压电结构的厚度方向上，位于上层的薄膜结构中的每一层的面积不大于位于下层的薄膜结构中的对应层的面积。
14.根据权利要求1所述的单晶压电结构，其中：
第一压电层和第二压电层的晶向为同向或反向。
15.根据权利要求1-14中任一项所述的单晶压电结构，其中：
所述单晶压电结构在有效区域具有贯穿所述层叠结构的通孔。
16.根据权利要求1-14中任一项所述的单晶压电结构，其中：
压电层的材料包括单晶铌酸锂(LiNbO3)、单晶钽酸锂(LiTaO3)、单晶氮化铝(AlN)、石英(Quartz)、单晶锆钛酸铅(PZT)、铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)中的至少一种。
17.一种单晶压电结构的制造方法，包括步骤：
提供基底；
设置声学镜；
在基底的一侧设置层叠结构，所述层叠结构包括在单晶压电结构的厚度方向上层叠设置的多个压电层与多个电极，其中，每个压电层为单晶压电层，每个压电层的上下两侧设置有电极，且所述多个压电层、多个电极与声学镜在压电层的厚度方向上的重叠区域构成所述单晶压电结构的有效区域，每个压电层及其上下两侧的电极一起构成一个薄膜结构，每一个薄膜结构具有上电极层、下电极层以及位于上电极层与下电极层之间的压电层；和
在单晶压电结构的厚度方向上，使得层叠结构中：位于上层的薄膜结构中的至少一层的面积不大于位于下层的薄膜结构中的对应层的面积，和/或位于上层的薄膜结构作为整体的面积不大于位于下层的薄膜结构作为整体的面积，和/或每一个薄膜结构中上电极层的面积≤压电层的面积≤下电极层的面积。
18.根据权利要求17所述的方法，包括：
电极连接部分露出步骤：移除对应电极上方的层结构以露出该电极的电极连接部分。
19.根据权利要求18所述的方法，其中：
所述层叠结构包括由下而上依次设置的底电极、第一压电层、中间电极、第二压电层、顶电极；且
所述电极连接部分露出步骤包括：
移除在有效区域一侧的顶电极与第二压电层形成的层结构，以露出部分中间电极；
移除在有效区域的另一侧的顶电极、第二压电层、中间电极、第一压电层形成的层结构，以露出部分底电极。
20.根据权利要求18所述的方法，其中：
所述层叠结构包括由下而上依次设置的底电极、第一压电层、第一中间电极、耦合层、第二中间电极、第二压电层、顶电极；且
所述电极连接部分露出步骤包括：
移除在有效区域一侧的顶电极、第二压电层、第二中间电极、耦合层形成的层结构，以露出部分第一中间电极；
移除在有效区域一侧的顶电极与第二压电层形成的层结构，以露出部分第二中间电极；
移除在有效区域的另一侧的顶电极、第二压电层、第二中间电极、耦合层、第一中间电极、第一压电层形成的层结构，以露出部分底电极。
21.根据权利要求17-20中任一项所述的方法，其中：
“设置声学镜”的步骤包括在基底的另一侧形成贯穿基底的空腔结构。
22.一种单晶压电层叠结构，包括在单晶压电层叠结构的厚度方向上层叠设置的多个压电层与多个电极，其中：
每一个压电层为单晶压电层，每个压电层的上下两侧设置有电极，每个压电层及其上下两侧的电极一起构成一个薄膜结构，每一个薄膜结构具有上电极层、下电极层以及位于上电极层与下电极层之间的压电层；且
在单晶压电层叠结构的厚度方向上，位于上层的薄膜结构中的至少一层的面积不大于位于下层的薄膜结构中的对应层的面积；和/或位于上层的薄膜结构作为整体的面积不大于位于下层的薄膜结构作为整体的面积，和/或每一个薄膜结构中上电极层的面积≤压电层的面积≤下电极层的面积。
23.一种电子设备，包括根据权利要求1-16中任一项所述的单晶压电结构或根据权利要求17-21中任一项所述的方法制造的单晶压电结构或根据权利要求22所述的单晶压电层叠结构。
24.根据权利要求23所述的电子设备，其中：
所述单晶压电结构在有效区域具有贯穿所述层叠结构的通孔；且
所述电子设备包括具有所述单晶压电结构的MEMS压电麦克风器件。
25.根据权利要求23所述的电子设备，其中：
所述电子设备包括MEMS超声换能器、MEMS扬声器、MEMS水听器、单晶耦合谐振滤波器中的至少一种。
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