CN111372178B - 一种mems麦克风、阵列结构及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种MEMS麦克风，包括具有背腔的基底、固定于所述基底之上的压电振膜，所述压电振膜包括固定于所述基底的主振膜以及固定于所述主振膜上的压电薄膜，所述主振膜包括与所述基底固定相连的边框部、间隔设置于所述边框部内侧并与所述背腔相对应的主体部以及连接所述主体部和所述边框部的支撑梁，所述压电薄膜设于所述主体部。使得压电区的中心区域相比现有振膜型结构有更大的形变量，但由于支撑梁的牵制，又使得该形变量远小于现有中悬臂梁型结构的形变量，实现麦克风具有更高灵敏度的同时避免了过大的压电形变。

Description

一种MEMS麦克风、阵列结构及加工方法

【技术领域】

本发明涉及麦克风技术领域，尤其涉及一种压电式MEMS麦克风单元结构、阵列结构及其加工方法。

【背景技术】

当前，MEMS麦克风因其尺寸小、质量轻、安装简单、易形成阵列、成本低等特点，广泛应用于消费电子领域。现有的压电式MEMS麦克风结构主要采用振膜弯曲或悬臂梁弯曲的方式在锚点位置产生较大的应力，从而使覆盖其上的压电薄膜受压产生电荷输出。然而，对于振膜型结构而言，由于在锚点位置覆盖压电薄膜后其刚度会有一定增加，因此相同的压力条件下所受的应力与未覆盖压电层相比会有一定的减小，从而形变小，导致输出电压减少，灵敏度降低。而对于悬臂梁结构，由于膜层结构应力的存在会导致悬臂梁的变形较大，并且如果结构中有多个对称悬臂梁，难免会造成悬臂梁的弯曲程度不同，这就对后续的封装技术提出了更高要求。

因此，有必要提供一种灵敏度高且形变适于封装的压电式MEMS麦克风结构。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种MEMS麦克风，旨在解决如何提供一种灵敏度高且形变适于封装的压电式MEMS麦克风。

一种MEMS麦克风，包括具有背腔的基底、固定于所述基底之上的压电振膜，所述压电振膜包括固定于所述基底的主振膜以及固定于所述主振膜上的压电薄膜，所述主振膜振膜包括与所述基底固定相连的边框部、间隔设置于所述边框部内侧并与所述背腔相对应的主体部以及连接所述主体部和所述边框部的支撑梁，所述压电薄膜设于所述主体部。

上述任一技术方案中，所述边框部呈矩形，所述边框部包括位于四个角部位置的第一连接部，所述支撑梁将所述主体部连接于所述第一连接部。

上述任一技术方案中，所述主体部呈矩形，所述主体部包括位于四个角部位置的第二连接部，所述支撑梁为四个，每一所述支撑梁将一个所述第二连接部连接于与其正对设置的所述第一连接部。

上述任一技术方案中，所述压电薄膜为环状，所述压电薄膜的平面几何中心与所述压电振膜的平面几何中心重合。

上述任一技术方案中，所述压电薄膜呈圆环状，所述压电薄膜包括若干个，若干个所述压电薄膜为同心圆环。

上述任一技术方案中，所述压电薄膜设于所述主振膜远离所述背腔的一侧。

上述任一技术方案中，所述主体部与所述边框部均呈正方形。

本发明还提供一种MEMS麦克风阵列结构，包括多个所述MEMS麦克风单元，多个MEMS麦克风单元呈阵列排布。

上述任一技术方案中，所述麦克风阵列结构为MEMS麦克风单元组成2x2，3x3或者4x4阵列式结构。

本发明还提供一种MEMS麦克风的加工方法，该方法包括以下步骤：

清洗硅微基片作为基底；

在基底上沉积形成氧化隔离层；

在氧化隔离层上沉积形成压电振膜层；

在压电振膜层上沉积第二物料形成第一电极层；

在第一电极层上沉积第三物料形成压电薄膜层；

在压电薄膜层上沉积第四物料形成第二电极层；

在第二电极层、压电薄膜层和第一电极层上干法刻蚀形成空心环状结构；

在压电振膜层上进行干法刻蚀形成边框部、主体部和支撑梁；

在基底上经感应耦合等离子体刻蚀形成背腔；

在氧化隔离层上腐蚀释放形成镂空区域。

上述任一技术方案中，所述边框部与基底固定相连，所述主体部间隔设置于所述边框部内侧并与所述背腔相对应，所述支撑梁连接所述主体部与所述边框部。

上述任一技术方案中，所述氧化隔离层采用化学气相沉积法沉积形成。

上述任一技术方案中，所述压电振膜层由第一物料沉积形成，所述第一物料为聚乙烯、多晶硅、氮化硅或碳化硅中的一种或多种材料的组合。

上述任一技术方案中，所述第一电极层由第二物料沉积形成，所述第二物料为钼、钛钼合金、铂、铝或钨中的一种或多种材料的组合。

上述任一技术方案中，所述压电薄膜层由第三物料沉积形成，所述第三物料为氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅、氮化铝钪中的一种或多种材料的组合。

上述任一技术方案中，所述第二电极层由第四物料沉积形成，所述第四物料为铝、钼、金、氮化钛中的一种或多种材料的组合。

上述任一技术方案中，所述镂空区域由氧化隔离层经第五物料腐蚀释放形成，所述第五物料为氢氟酸或缓冲氧化物刻蚀液中的一种。

本发明的有益效果在于：本发明通过设置与所述基底固定相连的边框部、间隔设置于所述边框部内侧并与所述背腔相对应的主体部以及连接所述主体部和所述边框部的支撑梁，使得压电区的中心区域相比现有振膜型结构有更大的形变量，由于支撑梁的牵制，又使得该形变量远小于现有中悬臂梁型结构的形变量，实现麦克风具有更高灵敏度的同时避免了过大的压电形变。同时，该阵列结构可以根据单元结构的具体形式做成2x2、3x3或者4x4等多种阵列式结构，以保证具有更大的电荷输出，进一步提高了灵敏度。

【附图说明】

图1为本发明实施例一麦克风单元结构平面示意图；

图2为图1的A-A截面剖视图；

图3为本发明实施例二麦克风阵列结构平面示意图；

图4为本发明实施例三加工方法流程图；

图5为本发明实施例三步骤S60对应产品结构示意图；

图6为本发明实施例三步骤S70对应产品结构示意图；

图7为本发明实施例三步骤S80对应产品结构示意图；

图8为本发明实施例三步骤S90对应产品结构示意图；

图9为本发明实施例三步骤S100对应产品结构示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

实施例一

本实施例提供一种MEMS麦克风，所述MEMS麦克风包括基底20和压电振膜10，所述压电振膜10固定于所述基底20之上，所述基底20具有背腔21，所述压电振膜10包括主振膜11和压电薄膜12，所述压电薄膜12设置于主振膜11上，所述压电薄膜12受压带动主振膜11在基底20的背腔21对应的空间上产生形变，进而产生电压信号。

进一步地，所述主振膜11包括边框部111、主体部112和支撑梁113，所述边框部111与所述基底20固定相连，所述主体部112间隔设置于所述边框部111内侧，且所述主体部112与所述背腔21相对应，所述支撑梁113连接所述主体部112和所述边框部111。

参见图1，所述边框部111指的麦克风起到支撑作用的结构区域，同时，在阵列结构中，边框部111还起到了连接另一麦克风单元的边框部111的作用，从而将多个麦克风单元组合成一体结构。

具体地，所述支撑梁113指的是连接在边框部111与主体部112之间的结构，所述支撑梁113对主体部112的受压形变起到放大作用，进而产生较大的电信号，提升了麦克风的灵敏度，同时，由于支撑梁113的两端分别连接着边框部111和主体部112，在结构上限制了梁的形变，使得主体部112的形变不至于太大，实现了具备较高灵敏度和形变适于封装工艺的双重优点。

进一步地，所述压电薄膜12设置于所述主体部112的中心区域，本发明压电薄膜12直接刻蚀成型，压电薄膜12起到受压产生电压信号的作用，压电振膜10起到传递形变以及连接支撑梁113的作用，从而使得压电薄膜12受到的压力形变经支撑梁113的放大作用产生较大的信号输出，提高MEMS麦克风的灵敏度。

参见图1，所述边框部111包括位于四个角部位置的第一连接部1111，所述边框部111呈矩形，所述第一连接部1111的一端与边框部111一体成型，所述第一连接部1111的另一端与支撑梁113的一端一体成型，所述支撑梁113的另一端与主体部112一体成型，以所述支撑梁113将所述主体部112连接于所述第一连接部1111。

更优地，所述主体部112包括位于四个角部位置的第二连接部1121，所述主体部112呈矩形，所述支撑梁113为四个，每一所述支撑梁113将一个所述第二连接部1121连接于与其正对设置的所述第一连接部1111。

具体地，矩形结构的所述边框部111四个的侧边和所述主体部112的四个侧边相互平行且间隔一定距离，该间隔距离可以视为边框部111、主体部112和支撑梁113之间形成镂空区域114，四个支撑梁113与主体部112和边框部111之间形成的镂空区域114的轮廓形状为等腰梯形。所述支撑梁113的数量为四个，分别对应正边形结构的四个角部，且各支撑梁113相对于所述主体部112的中心呈对称结构，相当于四个支撑梁113的平面几何中心关于矩形的对角线交点作中心对称。

进一步地，多个所述支撑梁113的形状尺寸相同，使得所述镂空区域114相对边框部111的平面几何中心对称，且多个镂空区域114的形状相同，使得支撑梁113和镂空区域114将单元结构分割成结构相匀称的主体部112和边框部111。

进一步地，所述压电薄膜12为平面几何中心与主体部112平面几何中心相重叠的环状结构。本实施例中，当压电薄膜12为环状结构时，其几何中心在环的圆心上，环的圆心与主体部112的几何中心相重叠，由于整个麦克风都可以视为均衡对称的结构，因此也可以将主体部112的几何中心视为压电薄膜12的几何中心。使得MEMS加工过程中能够在保证上述结构特征的情况下仅刻蚀掉少量的料基以达成结构特征。

具体地，所述边框部111、主体部112和支撑梁113可以在主振膜11上进行干法刻蚀成型，提高了边框部111、主体部112和支撑梁113的产品同心度和一致性；

在背腔21可以在基底20上经感应耦合等离子体刻蚀形成；镂空区域114可以在氧化隔离层40上经腐蚀释放以在氧化隔离层40对应所述主体部112和支撑梁113之间的位置形成，使得麦克风结构的实体部分与空心部分可以通过刻蚀一体成型，简化了加工工艺的同时保证了较高的产品一致性。

实施例二

本发明还提供一种MEMS麦克风阵列结构，该阵列结构由多个如实施例一所述的MEMS麦克风作为单元结构100呈阵列排布组合成一体结构。

具体地,麦克风单元结构100可以通过多个结构形式相重复、对称或镜像等形式组合延伸形成具有功能放大或拓展作用的MEMS麦克风阵列结构200。本发明中，阵列结构200具体指的是以单元结构100作为模板沿任一或多个方向延伸，通过重复单元结构100的形式彼此相连接形成的2x2、3x3或者4x4等形式的矩形阵列结构200，当然也可为3x4或者4x5等形式。本发明中，阵列结构200的麦克风相比单元结构100的麦克风起到增大电荷输出，进一步提高了灵敏度的作用。

进一步地，本发明中的阵列结构200与单元结构100都采用MEMS刻蚀成型，由多个单元结构100组合形成的阵列结构200可以视为有多个单元结构100经MEMS刻蚀一体连接成型。使得本发明的麦克风具有较高的产品一致性，保证了各单元结构100主体部112的同心度，提升了麦克风的播音精度，提高音质。

实施例三

本发明还提供一种加工方法，该方法用于实现所述的麦克风结构，参见图4，该方法包括：

步骤S10：清洗微硅基片作为基底20；

具体地，基底20的清洗可以采用本领域的常规手段，清洗后的硅微基片作为基底20使用，并在该基底20上沉积其他物料层，以用于MEMS刻蚀成型。基底20可以是单元结构100的基底，也可以是作为阵列结构200的基底对麦克风结构一体成型。

步骤S20：在基底20上经化学气相沉积法沉积形成氧化隔离层40，

具体地，所述化学气相沉积法为等离子体增强化学气相沉积法或低压力化学气相沉积法中的一种；

具体地，等离子体增强化学气相沉积法简称PCVD，是一种用等离子体激活反应气体,促进在基体表面或近表面空间进行化学反应,生成固态膜的技术。低压力化学气相沉积法。低压力化学气相沉积法在低压环境下的CVD制程，通过降低压力可以减少不必要的气相反应，以增加晶圆上薄膜的一致性，从而在基底20上形成稳定的氧化膜。

步骤S30：在氧化隔离层40上沉积第一物料形成压电振膜层70，

具体地，所述第一物料为聚乙烯、多晶硅、氮化硅或碳化硅中的一种或多种材料的组合；

步骤S40在压电振膜层70上沉积第二物料形成第一电极层50，

具体地，所述第二物料为钼、钛钼合金、铂、铝或钨中的一种或多种材料的组合；

步骤S50：在第一电极层50上沉积第三物料形成压电薄膜层30，

具体地，所述第三物料为氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅、氮化铝钪中的一种或多种材料的组合；

步骤S60：在压电薄膜层30上沉积第四物料形成第二电极层60，

具体地，所述第四物料为铝、钼、金、氮化钛中的一种或多种材料的组合；

参见图5，至此，自基底20向上依次形成了基底20、氧化隔离层40、压电振膜层70、第一电极层50、压电薄膜层30及第二电极层60。

以下的步骤为在上述的基础上刻蚀出单元结构100或阵列结构200，参见图6-9，

步骤S70：在第二电极层60、压电薄膜层30和第一电极层50上干法刻蚀形成如图1所示的空心环状结构；

步骤S80：在压电振膜层70上进行干法刻蚀，使压电振膜层70形成与所述基底20固定相连的边框部111、间隔设置于所述边框部111内侧并与所述背腔21相对应的主体部112以及连接所述主体部112和所述边框部111的支撑梁113；

具体地，所述保留有氧化隔离层40和基底20的镂空区域114、支撑梁113和主体部112应当理解为在平面上已经刻蚀出镂空区域114、支撑梁113和主体部112的基本雏形，还需要对保留的氧化隔离层40和基底20进行刻蚀消除以形成最终结构。

步骤S90：在基底20上经感应耦合等离子体刻蚀形成背腔21；

具体地，感应耦合等离子体刻蚀是一种半导体干法刻蚀技术，暴露在电子区域的气体形成等离子体，由此产生的电离气体和释放高能电子组成的气体，从而形成了等离子或离子，电离气体原子通过电场加速时，会释放足够的力量与表面驱逐力紧紧粘合材料或蚀刻表面。

步骤S100：在氧化隔离层40上经第五物料腐蚀释放以在氧化隔离层对应所述主体部112和支撑梁113之间的位置形成镂空区域114。所述第五物料为氢氟酸或缓冲氧化物刻蚀液中的一种。

具体地，经步骤S90和步骤S100后，镂空区域114、支撑梁113和主体部112底下的氧化隔离层40和基底20得以形成所述的麦克风结构。具体的，所述基底20刻蚀形成背腔21、氧化隔离层40形成镂空区域114、压电振膜层70经刻蚀形成边框部111、主体部112和支撑梁113，所述第一电极层50、压电薄膜层30及第二电极层60经刻蚀形成压电薄膜12。以压电振膜层70为基底的主体部112和支撑梁113具有良好韧性和延展性，压电薄膜层30受压后产生的形变传递作用于支撑梁113结构上，基底20使得边框部111具有较大的刚性，使得刚性的边框部111和柔性的主体部112之间的支撑梁113形成了以靠近边框部111的一端为连接端，以靠近主体部112的一端为悬臂端产生较大形变的效果，同时由于支撑梁113两端的限制，又不至于产生过大的形变，进而使得支撑梁113结构起到放大形变的作用，放大电压信号，使麦克风具有良好的灵敏度。

藉此，本发明通过设置与所述基底固定相连的边框部、间隔设置于所述边框部内侧并与所述背腔相对应的主体部以及连接所述主体部和所述边框部的支撑梁，使得压电区的中心区域相比现有振膜型结构有更大的形变量，由于支撑梁的牵制，又使得该形变量远小于现有中悬臂梁型结构的形变量，实现麦克风具有更高灵敏度的同时避免了过大的压电形变。同时，该阵列结构可以根据单元结构的具体形式做成2x2、3x3或者4x4等多种阵列式结构，以保证具有更大的电荷输出，进一步提高了灵敏度。

以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种MEMS麦克风，包括具有背腔的基底、固定于所述基底之上的压电振膜，其特征在于，所述压电振膜包括固定于所述基底的主振膜以及固定于所述主振膜上的压电薄膜，所述主振膜包括与所述基底固定相连的边框部、间隔设置于所述边框部内侧并与所述背腔相对应的主体部以及连接所述主体部和所述边框部的支撑梁，所述压电薄膜设于所述主体部；

所述边框部呈矩形，所述边框部包括位于四个角部位置的第一连接部，所述支撑梁将所述主体部连接于所述第一连接部；

所述主体部呈矩形，所述主体部包括位于四个角部位置的第二连接部，所述支撑梁为四个，每一所述支撑梁将一个所述第二连接部连接于与其正对设置的所述第一连接部。

2.根据权利要求1所述的一种MEMS麦克风，其特征在于，所述压电薄膜为环状，所述压电薄膜的平面几何中心与所述压电振膜的平面几何中心重合。

3.根据权利要求2所述的一种MEMS麦克风，其特征在于，所述压电薄膜呈圆环状，所述压电薄膜包括若干个，若干个所述压电薄膜为同心圆环。

4.根据权利要求1所述的一种MEMS麦克风，其特征在于，所述压电薄膜设于所述主振膜远离所述背腔的一侧。

5.根据权利要求3所述的一种MEMS麦克风，其特征在于，所述主体部与所述边框部均呈正方形。

6.一种MEMS麦克风阵列结构，其特征在于：包括多个如权利要求1所述的MEMS麦克风单元，多个MEMS麦克风单元呈阵列排布。

7.根据权利要求6所述的一种MEMS麦克风阵列结构，其特征在于：所述麦克风阵列结构为MEMS麦克风单元组成2x2，3x3或者4x4阵列式结构。

8.一种MEMS麦克风的加工方法，其特征在于，所述加工方法用于实现如权利要求1-7任一项所述的MEMS麦克风，该方法包括以下步骤：

清洗硅微基片作为基底；

在基底上沉积形成氧化隔离层；

在氧化隔离层上沉积形成压电振膜层；

在压电振膜层上沉积第二物料形成第一电极层；

在第一电极层上沉积第三物料形成压电薄膜层；

在压电薄膜层上沉积第四物料形成第二电极层；

在第二电极层、压电薄膜层和第一电极层上干法刻蚀形成空心环状结构；

在压电振膜层上进行干法刻蚀形成边框部、主体部和支撑梁；

在基底上经感应耦合等离子体刻蚀形成背腔；

在氧化隔离层上腐蚀释放形成镂空区域。

9.根据权利要求8所述的一种MEMS麦克风的加工方法，其特征在于：所述边框部与基底固定相连，所述主体部间隔设置于所述边框部内侧并与所述背腔相对应，所述支撑梁连接所述主体部与所述边框部。

10.根据权利要求9所述的一种MEMS麦克风的加工方法，其特征在于：所述氧化隔离层采用化学气相沉积法沉积形成。

11.根据权利要求9所述的一种MEMS麦克风的加工方法，其特征在于：所述压电振膜层由第一物料沉积形成，所述第一物料为聚乙烯、多晶硅、氮化硅或碳化硅中的一种或多种材料的组合。

12.根据权利要求9所述的一种MEMS麦克风的加工方法，其特征在于：所述第一电极层由第二物料沉积形成，所述第二物料为钼、钛钼合金、铂、铝或钨中的一种或多种材料的组合。

13.根据权利要求9所述的一种MEMS麦克风的加工方法，其特征在于：所述压电薄膜层由第三物料沉积形成，所述第三物料为氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅、氮化铝钪中的一种或多种材料的组合。

14.根据权利要求9所述的一种MEMS麦克风的加工方法，其特征在于：所述第二电极层由第四物料沉积形成，所述第四物料为铝、钼、金、氮化钛中的一种或多种材料的组合。

15.根据权利要求9所述的一种MEMS麦克风的加工方法，其特征在于：所述镂空区域由氧化隔离层经第五物料腐蚀释放形成，所述第五物料为氢氟酸或缓冲氧化物刻蚀液中的一种。

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