CN111678585A - 一种高灵敏度的AlN压电水听器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高灵敏度的基于AlN的压电水听器及其制备方法，该水听器针对常规压电水听器中存在的灵敏度低、机电耦合系数不高以及加工工艺较为繁琐的问题，提出一种新型结构的压电水听器。当如入射的声波使空腔变形时，在空腔的中央因受到拉伸应力而产生正电荷，而在空腔的边缘因受压缩应力而产生负电荷，通过将AlN上Mo电极图案化，在空腔中央形成正电极，空腔边缘形成负电极，进而构成差动放大结构以提高灵敏度和机电耦合系数。本专利与以前相比，水听器的灵敏度具有倍增的效果，且该传感器的工艺流程步骤少，制作简单。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS领域中的压电水听器，具体为一种以AlN为压电材料的低频、高灵敏度的MEMS压电水听器及制备方法。
背景技术
目前，许多国家为了增强舰艇的军事作战能力和侦察能力，以及潜艇的反潜能力，都致力于发展水声技术。水声设备不仅是水下最有效的军用装备，也是探测水下丰富的海洋资源最有效的工具。在现代战争中，已不再大规模使用水面舰艇作战，由于潜艇优秀的隐蔽性和战略打击能力，深受各国海军重视。为了提高潜艇的被动探测能力，潜艇所使用的主动避碰声纳、舷侧被动测向声纳、舷侧被动测距声纳以及拖曳线列阵声纳等都需要高灵敏度的水听器作为重要的声纳阵列基元。
水听器作为一种能探测水下声波的仪器，在海底地形测绘海洋资源勘探与开发，地震、海啸预警，都有着广泛的应用。目前水听器主要包括压电陶瓷、压电复合材料、光纤水听器以及压阻式水听器。相比于压阻式水听器，压电水听器在工作时不需外接电源，且压阻水听器对温度很敏感。这些优势都使得压电水听器受到越来越多的关注。相比于其他压电材料，AlN压电薄膜居里点高，与CMOS工艺兼容。由于MEMS压电水听器的结构小，信号输出较弱，所以设计一种高输出、高灵敏度的压电水听器就显得尤为重要。
发明内容
本发明目的是为了解决上述现有技术中存在的灵敏度较低的问题，而提出的一种高灵敏度的AlN压电水听器及其制备方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种高灵敏度的AlN压电水听器，包括SOI基底，所述SOI基底的器件硅层上依次溅射沉积下电极层、AlN压电层及上电极层，所述上电极层采用干法刻蚀形成图形化后的正电极和图形化后的负电极，之后采用等离子增强化学气相淀积生长的SiO2保护层，之后刻蚀掉图形化后的正电极和图形化后的负电极上的氧化层，在图形化后的正电极上沉积金属剥离后的正电极焊盘，在图形化后的负电极上沉积金属剥离后的负电极焊盘，SOI基底的硅衬底刻蚀空腔以释放振动薄膜，所述图形化后的正电极覆盖产生正电荷的区域，所述图形化后的负电极覆盖产生负电荷的区域。
优选的，所述SOI基底的器件硅层厚度为5μm、埋氧层厚度为1 μm、硅衬底厚度为475μm；下电极层厚度为0.2μm、AlN压电层厚度为2μm、上电极层厚度为0.2μm。
上述高灵敏度的AlN压电水听器的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、选择SOI作为基底，其规格为器件硅层5μm，埋氧层1 μm，硅衬底475μm；
步骤二、SOI基底清洗后，在SOI基底的器件硅层上使用磁控溅射镀膜设备依次溅射沉积0.2μm的下电极层、2μm的AlN压电层、 0.2μm的上电极层；
步骤三、在上电极层上进行光刻，使用干法刻蚀来形成图形化后的正电极和图形化后的负电极；而且，图形化后的正电极覆盖产生正电荷的区域，图形化后的负电极覆盖产生负电荷的区域；
步骤四、等离子增强化学气相淀积生长SiO2保护层；
步骤五、在SiO2保护层进行光刻，刻蚀掉上图形化后的正电极和图形化后的负电极上的氧化层，采用剥离的方法在图形化后的正电极和图形化后的负电极上分别沉积金属剥离后的正电极焊盘和金属剥离后的负电极焊盘；
步骤六、SOI基底的硅衬底背部深硅刻蚀空腔以释放振动薄膜；完成AlN压电水听器的制备。
本发明所述的高灵敏度的AlN压电水听器，包括SOI基片以及带有上下电极层的AlN压电薄膜敏感单元组成。SOI由器件硅层、埋氧层以及衬底硅层组成。在SOI基底上溅射Mo/AlN/Mo作为下电极层、压电层及上电极层，接着再生长SiO2保护层，通过SOI背部深硅刻蚀至埋氧层来释放振动薄膜。当声信号作用在振动薄膜上时，振动薄膜会发生变形，由于正压电效应，AlN压电层的下表面会产生感应电荷，上下电极将收集到的感应电荷传送到后端的电荷放大器中实现对声信号的检测。当压电水听器的振动薄膜在声场作用下而变形时，在空腔的中央因受到拉伸应力而产生正电荷，在空腔边缘因受到压缩应力而产生负电荷。如果将产生正电荷的区域覆盖正电极，在产生负电荷的区域覆盖负电极，那么就可以实现差动放大，进而将灵敏度提高一倍。
本发明技术方案的有益效果为：
(1)、通过图案化正负电极防止电荷中和，与传统结构相比可以将水听器的灵敏度提高一倍。
(2)、与以前的压电水听器加工工艺相比，所设计的压电水听器的加工步骤得到简化，加工过程中容错率大大提高，成品率得到有效提高。
本发明设计合理，具有很好的实际应用价值。
附图说明
图1a表示高灵敏度以AlN为压电材料的压电式MEMS水听器的工艺流程图(步骤一)。
图1b表示高灵敏度以AlN为压电材料的压电式MEMS水听器的工艺流程图(步骤二)。
图1c表示高灵敏度以AlN为压电材料的压电式MEMS水听器的工艺流程图(步骤三)。
图1d表示高灵敏度以AlN为压电材料的压电式MEMS水听器的工艺流程图(步骤四)。
图1e表示高灵敏度以AlN为压电材料的压电式MEMS水听器的工艺流程图(步骤五)。
图1f表示高灵敏度以AlN为压电材料的压电式MEMS水听器的工艺流程图(步骤六)。
图2表示本发明的压电式MEMS水听器的电荷密度图。
图3表示本发明的压电式MEMS水听器的正负电极形状图。
图4表示本发明的压电式MEMS水听器的谐振模态图。
图5a表示本发明的压电式MEMS水听器的在指定声压下的位移俯视图。
图5b表示本发明的压电式MEMS水听器的在指定声压下的位移侧视图。
图6a表示本发明的压电式MEMS水听器的在指定声压下的应力俯视图。
图6b表示本发明的压电式MEMS水听器的在指定声压下的应力侧视图。
图7表示本发明的压电式MEMS水听器的特征频率随半径的变化图。
图8表示本发明的压电式MEMS水听器的输出电压与AlN压电层厚度关系图。
图中：1-SOI基底，2-下电极层，3-压电层，4-上电极层，5-图形化后的正电极，6-图形化后的负电极，7-SiO2保护层，8-金属剥离后的正电极焊盘，9-金属剥离后的负电极焊盘，10-空腔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
一种高灵敏度的AlN压电水听器，包括SOI基底1，SOI基底的器件硅层上依次溅射沉积下电极层2、AlN压电层3及上电极层4，上电极层4采用干法刻蚀形成图形化后的正电极5和图形化后的负电极 6，之后采用等离子增强化学气相淀积生长的SiO2保护层7，之后刻蚀掉图形化后的正电极5和图形化后的负电极6上的氧化层，在图形化后的正电极5上沉积金属剥离后的正电极焊盘8，在图形化后的负电极6上沉积金属剥离后的负电极焊盘9，SOI基底的硅衬底刻蚀空腔10以释放振动薄膜，图形化后的正电极5覆盖产生正电荷的区域，所述图形化后的负电极6覆盖产生负电荷的区域。
通过仿真可知，当压电水听器的振动薄膜变形时，在空腔的中央因受到拉伸应力而产生正电荷，在空腔边缘因受到压缩应力而产生负电荷，如图2所示。如果将产生正电荷的区域覆盖正电极，在产生负电荷的区域覆盖负电极，如图3所示，那么就可以实现差动放大，进而将灵敏度提高一倍。
具体制备方法如下：
步骤一、如图1a所示，选择SOI作为基底，其规格为器件硅层5 μm，埋氧层1μm，硅衬底475μm；
步骤二、SOI基底清洗后，如图1b所示在器件硅层上使用磁控溅射镀膜设备依次溅射沉积0.2μm的AlN种子层(图中未表示，可以省略该层)、0.2μm的Mo(下电极层2)、2μm的AlN压电层3、 0.2μm的Mo(上电极层4)；
步骤三、在顶层Mo上进行光刻，使用干法刻蚀来图形化Mo层的形状来形成图形化后的正电极5及图形化后的负电极6，如图1c 所示；即对氮化铝(AlN)上的钼电极图形化，空腔中央的钼保留为正电极，空腔边缘的钼保留为负电极，正负电极之间的钼刻蚀掉隔绝正负极；
步骤四、如图1d所示，等离子增强化学气相淀积(PECVD)生长的SiO2保护层7；
步骤五、如图1e所示，在SiO2层进行光刻，刻蚀掉上正电极5和负电极6上的氧化层，采用剥离的方法在正电极5和负电极6上分别沉积0.2μm的Au，作为金属剥离后的正电极焊盘8和金属剥离后的负电极焊盘9；
步骤六、如图1f所示，SOI的硅衬底背部深硅刻蚀空腔10以释放振动薄膜；完成A1N压电MEMS水听器的制备。
对上述步骤完成的压电MEMS水听器，使用晶圆切割机，对硅晶圆上的水听器阵列进行分割划片。然后使用环氧树脂将切割后的水听器阵列固定在印刷电路板(PCB)之上。
为了验证本发明结构的正确性，选用了有限元仿真软件COMSOL Multiphysics对本发明简历有限元模型，然后对其进行静力分析以及模态分析，得到结构的力学特性和频率特性。
建模过程中所用到的材料参数如下表所示
| 属性 | Si | SiO<sub>2</sub> | AlN | Mo |
| 密度(kg/m3) | 2329 | 2200 | 3512 | 10，200 |
| 泊松比 | 0.28 | 0.17 | 0.3 | 0.3 |
| 杨氏模量(GPa) | 170 | 70 | 330 | 312 |
| 压电系数(PC/Pa) | 1.55 | - | - | - |
1、静力分析
静力分析是在固定载荷作用下薄膜的各部分位移和应力的变化结果，通过等效应力云图可以看出最大应力出现在薄膜边缘以及中心处 (如图6a及图6b所示)，而最大位移则出现在薄膜中心处(如图5a 及图5b所示)。
2、模态分析
对结构进行模态分析得到所设计水听器的前四阶模态，其特征频率为2.0965MHz与理论计算值2.1484MHz非常接近，如图4所示。
3、特征频率随半径的变化关系
对于压电薄膜振动水听器来说，水听器的特征频率主要由振动薄膜的厚度和半径决定。所设计的水听器的特征频率的理论计算表达式为
其中，a为水听器空腔的半径(本实施例优选半径为 100μm)，D为多层结构(器件硅层/Mo/AlN/Mo)的抗弯刚度(本实施例为4.345E-6Pa*m3)，ρ为多层结构的单位体积的密度(本实施例为2490.8333kg/m3)。通常在工艺加工中，薄膜厚度不变而是调整空腔半径来将所设计的水听器的特征频率调整到所期望的范围。
对模型进行参数扫描，得到所设计水听器的特征频率随半径的变化关系如图7所示。从图中可以看出特征频率与空腔半径的平方成反比，且理论与仿真基本吻合。
4、所设计的压电水听器的电荷灵敏度为：
Q为压电水听器受到声压强度p(100Pa)时所感应的电荷量 (3.83E-3pC)，υ为AlN压电层的泊松比(0.3)，E为AlN压电层的杨氏模量(330GPa)，zp为AlN压电层中平面与多层结构中性面的距离 (2.16μm)，tp为AlN压电层的厚度(2μm)，AlN的压电常数d33为1.08pC/Pa，计算得到的AlN电荷灵敏度为3.83E-5pC/Pa。
5、压电薄膜厚度的优化
对于给定规格的SOI总是对应一个压电厚度的最佳值，水听器的输出先随压电层厚度的增大而增大，接着随压电层厚度的增大而减小。如对于器件硅层5μm、埋氧层1μm、硅衬底475μm的SOI，水听器输出电压随AlN压电层厚度变化如图8所示。从图中可以看出水听器的输出随AlN压电层厚度的增加先增加后减小。对应于该结构的水听器，AlN压电层的最佳厚度为2μm。
总之，该水听器针对常规压电水听器中存在的灵敏度低、机电耦合系数不高以及加工工艺较为繁琐的问题，提出了一种新型结构的压电水听器。当如入射的声波使空腔变形时，在空腔的中央因受到拉伸应力而产生正电荷，而在空腔的边缘因受压缩应力而产生负电荷，通过将AlN上Mo电极图案化，在空腔中央形成正电极，空腔边缘形成负电极，进而构成差动放大结构以提高灵敏度和机电耦合系数。与以前相比，水听器的灵敏度具有倍增的效果，且该传感器的工艺流程步骤少，制作简单。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚说明本发明所做的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或改动。这里无需也无法对所有的实施方式予以举例。凡在本发明精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种高灵敏度的AlN压电水听器，其特征在于：包括SOI基底（1），所述SOI基底的器件硅层上依次溅射沉积下电极层（2）、AlN压电层（3）及上电极层（4），所述上电极层（4）采用干法刻蚀形成图形化后的正电极（5）和图形化后的负电极（6），之后采用等离子增强化学气相淀积生长的SiO2保护层（7），之后刻蚀掉图形化后的正电极（5）和图形化后的负电极（6）上的氧化层，在图形化后的正电极（5）上沉积金属剥离后的正电极焊盘（8），在图形化后的负电极（6）上沉积金属剥离后的负电极焊盘（9），SOI基底的硅衬底刻蚀空腔（10）以释放振动薄膜，所述图形化后的正电极（5）覆盖产生正电荷的区域，所述图形化后的负电极（6）覆盖产生负电荷的区域。
2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的AlN压电水听器，其特征在于：所述SOI基底的器件硅层厚度为5μm、埋氧层厚度为1μm、硅衬底厚度为475μm；下电极层（2）厚度为0.2μm、AlN压电层（3）厚度为2μm、上电极层（4）厚度为0.2μm。
3.一种高灵敏度的AlN压电水听器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、选择SOI作为基底，其规格为器件硅层5μm，埋氧层1μm，硅衬底475μm；
步骤二、SOI基底清洗后，在SOI基底的器件硅层上使用磁控溅射镀膜设备依次溅射沉积0.2μm的下电极层（2）、2μm的AlN压电层（3）、0.2μm 的上电极层（4）；
步骤三、在上电极层（4）上进行光刻，使用干法刻蚀来形成图形化后的正电极（5）和图形化后的负电极（6）；而且，图形化后的正电极（5）覆盖产生正电荷的区域，图形化后的负电极（6）覆盖产生负电荷的区域；
步骤四、等离子增强化学气相淀积生长SiO2保护层（7）；
步骤五、在SiO2保护层进行光刻，刻蚀掉上图形化后的正电极（5）和图形化后的负电极（6）上的氧化层，采用剥离的方法在图形化后的正电极（5）和图形化后的负电极（6）上分别沉积金属剥离后的正电极焊盘（8）和金属剥离后的负电极焊盘（9）；
步骤六、SOI基底的硅衬底背部深硅刻蚀空腔（10）以释放振动薄膜；完成AlN压电水听器的制备。
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