CN111682100A - 压电产生装置及其制作方法、微机电系统 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例公开了一种压电产生装置及其制作方法、微机电系统，该压电产生装置中的压电元件包括硅衬底和第一金属电极，其中，所述硅衬底的第一表面具有与空气接触形成的第一压电层，该压电元件在受到作用力，产生形变时，可以产生电荷。而且，该压电产生装置的压电元件在制作时，只需先使所述硅衬底的第一表面与空气接触形成第一压电层，再在该第一电压层表面形成第一金属电极即可，结构和制作工艺简单，从而可以简化具有该压电元件的压电产生装置的制备工艺，进而简化具有该压电产生装置的微机电系统MEMS的制备工艺。
Description
技术领域
本申请涉及压电技术领域，尤其涉及一种压电产生装置及其制作方法以及一种微机电系统。
背景技术
微机电系统(即Micro-Electro-Mechanical System，简称MEMS)是指尺寸在微米甚至纳米级别的高科技器件，这种高科技器件已经有十多年的历史。随着科技的发展，人们对空间利用的要求越来越高，小而精的电子器件已然成为一种主流追求，驱动着微机电系统MEMS向着更小的尺寸以及更高的集成密度，以及具有快速响应和更大的驱动的方向发展。具体的，在微机电系统MEMS里，静电、磁致伸缩、热和压电等方法都可以使微机电系统MEMS产生驱动。
由于利用压电方法产生驱动的微机电系统MEMS不仅具有温度和频率稳定性极好、噪音低和具有宽动态范围的优势，还可在振动器上收集能量，以及在低驱动电压下就获得大的集成密度等优势，因此，如何在微机电系统MEMS中利用压电响应产生驱动，成为本领域技术人员的研究热点。
发明内容
为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种压电产生装置，该压电产生装置中的压电产生元件在受到作用力，产生形变时，能够产生电荷，从而使得包括该压电产生装置的微机电系统具有压电响应特性，可以利用压电响应产生驱动。
为解决上述问题，本申请实施例提供了如下技术方案：
一种压电产生装置，包括：
硅衬底，所述硅衬底的第一表面具有与空气接触形成的第一压电层；
位于所述第一压电层背离所述硅衬底一侧的第一金属电极，所述第一金属电极与所述硅衬底之间具有第一绝缘区。
可选的，如果所述硅衬底为N型硅衬底，所述第一金属电极的功函数大于所述硅衬底的功函数，以在所述硅衬底与所述第一压电层之间形成第一绝缘区；
如果所述硅衬底为P型硅衬底，所述第一金属电极的功函数小于所述硅衬底的功函数，以在所述硅衬底与所述第一压电层之间形成第一绝缘区。
可选的，所述第一压电层与所述第一金属电极之间还形成有第一绝缘层。
可选的，所述硅衬底的第二表面具有与空气接触形成的第二压电层，所述第二表面与所述第一表面相对；
所述压电元件还包括：
位于所述第二压电层背离所述硅衬底一侧的第二金属电极，所述第二金属电极与所述硅衬底之间具有第二绝缘区。
可选的，如果所述硅衬底为N型硅衬底，所述第二金属电极的功函数大于所述硅衬底的功函数，以在所述硅衬底与所述第二压电层之间形成第二绝缘区；
如果所述硅衬底为P型硅衬底，所述第二金属电极的功函数小于所述硅衬底的功函数，以在所述硅衬底与所述第二压电层之间形成第二绝缘区。
可选的，所述第二压电层与所述第二金属电极之间还形成有第二绝缘层。一种压电产生装置的制作方法，包括：
提供硅衬底，所述硅衬底的第一表面具有与空气接触形成的第一压电层；
在所述第一压电层背离所述硅衬底一侧形成第一金属电极，所述第一金属电极与所述硅衬底之间具有第一绝缘区。
可选的，所述硅衬底的第二表面具有与空气接触形成的第二压电层，所述第二表面与所述第一表面相对；
所述制作方法还包括：
在所述第二压电层背离所述硅衬底一侧形成第二金属电极，所述第二金属电极与所述硅衬底之间具有第二绝缘区。
可选的，提供硅衬底，所述硅衬底的第一表面具有与空气接触形成的第一压电层，所述硅衬底的第二表面具有与空气接触形成的第二压电层包括：
提供硅衬底；
对所述硅衬底进行清洗，去除所述硅衬底表面的二氧化硅层；
将清洗完成后的硅衬底放置在空气中，使得所述硅衬底的第一表面与空气接接触形成第一压电层，所述硅衬底的第二表面与空气接触形成第二压电层。
一种微机电系统，包括上述任一项所述的压电产生装置。
与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：
本申请实施例所提供的压电产生装置中的压电元件包括硅衬底和第一金属电极，其中，所述硅衬底的第一表面具有与空气接触形成的第一压电层，从而使得所述压电元件在受到作用力，产生形变时，可以产生电荷。
另外，本申请实施例所提供的压电产生装置的压电元件在制作时，只需先使所述硅衬底的第一表面与空气接触形成第一压电层，再在该第一电压层表面形成第一金属电极即可，结构和制作工艺简单，从而可以简化具有该压电元件的压电产生装置的制备工艺，进而简化具有该压电产生装置的微机电系统MEMS的制备工艺。
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，下面将对实施例或现有技术描述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。
图1为利用三点弯的方法，使单晶硅样品发生非均匀形变的示意图；
图2为本申请一实施例提供的压电产生装置中的压电元件的结构示意图；
图3为本申请又一实施例提供的压电产生装置中的压电元件的结构示意图；
图4为本申请另一实施例提供的压电产生装置中的压电元件的结构示意图；
图5为本申请又一实施例提供的压电产生装置中的压电元件的结构示意图；
图6为本申请一实施例提供的压电产生装置的结构示意图；
图7为本申请又一实施例提供的压电产生装置的结构示意图；
图8为本申请另一实施例提供的压电产生装置的结构示意图；
图9为本申请又一实施例提供的压电产生装置的结构示意图；
图10为本申请一实施例提供的压电产生装置中的压电元件处于正向弯曲情况下，所测得的压电系数d33随其N型硅衬底电阻率变化的示意图；
图11为本申请一实施例提供的压电产生装置中的压电元件处于反向弯曲情况下，所测得的压电系数d33随其N型硅衬底电阻率变化的示意图；
图12为本申请一实施例提供的压电产生装置中的压电元件处于正向弯曲情况下，所测得的压电系数d33随其P型硅衬底电阻率变化的示意图；
图13为本申请一实施例提供的压电产生装置中的压电元件处于反向弯曲情况下，所测得的压电系数d33随其P型硅衬底电阻率变化的示意图；
图14为本申请一实施例提供的压电产生装置中的压电元件的压电系数d33随着其金属电极功函数变化的示意图；
图15为本申请一实施例提供的压电产生装置中的压电元件，所述硅衬底为P型硅衬底和N型硅衬底时，其压电系数d33随硅衬底电阻率变化的示意图；
图16为本申请一实施例提供的压电产生装置中的压电元件，在该压电元件的第一金属电极与N型硅衬底之间已形成肖特基接触的前提下，则该压电元件的压电系数随其表面沉积的不定形的二氧化硅薄膜厚度变化的曲线示意图；
图17为本申请一实施例提供的压电产生装置中的压电元件的制作方法的流程图。
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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是本申请还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
正如背景技术部分所述，如何在微机电系统MEMS中利用压电响应产生驱动，成为本领域技术人员的研究热点。
目前，微机电系统MEMS中最常用的衬底是硅晶体，主要的压电薄膜材料有锆钛酸铅(即PZT)、氮化铝(即AlN)、氮化镓(即GaN)和铌酸锂(即LiNbO3)等。其中，对于锆钛酸铅压电薄膜来说，由于铅在高温下易挥发，并且对生物有害，因此，随着人们环保意识的增强，无铅压电材料的市场前景越来越好，锆钛酸铅压电薄膜逐渐淡出了人们的视线。
对于氮化铝和氮化镓这两种材料的压电薄膜来说，虽然这两种压电材料对微机电系统MEMS中的硅衬底兼容性好，但是利用这两种材料在硅衬底表面制备压电薄膜时，需要经过超高真空低温的磁控溅射技术、高温下金属有机化学气相沉积技术或者分子束外延技术等沉积技术，且在制备过程中需要严格控制温度、压力、功率密度、原子入射角分布、离子轰击强度和入射方向等，使得这两种材料的压电薄膜的制备工艺要求高且复杂。
对于LiNbO3压电薄膜来说，其能够使得微机电系统MEMS具有更宽的带宽、更低的损耗和更高频率的射频前端滤波和双工，但是常规的薄膜沉积技术制备不出接近体相性质的高质量薄膜，而采用先进的薄膜沉积技术，将该压电材料集成在硅衬底上从而获得压电薄膜，不仅制备成本高，而且在压电薄膜的制备过程中所涉及的参数条件较多、要求较高，同时所需的靶材(压电材料)的制备过程也很复杂；如果采用晶片植入技术，将压电材料集成在硅衬底上获得压电薄膜，植入的晶圆片通常采用直接与载体衬底结合或通过胶与载体衬底粘接结合的方式，而这两种方式要求晶圆片的表面绝对干净，难度较大。而且，即使将LiNbO3压电薄膜成功集成到硅衬底上，制备出来的MEMS性能还是不佳。
由上可知，传统的MEMS器件虽包含压电材料，但为了与半导体技术相匹配，所述MEMS器件通常采用硅单晶作为衬底，由于硅单晶为非压电材料，因此，需要在硅单晶表面制备压电薄膜来产生压电响应，又由于压电薄膜与硅单晶为异类材料，因此，两者会产生相容性的问题，从而需要复杂的薄膜制备技术来实现两者的相容。
发明人在研究过程中发现，虽然晶体硅是面心立方结构，没有压电性，但是硅晶体被氧化后，如果对晶体硅施加非均匀形变，则可以产生压电响应，例如，如图1所示，在被氧化后的单晶硅表面形成金属电极，将被氧化后且形成有金属电极的单晶硅切割成长条形的样品1，然后利用金属支架2将样品1的两端支撑，在样品1背离金属支撑架2一侧的表面的中部施加应力，使得样品1产生弯曲变形，则可使其表现出压电响应。
发明人进一步研究发现，如果将硅片表面的二氧化硅层去除，直接在硅片表面形成金属电极，然后给其施加作用力，使其产生非均匀形变，如果所述硅衬底为N型硅衬底，则会大大降低压电响应特性，如果所述硅衬底为P型硅衬底，则无法表现出压电响应特性。
发明人继续研究发现，上述样品产生压电响应的主要来源是硅片的表面，硅片被氧化后，会使得硅片表面存在一层压电层，而硅片的表面的性质是一致的，从而使得样品中相对对称的两表面的电荷的符号是相反的。因此，如果样品受到均匀力而产生均匀形变，虽然样品的上下表面会产生电荷，但是样品上下表面的电荷会相互抵消，从而使得样品无法表现出压电响应，如果样品产生非均匀形变，则样品上下表面产生的电荷就无法全部抵消，会表现出压电响应。
发明人进一步研究发现，在给上述样品施加一定的作用力，使得样品弯曲，即样品一个表面被拉伸，另一个表面被压缩，或是两个表面均被拉伸，但拉伸的程度不同，或是两个表面均被压缩，但压缩的程度不同，都可以使得该样品表现出宏观的压电响应。
基于此，本申请实施例中提供了一种压电产生装置，如图2所示，该压电产生装置包括压电元件，所述压电元件包括：
硅衬底100，所述硅衬底100的第一表面具有与空气接触形成的第一压电层200；
位于所述第一压电层200背离所述硅衬底100一侧的第一金属电极，所述第一金属电极300与所述硅衬底100之间具有第一绝缘区。
需要说明的是，在本申请实施例中，所述硅衬底100的材料为晶体硅，所述晶体硅包括单晶硅和多晶硅，可选的，在本申请的一个实施例中，所述硅衬底100的材料为单晶硅，本申请对此不做限定，在本申请的其他实施例中，所述硅衬底100的材料还可以为多晶硅，具体视情况而定。下面以所述硅衬底100为单晶硅衬底为例，对所述压电产生装置中的压电元件进行描述。
可选的，在本申请一个实施例中，所述第一压电层200包括：所述硅衬底100的第一表面与空气接触形成的二氧化硅层，即在本实施例中，所述二氧化硅层是通过所述硅衬底100的自然氧化形成的。
需要说明的是，如果将硅衬底100长时间暴露在空气中，则在硅衬底表面自然形成的二氧化硅层很厚，而受硅衬底100晶格有序性的影响，在这个二氧化硅层中只有靠近硅晶体表面的很薄的一部分具有有序性，在远离的那一部分是无定形的，从而使得硅衬底100表面的二氧化硅层中只要靠近硅衬底100表面具有有序性的二氧化硅具有压电性，而无定形的二氧化硅不具有压电性。而且过厚的二氧化硅层，会降低该二氧化硅层的有效压电响应。具体的，如果所述硅衬底100为N型硅衬底100，过厚的二氧化硅层会大大降低该二氧化硅层的压电特性。
因此，本申请实施例中，所述第一压电层200的形成方法优选为：先将硅板放在NH4F/HF溶液里腐蚀第一预设时间(如2min)，达到暂时去除二氧化硅层的目的，再通过自然氧化第二预设时间，以在硅衬底100表面形成第一压电层200，且该第一压电层200的厚度不会太厚，以避免影响所述压电元件的压电响应特性，从而使得所述压电元件具有良好的压电响应特性。
具体的，在本申请一个实施例中，所述第一压电层200的厚度为几纳米，在本申请其他实施例中，所述第一压电层200的厚度为几个原子的直径之和，本申请对此不作限定，具体视情况而定。
需要说明的是，由于所述压电元件在处于弯曲状态时，所述第一压电层200整个表面都具有电荷，因此，在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述第一金属电极300完全覆盖所述第一压电层200背离所述硅衬底100一侧的表面，以使得所述压电元件处于弯曲状态时，可以增大所述第一金属电极300与所述第一压电层200的接触面积，从而可以收集到整个第一压电层200表面的电荷。
可选的，在本申请的一个实施例中，所述第一金属电极300的形成工艺为离子溅射工艺，但本申请对此并不做限定，具体视情况而定。
需要说明的是，本申请实施例中，如果所述压电元件只包括具有第一压电层200的硅衬底100和第一金属电极300，则在硅衬底100发生形变时，只在硅衬底100朝向第一金属电极300一侧产生电荷，而在所述硅衬底100的另一侧不会产生电荷，因此，当所述压电元件发生形变时，不会存在硅衬底的上下表面的电荷相互抵消的问题，从而使得该压电元件无论发生的是均匀形变，还是不均匀形变，都可以产生压电响应，即只要该压电元件发生形变，都可以产生压电响应，从而在应用于微机电系统MEMS时，可以通过给其施加作用力，使其产生形变，以产生电荷使得微机电系统MEMS产生驱动。
另外，本申请实施例所提供的压电产生装置中的压电元件，所述硅衬底100表面的第一压电层200通过与空气接触形成，无需复杂的制备工艺，成本较低，从而可以简化具有该压电元件的压电产生装置的制备工艺，进而简化应用该压电产生装置的压电微机电系统MEMS的制备工艺。
在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述硅衬底100为N型硅衬底100，在本申请的另一个实施例中，所述硅衬底100为P型硅衬底100，在本申请的其他实施例中，所述硅衬底100还可以为本征硅衬底100。
发明人研究发现，当金属电极的功函数大于所述硅衬底的功函数时，则所述硅衬底100为N型硅衬底时，所述压电元件的压电响应特性高于所述硅衬底100为P型硅衬底时，所述压电元件的压电响应特性，故在本申请的一个优选实施例中，所述硅衬底100为N型硅衬底，但本申请对此并不做限定，具体视情况而定。
发明人还研究发现，当金属电极的功函数大于所述硅衬底的功函数时，硅衬底100的电阻率会影响所述压电元件的压电响应，具体的，如果所述硅衬底100为N型硅衬底，所述硅衬底100中的掺杂浓度越大，所述N型硅衬底100的电阻率会减小，费米能会增大，功函数(即费米边的电子逸出到真空能级处所需要的最小能量)会减小，相应的，所述压电元件的压电响应会越强；如果所述硅衬底100为P型硅衬底，所述硅衬底100的掺杂浓度越大，所述P型硅衬底100的电阻率越小，相应的，所述压电元件的压电响应就会越弱，反之，如果所述硅衬底100为P型硅衬底，所述硅衬底100的掺杂浓度越小，所述硅衬底100的电阻率越大，所述压电元件的压电响应越强。
需要说明的是，发明人研究还发现，所述第一金属电极300的材料不同，所述压电元件的压电响应会有不同，具体的，如果所述硅衬底100为N型硅衬底100，所述第一金属电极300的功函数大于所述硅衬底100的功函数，可以使得第一金属电极300与所述硅衬底100之间形成肖特基接触，在所述第一压电层200与所述硅衬底100之间形成第一耗尽区，所述第一耗尽区即为形成在所述第一压电层200与所述硅衬底100之间的肖特基耗尽层，该第一耗尽区作为第一绝缘区，用于阻挡所述压电元件中产生的电荷因隧穿效应被复合掉，从而使得所述压电元件可以表现出压电响应特性。而且，在所述N型硅衬底的功函数不变的前提下，所述第一金属电极300的功函数越大，所述压电元件的压电响应越强。
在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，如果所述硅衬底100为N型硅衬底，所述第一金属电极300可以为铝(即Al)电极，也可以为银(即Ag)电极，还可以为金(即Au)电极或铂(即Pt)电极等功函数较大的金属电极，本申请对此不作限定，在本申请的其他实施例中，所述第一金属电极300还可以为其他类型金属电极，具体视情况而定。
需要说明的是，由于不同金属材料的功函数不同，因此，在本申请的一个实施例中，可通过改变沉积在硅衬底100上的第一金属电极300的种类，从而达到改变第一金属电极300功函数的目的。
可选的，在本申请的一个实施例中，所述第一金属电极300的功函数的取值范围为4eV-6eV，包括端点值，但本申请对此不作限定，具体视情况而定。
可选的，在本申请的一个实施例中，所述第一金属电极300的厚度的取值大于或等于100nm，具体的，在本申请的一个实施中，所述第一金属电极300的厚度的取值大于或等于50，且小于或等于100nm，本申请对此不作限定，具体视情况而定。
还需要说明的是，在本申请实施例中，所述第一耗尽区在所述硅衬底100至所述第一金属电极300方向上的宽度远大于所述第一压电层200的厚度，以使得所述第一耗尽区可以阻挡所述硅衬底100中的体相自由电子，避免所述硅衬底100中的体相自由电子通过隧穿效应屏蔽掉所述第一压电层200中的压电电荷。
需要说明的是，发明人还研究发现，在保证所述第一金属电极300和所述硅衬底100形成良好的肖特基接触的基础上，所述第一绝缘区沿所述硅衬底100至所述第一金属电极300方向上的宽度越小，所述压电元件的压电响应越强。而且，由于所述第一绝缘区位于所述硅衬底100与所述第一压电层200之间，因此，在本实施例中，在所述硅衬底100类型和所述第一金属电极300不变的前提下，所述硅衬底100的电阻率的改变，不仅可以改变所述硅衬底100的功函数，还可以改变所述第一绝缘区沿所述硅衬底100至所述第一金属电极300方向上的宽度。
具体的，如果所述硅衬底100为N型硅衬底，所述硅衬底100的电阻率越小，所述硅衬底100与所述第一压电层200之间形成的第一绝缘区的宽度就会越小，当所述第一绝缘区的宽度在大于或等于第一宽度的基础上，所述第一绝缘区的宽度越小，则所述压电元件的压电响应就会越强；如果所述硅衬底100为N型硅衬底，所述硅衬底100的电阻率越大，所述第一金属电极300与所述硅衬底100之间形成的第一绝缘区的宽度越大，由于耗尽区不具有压电特性，因此，过宽的第一绝缘区会降低所述压电元件的压电响应特性，具体的，当所述第一绝缘区的宽度在大于或等于第一宽度的基础上，所述第一绝缘区的宽度越大，则所述压电元件的压电响应就会越弱。
需要说明的是，当所述第一绝缘区的宽度小到所述第一金属电极300与所述硅衬底100之间无法形成良好的肖特基接触时，所述第一绝缘区的宽度再减小，使得所述第一金属电极300和所述硅衬底100快达到欧姆接触时，所述压电元件的压电响应也会减弱，具体的，当所述第一绝缘区的宽度在小于第一宽度的基础上，所述第一绝缘区的宽度越小，则所述压电元件的压电响应就会越弱。
因此，在本申请实施例中，在所述第一金属电极300与所述硅衬底100形成良好的肖特基接触的基础上，即所述第一绝缘区的宽度大于或等于第一宽度，则所述第一绝缘区的宽度越小越好。
在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述第一绝缘区的宽度小于或等于第三宽度，且大于或等于第二宽度，以获得良好的压电响应，其中，所述第二宽度小于或等于第三宽度，所述第三宽度大于或等于第一宽度，具体的，在本申请的一个实施例中，所述第一绝缘区的宽度小于或等于第一宽度，且大于或等于第二宽度。
在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述第一压电200与所述第一金属电极300之间还形成有第一绝缘层400。
需要说明的是，本申请实施例中，当所述第一金属电极300与所述硅衬底100之间已形成有良好的肖特基接触时，如果再在所述第一压电200与所述第一金属电极300之间形成第一绝缘层400，则所述第一绝缘层400厚度越大，所述压电元件的压电响应越弱，反之，所述第一绝缘层400厚度越小，所述压电元件的压电响应越强。因此，在本申请的一个实施例中，所述第一绝缘层400的厚度的取值为0nm。
在本申请的另一个实施例中，如图3所示，如果硅衬底100为N型硅衬底且所述第一金属电极300的功函数小于所述硅衬底100的功函数，所述第一金属电极300与所述硅衬底100之间无法形成肖特基接触，则所述第一金属电极300与所述第一压电层200之间还形成有第一绝缘层400，以利用所述第一绝缘层400在所述第一金属电极300与所述第一压电层200之间形成第一绝缘区，避免所述第一金属电极300中的电子通过隧穿效应屏蔽掉所述第一压电层200中的压电电荷。
需要说明的是，本申请实施例中，利用所述第一绝缘层400在所述第一金属电极300与所述第一压电层200之间形成第四宽度的第一绝缘区的基础上，所述第一绝缘层400的厚度越小，所述压电元件的压电响应越好，反之，所述第一绝缘层400的厚度越大，所述压电元件的压电响应越弱。因此，在本申请实施例中，所述第一绝缘层的厚度在大于0，使得所述第一压电层和所述第一金属电极之间形成第四宽度的第一绝缘区的基础上，越小越好。
需要说明的是，在本申请实施例中，所述第四宽度与所述第三宽度相同，本申请对此不作限定，在本申请其他实施例中所述第四宽度与所述第三宽度不同，具体根据实际情况确定。
还需要说明的是，本申请实施例中对第一宽度、第二宽度、第三宽度和第四宽度的数值不做限定，具体根据实际情况确定。
可选的，在本申请的一个实施例中，所述第一绝缘层400为二氧化硅层，该二氧化硅层不具有压电性。具体的，所述第一绝缘层400的形成工艺可以为金属有机化合物化学气相沉积(即，Metal-organic Chemical Vapor Deposition，简称MOCVD)或等离子体增强化学气相沉积(即，Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，简称PECVD)等沉积工艺，本申请对此不作限定，具体视情况而定。
需要说明的是，在本申请实施例中，所述第一金属电极300的功函数小于所述硅衬底100的功函数只是所述第一金属电极300与所述硅衬底100之间无法形成肖特基接触的一个原因，在本申请的其他实施例中，所述第一金属电极300与所述硅衬底100之间还可以由于其他原因而无法形成肖特基接触，本申请对此并不做限定，只要所述第一金属电极300与所述硅衬底100之间无法形成肖特基接触，所述第一压电层200与所述第一金属电极300之间就具有第一绝缘层400，以使得所述第一压电层200之间与所述第一金属电极300之间可以形成第一绝缘区，避免所述压电元件中的自由电荷将所述第一压电层200中的压电电荷屏蔽掉。
在本申请的另一个实施例中，所述硅衬底100为P型硅衬底，在本申请的一个实施例中，所述第一金属电极300的功函数小于所述硅衬底100的功函数，以在所述硅衬底100与所述第一压电层200之间形成第一耗尽区，所述第一耗尽区即为形成在所述第一压电层200与所述硅衬底100之间的耗尽层，所述第一耗尽区作为所述硅衬底100与所述第一压电层200之间的第一绝缘区，避免所述硅衬底100中的电子通过隧穿效应屏蔽掉所述第一压电层200中的压电电荷。
在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述第一压电200与所述第一金属电极300之间还形成有第一绝缘层400。
需要说明的是，本申请实施例中，当所述第一金属电极300与所述硅衬底100之间已形成有第四宽度的第一绝缘区时，如果再在所述第一压电200与所述第一金属电极300之间形成第一绝缘层400，则所述第一绝缘层400的厚度越大，所述压电元件的压电响应越弱，反之，所述第一绝缘层400的厚度越小，所述压电元件的压电响应越强。因此，在本申请的一个实施例中，所述第一绝缘层400的厚度的取值为0nm。
在本申请的另一个实施例中，如果所述第一金属电极300的功函数大于所述硅衬底100的功函数，则所述第一金属电极300与所述第一压电层200之间还形成有第一绝缘层400，以利用所述第一绝缘层400在所述第一金属电极300与所述第一压电层200之间形成第一绝缘区，避免所述第一压电层200中的压电电荷被复合掉。
需要说明的是，本申请实施例中，利用所述第一绝缘层400在所述第一金属电极300与所述第一压电层200之间形成第四宽度的第一绝缘区的基础上，所述第一绝缘层400的厚度越小，所述压电元件的压电响应越好，反之，所述第一绝缘层400厚度越大，所述压电元件的压电响应越弱。因此，在本申请实施例中，所述第一绝缘层的厚度在大于0，使得所述第一压电层和所述第一金属电极之间形成第四宽度的第一绝缘区的基础上，越小越好。
还需要说明的是，由于在对硅衬底100进行自然氧化时，很难保证只在硅衬底100的一个表面形成，不在硅衬底100的其他表面形成，因此，在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，如图4所示，所述硅衬底100的第二表面具有与空气接触形成的第二压电层500，所述第二表面与所述第一表面相对；在本实施例中，所述压电元件还包括：位于所述第二压电层500背离所述硅衬底100一侧的第二金属电极600，所述第二金属电极600与所述硅衬底100之间具有第二绝缘区。
可选的，在本申请一个实施例中，所述第二压电层500包括：所述硅衬底100的第二表面与空气接触形成的二氧化硅层。即在本实施例中，所述二氧化硅层通过所述硅衬底100的自然氧化形成。
需要说明的是，本申请实施例中，所述第二压电层500的厚度可以为几纳米。在本申请其他实施例中，所述第二压电层500的厚度还可以为几个原子的直径之和，本申请对此不作限定，具体视情况而定。
可选的，本申请一个实施例中，所述第二压电层500与所述第一压电层200同时形成，以简化制作工艺，具体的形成方法为：先将硅板放在NH4F/HF溶液里腐蚀第一预设时间(如2min)，达到暂时去除二氧化硅层的目的，再通过自然氧化第二预设时间，以在硅衬底100的第一表面形成第一压电层200，同时在硅衬底100的第二表面形成第二压电层500，且该第一压电层200的厚度和第二压电层500的厚度均不会太厚，以避免影响所述压电元件的压电响应特性，从而使得所述压电元件具有良好的压电响应特性，本申请对此不作限定，在本申请的其他实施例中，所述第二压电层500与所述第一压电层200也可以通过其他工艺形成，或不同时形成，具体视情况而定。
需要说明的是，由于所述压电元件在处于弯曲状态时，所述第二压电层500整个表面都具有电荷，因此，在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述第二金属电极600完全覆盖所述第二压电层500背离所述硅衬底100一侧的表面，以使得所述压电元件处于弯曲状态时，可以增大所述第二金属电极600与所述第二压电层500的接触面积，从而可以收集到整个第二压电层500表面的电荷。
可选的，在本申请的一个实施例中，所述第二金属电极600的形成工艺与所述第一金属电极300的形成工艺相同，以降低制作工艺的复杂度，本申请对此不作限定，在本申请其他实施例中，所述第二金属电极600的形成工艺与所述第一件电极的形成工艺也可以不同，具体视情况而定。
在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述第一金属电极300与所述第二金属电极600为同一金属电极，以降低工艺复杂度，本申请对此不做限定，在本申请的其他实施例中，所述第一金属电极300与所述第二金属电极600也可以为不同金属电极，具体视情况而定。
在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述第二金属电极600的厚度的取值大于或等于100nm，具体的，在本申请的一个实施中，所述第二金属电极600的厚度的取值大于或等于50，且小于或等于100nm，本申请对此不作限定，具体视情况而定。
需要说明的是，在本申请的一个实施例中，所述第一金属电极300的厚度与所述第二金属电极600的厚度可以相同，本申请对此不做限定，在本申请的另一个实施例中，所述第一金属电极300的厚度与所述第二金属电极600的厚度也可以不同，具体视情况而定。
下面以所述第一金属电极300和第二金属电极600为同一金属电极，第一压电层200和第二压电层500均通过所述硅衬底100的自然氧化形成为例，进行描述。
需要说明的是，由于第一金属电极300和第二金属电极600为同一金属材料的电极，所述第一压电层200和第二压电层500均通过对所述硅衬底100自然氧化形成，因此，第二金属电极600与所述硅衬底100之间形成的第二绝缘区和第一金属电极300与所述硅衬底100之间形成的第一绝缘区的特性相同。
还需要说明的是，在本实施例中，如果压电元件还包括第二压电层500以及第二金属电极600，则在硅衬底100发生形变时，不仅在所述硅衬底100朝向第一金属电极300一侧产生电荷，还会在所述硅衬底100朝向第二金属电极600一侧产生极性相反的电荷，从而当所述压电元件发生形变时，所述硅衬底100上下两表面产生的电荷会存在相互抵消的问题，只有当硅衬底上下两侧产生的电荷不完全抵消时，才会使该压电元件表现出压电响应，因此，在本申请实施例中，则需要对该压电元件施加作用力使其产生非均匀性的形变才可使该压电元件表现出压电响应。
在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，如果所述硅衬底100为N型硅衬底，所述第二金属电极600的功函数大于所述硅衬底100的功函数，以在所述硅衬底100与所述第二压电层500之间形成第二耗尽区作为第二绝缘区。
在本申请实施例中，如果所述硅衬底100为N型硅衬底，则所述第二耗尽区在所述硅衬底100至所述第二金属电极600方向上的宽度远大于所述第二压电层500的厚度，以使得所述第二耗尽区可以阻挡所述硅衬底100中的体相自由电子，避免所述硅衬底100中的体相自由电子通过隧穿效应屏蔽掉所述第二压电层500中的压电电荷。
具体的，如果所述硅衬底100为N型硅衬底，所述硅衬底100的电阻率越小，所述硅衬底100与所述第二压电层500之间形成的第二绝缘区的宽度就会越小，当所述第二绝缘区的宽度在大于或等于第一宽度的基础上，所述第二绝缘区的宽度越小，则所述压电元件的压电响应就会越强；反之，如果所述硅衬底100为N型硅衬底，所述硅衬底100的电阻率越大，所述第二金属电极600与所述硅衬底100之间形成的第二绝缘区的宽度越大，由于耗尽区不具有压电特性，因此，过宽的第二绝缘区会降低所述压电元件的压电响应特性，具体的，当所述第二绝缘区的宽度在大于或等于第一宽度的基础上，所述第二绝缘区的宽度越大，则所述压电元件的压电响应就会越弱。。
需要说明的是，当所述第二绝缘区的宽度小到所述第二金属电极600与所述硅衬底100之间无法形成良好的肖特基接触时，所述第二绝缘区的宽度再减小，使得所述第二金属电极600和所述硅衬底100快达到欧姆接触时，所述压电元件的压电响应也会减弱，具体的，当所述第一绝缘区的宽度在小于第一宽度的基础上，所述第一绝缘区的宽度越小，则所述压电元件的压电响应就会越弱。
因此，在本申请实施例中，在所述第二金属电极600与所述硅衬底100形成良好的肖特基接触的基础上即所述第二绝缘区的宽度大于或等于第一宽度，则所述第二绝缘区的宽度越小越好。
在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述第二压电层500与所述第二金属电极600之间还形成有第二绝缘层700。
需要说明的是，本申请实施例中，当所述第二金属电极600与所述硅衬底100之间已形成有良好的肖特基接触时，如果在所述第二压电层500与所述第二金属电极600之间形成第二绝缘层700，则所述第二绝缘层700厚度越大，所述压电元件的压电响应越弱，反之，所述第二绝缘层700厚度越小，所述压电元件的压电响应越强。因此，在本申请的一个实施例中，所述第二绝缘层700的厚度的取值为0nm。
在本申请的另一个实施例中，如图5所示，如果硅衬底100为N型硅衬底且所述第二金属电极600的功函数小于所述N型硅衬底的功函数，所述第二金属电极600与所述硅衬底100之间无法形成肖特基接触，则所述第二金属电极600与所述第二压电层500之间还形成有第二绝缘层700，以利用所述第二绝缘层700在所述第二金属电极600与所述第二压电层500之间形成第二绝缘区，避免所述第二金属电极600中的电子通过隧穿效应屏蔽掉所述第二压电层500中的压电电荷。
需要说明的是，本申请实施例中，利用所述第二绝缘层700在所述第二金属电极600与所述第二压电层500之间形成第四宽度的第二绝缘区的基础上，所述第二绝缘层700的厚度越小，所述压电元件的压电响应越好，反之，所述第二绝缘层700的厚度越大，所述压电元件的压电响应越弱。
在本申请另一个实施例中，所述硅衬底100为P型硅衬底，所述第二金属电极600的功函数小于所述硅衬底100的功函数，以在所述硅衬底100与所述第二绝缘层700之间形成第二耗尽区作为即第二绝缘区。
在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述第二压电层500与所述第二金属电极600之间还形成有第二绝缘层700。
需要说明的是，本申请实施例中，当所述第二金属电极600与所述硅衬底100之间已形成有第四宽度的第二绝缘区时，如果在所述第二压电层500与所述第二金属电极600之间形成第二绝缘层700，则所述第二绝缘层700厚度越大，所述压电元件的压电响应越弱，反之，所述第二绝缘层700厚度越小，所述压电元件的压电响应越强。因此，在本申请的一个实施例中，所述第二绝缘层700的厚度的取值为0nm。
在本申请的另一个实施例中，继续如图5所示，如果硅衬底100为P型硅衬底，且所述第二金属电极600的功函数大于所述硅衬底100的功函数，所述第二金属电极600与所述第二压电层500之间还形成有第二绝缘层700，以利用所述第二绝缘层700在所述第二金属电极600与所述第二压电层500之间形成第二绝缘区，避免所述第二金属电极600的电子通过隧穿效应屏蔽掉所述第二压电层500中的压电电荷。
需要说明的是，本申请实施例中，利用所述第二绝缘层700在所述第二金属电极600与所述第二压电层500之间形成第四宽度的第二绝缘区的基础上，所述第二绝缘层700的厚度越小，所述压电元件的压电响应越好，反之，所述第二绝缘层700的厚度越大，所述压电元件的压电响应越弱。
在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述第二绝缘层700为二氧化硅层，该二氧化硅层不具有压电性。具体的，所述第二绝缘层700的形成工艺可以为金属有机化合物化学气相沉积(即，Metal-organic Chemical Vapor Deposition，简称MOCVD)或等离子体增强化学气相沉积(即，Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition，简称PECVD)等沉积工艺，本申请对此不作限定，具体视情况而定。
可选的，在本申请一个实施例中，所述第二绝缘层700和第一绝缘层400同时形成，以简化制作工艺，本申请对此不作限定，在本申请的其他实施例中，所述第二绝缘层700和所述第一绝缘层400还可以不同时形成，具体视情况而定。
需要说明的是，在上述任一实施例中，在相同形变量的前提下，所述压电元件的体积越小，所述压电元件的压电响应越强，可选的，在本申请的一个实施例中，所述压电元件中，所述硅衬底100的宽度为4.5mm，长度为30mm，厚度为0.5mm，但本申请对此并不做限定，在本申请的其他实施例中，所述硅衬底100还可以为其他尺寸，具体视情况而定。
在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，如图6所示，所述压电元件中所述硅衬底100的形状为长方形，所述压电产生装置采用三点弯曲结构，在本申请的一个可选实施例中，所述压电产生装置还包括支撑架，用于固定压电元件，所述支撑架包括相对设置的第一竖直支撑件3和第二竖直支撑件4以及固定连接所述第一竖直支撑件3和第二竖直支撑件4的水平支撑件5，在本申请实施例中，压电元件位于所述第一竖直支撑件3和第二竖直支撑件4背离水平支撑件5的一侧。其中，所述压电元件为所述硅衬底100、所述第一压电层200和所述第一金属电极300组成的结构，如果硅衬底第二表面还形成有第二压电层500和第二金属电极600，所述压电元件还包括：所述第二金属电极600和第二压电层500。需要说明的是，在本申请实施例中，所述支撑架可以为金属支撑架，本申请对此不作限定，在本申请其他实施例中，所述支撑架还可以为非金属支撑架，具体视情况而定。
具体的，继续如图6所示，本申请实施例中，上述压电元件产生压电响应的方法为：利用支撑架将压电元件的两端支撑，然后在压电元件背离所述支撑架的一侧的表面的中部施加一应力，使所述压电元件发生弯曲，产生不均匀形变，以使得压电元件产生压电响应。
在本申请的又一个实施例中，如图7所示，所述压电元件中所述硅衬底100的形状为长方形，所述压电产生装置还可采用悬臂梁结构，具体的，所述压电产生装置还包括支撑架，用于固定压电元件，所述支撑架包括相对设置的第一水平支撑件6和第二水平支撑件7以及固定连接所述第一水平支撑件6和第二水平支撑件7的竖直支撑件8，在本申请实施例中，压电元件的一端位于所述第一水平支撑件6和第二水平支撑件7之间。其中，所述压电元件为所述硅衬底100、所述第一压电层200和所述第一金属电极300组成的结构，如果所述硅衬底第二表面还形成有第二压电层500和第二金属电极600，则所述压电元件还包括：所述第二金属电极600和第二压电层500。需要说明的是，在本申请实施例中，所述支撑架可以为金属支撑架，本申请对此不作限定，在本申请其他实施例中，所述支撑架还可以为非金属支撑架，具体视情况而定。
需要说明的是，如果所述支撑架为金属支撑架，则为了避免金属支撑架在固定所述压电元件时，使得压电元件上下表面发生短路，影响测试，需要保证金属支架在固定所述压电元件时，不能把压电元件上下表面短路，具体的，当所述压电元件包括第一金属电极300和第一压电层200时，则需保证金属支撑架不能把第一金属电极300与硅衬底100背离所述第一金属电极300的一侧短路；当所述如果压电元件还包括：所述第二金属电极600和第二压电层500时，则需要保证金属支撑架不能把第一金属电极300和第二金属电极600短路。
具体的，继续如图7所示，本申请实施例中，上述压电元件产生压电响应的方法为：利用支撑架将压电元件的一端固定，然后在压电元件的另一端施加一应力，使所述压电元件发生弯曲，产生不均匀形变，以使得压电元件产生压电响应。可选的，本申请实施例中，可通过扬声器的推动对所述压电元件未被支撑架固定的一端施加一应力，以使所述压电元件发生弯曲，产生不均匀形变。
在本申请的另一个实施例中，如图8所示，所述压电元件中所述硅衬底100的形状为圆形，所述压电产生装置还可采用点环结构，具体的，所述压电产生装置还包括支撑架，用于固定压电元件，所述支撑架包括具有一底部的圆筒9，在本申请实施例中，压电元件位于所述圆筒9的底部的对侧。其中，所述压电元件为所述硅衬底100、所述第一压电层200和所述第一金属电极300组成的结构，如果所述压电元件还包括第二压电层500和第二金属电极600，则所述压电元件还包括：所述第二金属电极600和第二压电层500。需要说明的是，在本申请实施例中，所述支撑架可以为金属支撑架，本申请对此不作限定，在本申请其他实施例中，所述支撑架还可以为非金属支撑架，具体视情况而定。
具体的，继续如图8所示，本申请实施例中，上述压电元件产生压电响应的方法为：利用支撑架将压电元件的边缘支撑，然后在压电元件背离所述支撑架的一侧的表面的中部施加一应力，使所述压电元件发生弯曲，产生不均匀形变，以使得压电元件产生压电响应。可选的，本申请实施例中，可通过探针在压电元件背离所述支撑架的一侧的表面的中部施加一应力，以使所述压电元件发生弯曲，产生不均匀形变。
在本申请的又一个实施例中，如图9所示，所述压电元件中所述硅衬底100的形状为四棱台形，所述压电产生装置还可采用不对称样品结构，具体的，所述压电产生装置还包括位于压电元件两侧的第一金属板和第二金属板。其中，所述压电元件为所述硅衬底100、所述第一压电层200和所述第一金属电极300组成的结构，如果所述压电元件还包括第二压电层500和第二金属电极600，则所述压电元件还包括：所述第二金属电极600和第二压电层500。
具体的，继续如图9所示，本申请实施例中，由于所述压电元件的上表面的面积和下表面的面积不同，所以在对压电元件上下表面施加相同的均匀应力时，会使得所述压电元件上下表面的应变不同，进而使得压电元件发生非均匀的形变，具体的，上述压电元件产生压电响应的方法为：在压电产生装置的上下表面上施加相同均匀的应力，以使得压电元件发生非均匀的形变，从而使压电元件产生压电响应。
下面结合具体实施例，对本申请实施例所提供的压电元件进行描述。
实施例一：
分别将0.5mm厚度的不同电阻率(如3Ω.cm、4Ω.cm、3700Ω.cm和15500Ω.cm)的N型单晶硅切割成长宽分别为30mm和4.5mm的长条；接着分别将单晶硅板在NH4F/HF溶液里腐蚀2min，再用蒸馏水洗净后在空气中放置2h左右；接着自然氧化后的硅板的上下表面用离子溅射镀上Au电极；最后分别测试这些带有Au电极的硅板在弯曲情况下的压电系数d33。
如图10所示，图10示出了对N型硅衬底100形成的压电元件(即带有Au电极的硅板)的第一表面施加非均匀形变后，在压电元件处于正向弯曲情况下，用附带三点弯夹具的准静态压电测试仪测得的其在正向弯曲方向的压电系数d33。
如图11所示，图11示出了对N型硅衬底100形成的压电元件的第二表面施加非均匀形变后，在压电元件处于反向弯曲情况下，用附带三点弯夹具的准静态压电测试仪测得的其在反向弯曲方向的压电系数d33。
从图10和图11中可以看出，不论是给该压电元件的第一表面(即第一金属电极300背离所述硅衬底100一侧的表面)，还是给该压电元件的第二表面(即第二金属电极600背离所述硅衬底100一侧的表面)施加非均匀形变，该压电元件均可以产生压电响应，且随着该压电元件的电阻率的增大，其压电响应减弱。
从图10和图11中可以看出，如果所述硅衬底100为N型硅衬底100，所述硅衬底100的电阻率为3Ω.cm或4Ω.cm时，所述压电元件的压电响应特性较强，故在本申请的一个可选实施例中，所述硅衬底100的电阻率的取值范围可以为3Ω.cm-4Ω.cm，包括端点值，但本申请对此不做限定，具体视情况而定。
实施例二：
分别将0.5mm厚度的不同电阻率(如8Ω.cm和5700Ω.cm)的P型单晶硅切割成长宽分别为30mm和4.5mm的长条；接着分别将单晶硅板在NH4F/HF溶液里腐蚀2min，再用蒸馏水洗净后在空气中放置2h左右；接着自然氧化后的硅板的上下表面用离子溅射镀上Au电极；最后分别测试这些带有Au电极的硅板在弯曲情况下的压电系数d33。
如图12所示，图12示出了对P型硅衬底形成的压电元件的第一表面施加非均匀形变后，在压电元件处于正向弯曲情况下，用附带三点弯夹具的准静态压电测试仪测得的其在正向弯曲方向的压电系数d33。
如图13所示，图13示出了对P型硅衬底形成的压电元件的第二表面施加非均匀形变后，在压电元件处于反向弯曲情况下，用附带三点弯夹具的准静态压电测试仪测得的其在反向弯曲方向的压电系数d33。
从图12和图13中可以看出，不论是给该压电元件的第一表面(即第一金属电极300背离所述硅衬底100一侧的表面)，还是给该压电元件的第二表面(即第二金属电极600背离所述硅衬底100一侧的表面)施加非均匀形变，该压电元件均可以产生压电响应，且随着该压电元件的电阻率的增大，其压电响应增强。
从图12和图13中可以看出，如果所述硅衬底100为P型硅衬底100，所述硅衬底100的电阻率为5700Ω.cm时，所述压电元件的压电响应特性较强，故在本申请的一个可选实施例中，所述硅衬底100的电阻率的取值不小于5700Ω.cm，但本申请对此不做限定，具体视情况而定。
另外，将图10、图11、图12和图13进行对比可知，由于N型单晶硅与Au电极之间形成了肖特基接触，而P型单晶硅与Au电极之间没有肖特基势垒，只是欧姆接触，因此，在所述硅衬底100为N型硅衬底时，所述压电元件的压电响应特性高于所述硅衬底100为P型硅衬底时，所述压电元件的压电响应特性。
实施例三：
将0.5mm厚度的3Ω.cm电阻率的N型单晶硅切割成长宽分别为30mm和4.5mm的长条单晶硅板；接着分别将单晶硅板在NH4F/HF溶液里腐蚀2min，再用蒸馏水洗净后在空气中放置2h左右；接着分别对自然氧化后的硅板的上下表面采用电子束蒸发的方法沉积上不同的金属电极(如Al电极、Ag电极、Au电极和Pt电极，其中，N型单晶硅的功函数＜Al电极的功函数＜Ag电极的功函数＜Au电极的功函数＜Pt电极的功函数)；最后分别测试这些带有不同金属电极的硅板在弯曲情况下的压电系数d33如图14所示。需要说明的是，同一压电元件的两个金属电极为同一金属电极。
从图14中可以看出，对压电元件施加非均匀形变后，上述压电元件均可以产生压电响应，且随着金属电极功函数的增大，其压电响应越强。
实施例四：
分别将0.5mm厚度的不同电阻率(如3Ω.cm、4Ω.cm、3700Ω.cm和15500Ω.cm)的N型单晶硅切割成两组长宽分别为30mm和4.5mm的长条硅板，并分别将0.5mm厚度的不同电阻率(如8Ω.cm和5700Ω.cm)的P型单晶硅切割成两组长宽分别为30mm和4.5mm的长条；接着分别将单晶硅板在NH4F/HF溶液里腐蚀2min，再用蒸馏水洗净后，将所有N型长条硅板划分为两组N型单晶硅板，所有P型长条硅板划分为两组P型单晶硅板，其中，一组N型单晶硅板(即第一组N型单晶硅板)和一组P型单晶硅板(第一组P型单晶硅板)在空气中放置2h左右，以在硅板上下表面形成二氧化硅层，另一组N型单晶硅板(即第二组N型单晶硅板)和另一组P型单晶硅板(第二组P型单晶硅板)的上下表面进行抛光(例如，采用颗粒尺寸为20um-28um的砂纸打磨所述硅衬底100的两表面)以完全去除硅板上下表面的二氧化硅层，再对第一组N型单晶硅板、第一组P型单晶硅板、第二组N型单晶硅板和第二组P型单晶硅板的上下表面用离子溅射镀上Au电极；最后分别测试这些带有Au电极的硅板在弯曲情况下的压电系数d33如图15所示。
从图15中可以看出，表面未形成有二氧化硅层的第二组N型单晶硅板与表面形成有二氧化硅层的第一组N型单晶硅板相比，第二组N型单晶硅板的压电响应有着很大的降低；而表面未形成有二氧化硅层的第二组P型单晶硅板与表面形成有二氧化硅层的第一组P型单晶硅板相比，第二组P型单晶硅板的压电响应几乎降低为零，由此可见，在所述压电元件中，通过单晶硅衬底与空气接触形成的二氧化硅层对所述压电元件的压电性能至关重要。
需要说明的是，在本申请实施例中，如果再将表面未形成有二氧化硅层的第二组N型单晶硅板与空气接触，则仍会在该N型单晶硅板的上下表面形成二氧化硅层，如果在其上下表面用离子溅射镀上Au电极，并分别测试这些带有Au电极的N型单晶硅板在弯曲情况下的压电系数d33，发现这些带有Au电极的N型单晶硅板与表面形成有二氧化硅层的第一组N型单晶硅板相比，压电响应相差不大。
同理，如果再将表面未形成有二氧化硅层的第二组P型单晶硅板与空气接触，则仍会在该P型单晶硅板的上下表面形成二氧化硅层，如果在其上下表面用离子溅射镀上Au电极，并分别测试这些带有Au电极的P型单晶硅板在弯曲情况下的压电系数d33，发现这些带有Au电极的P型单晶硅板与表面形成有二氧化硅层的第一组P型单晶硅板相比，压电响应相差不大。
实施例五：
将0.5mm厚度的3Ω.cm电阻率的N型单晶硅切割成长宽分别为30mm和4.5mm的长条单晶硅板；接着在所述单晶硅板的上下表面采用等离子体增强化学气相沉底的方法沉积上不同厚度的不定形二氧化硅薄膜，接着分别对沉积不定形二氧化硅薄膜的硅板的上下表面采用离子溅射的方法沉积上Au电极，最后分别测试这些带有Au电极的硅板在弯曲情况下的压电系数d33如图16所示。
从图16中可以看出，如果该压电元件的第一金属电极300与硅衬底100之间已形成肖特基接触，则随着沉积的不定形的二氧化硅薄膜厚度的增加，该压电元件的压电响应会减弱。
相应的，本申请实施例还提供了一种压电产生装置的制作方法，如图17所示，该制作方法包括：
S10：提供硅衬底100，所述硅衬底100的第一表面具有与空气接触形成的第一压电层200；
需要说明的是，在本申请实施例中，所述硅衬底100的材料为晶体硅，所述晶体硅包括单晶硅和多晶硅，可选的，在本申请的一个实施例中，所述硅衬底100的材料为单晶硅，本申请对此不做限定，在本申请的其他实施例中，所述硅衬底100的材料还可以为多晶硅，具体视情况而定。下面以所述硅衬底100为单晶硅衬底为例，对所述压电产生装置进行描述。
在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，提供硅衬底100，所述硅衬底100的第一表面具有与空气接触形成的第一压电层200包括：
提供硅衬底100；
对所述硅衬底100进行清洗，去除所述硅衬底100表面的二氧化硅层；
将清洗完成后的硅衬底100放置在空气中，使得所述硅衬底100的第一表面与空气接接触形成第一压电层200。
具体的，在本申请的一个实施例中，将所述硅衬底100浸泡在NH4F/HF溶液里，浸泡第一预设时间，以去除所述硅衬底100表面的二氧化硅层；
利用蒸馏水对所述硅衬底100进行清洗，以去除硅衬底100表面的NH4F/HF溶液；
将清洗后的所述硅衬底100放置在空气中，放置第二预设时间，以在所述硅衬底100的第一表面形成第一压电层200，而无需复杂的压电薄膜沉积技术和晶片植入技术来获得压电薄膜，从而简化了压电薄膜的制备工艺，进而降低了压电产生装置的制备工艺。
需要说明的是，由于硅衬底100表面自带的二氧化硅层的厚度不可控，而且一般较厚，而过厚的二氧化硅层会影响形成的压电产生装置的压电性能，因此，在本申请实施例中，优选将所述硅衬底表面的二氧化硅层完全去除后，再重新形成厚度可控的二氧化硅层，以保证压电产生装置的压电性能。
S20：在所述第一压电层200背离所述硅衬底100一侧形成第一金属电极300，所述第一金属电极300与所述硅衬底100之间具有第一绝缘区。
在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，在所述第一压电层200背离所述硅衬底100一侧形成第一金属电极300包括：
通过物理气相沉积的方法在所述第一压电层200背离所述硅衬底100一侧形成第一金属电极300。
可选的，在本申请的一个实施例中，所述物理气相沉积的方法包括离子溅射的方法或电子束蒸发的方法等，本申请对此不做限定，具体视情况而定。
在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述硅衬底100的第二表面具有与空气接触形成的第二压电层500，所述第二表面与所述第一表面相对；
所述制作方法还包括：
在所述第二压电层500背离所述硅衬底100一侧形成第二金属电极600，所述第二金属电极600与所述硅衬底100之间具有第二绝缘区。
在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述第一压电层200和所述第二压电层500同时形成，在本实施例中，提供硅衬底100，所述硅衬底100的第一表面具有与空气接触形成的第一压电层200，所述硅衬底100的第二表面具有与空气接触形成的第二压电层500包括：
提供硅衬底100；
对所述硅衬底100进行清洗，去除所述硅衬底100表面的二氧化硅层；
将清洗完成后的硅衬底100放置在空气中，使得所述硅衬底100的第一表面与空气接接触形成第一压电层200，所述硅衬底100的第二表面与空气接触形成第二压电层500。
具体的，在本申请的一个实施例中，提供硅衬底100，所述硅衬底100的第一表面具有与空气接触形成的第一压电层200，所述硅衬底100的第二表面具有与空气接触形成的第二压电层500包括：
提供硅衬底100；
将所述硅衬底100浸泡在NH4F/HF溶液里，浸泡第一预设时间，以去除所述硅衬底100表面的二氧化硅层；
利用蒸馏水对所述硅衬底100进行清洗，以去除硅衬底100表面的NH4F/HF溶液；
将清洗后的所述硅衬底100放置在空气中，放置第二预设时间，以使得所述硅衬底100的第一表面与空气接接触形成第一压电层200，所述硅衬底100的第二表面与空气接触形成第二压电层500。
由于硅衬底100表面很容易自然生长第一压电层200和第二压电层500，因此，本申请中利用自然氧化的方法在硅衬底100表面生长压电薄膜，无需复杂的薄膜沉积技术和晶片植入技术，从而降低了压电薄膜的制备工艺难度，进而降低了压电产生装置的制备工艺难度以及制备成本。
可选的，在本申请一个实施例中，所述第一预设时间为不小于2min，本申请对此不作限定，具体视情况而定。
可选的，在本申请一个实施例中，所述第二预设时间为1.5h-2.5h，本申请对此不作限定，具体视情况而定。
具体的，在本申请一个实施例中，所述压电产生装置中的压电元件的制作方法包括：将0.5mm厚度的硅衬底100切割成长宽分别为30mm和4.5mm的长条，接着将切割好的硅衬底100放置在NH4F/HF溶液里浸泡2min，以去除所述硅衬底100表面的二氧化硅层，再利用蒸馏水将所述硅衬底100洗净后，放置在空气中2h左右，以形成第一压电层200和第二压电层500，接着利于离子溅射工艺在第一压电层200背离所述硅衬底100一侧以及在第二压电层500背离所述硅衬底100一侧形成金电极。
本申请实施例所提供的压电产生装置中的压电元件的制作方法，只需先使所述硅衬底的第一表面与空气接触形成第一压电层，再在该第一电压层表面形成第一金属电极即可使得该压电产生装置的压电元件在受到作用力产生形变时产生电荷，结构和制作工艺简单，从而可以简化具有该压电元件的压电产生装置的制备工艺，进而简化具有该压电产生装置的微机电系统MEMS的制备工艺。
相应的，本申请实施例还提供了一种微机电系统，包括上述任一实施例所提供的压电产生装置，由于在微机电系统中组合压电产生装置的方法和应用已为本领域技术人员所熟知，本申请对此不再赘述。
综上，本申请实施例所提供的压电产生装置以及微机电系统中，压电元件包括硅衬底和第一金属电极，其中，所述硅衬底的第一表面具有与空气接触形成的第一压电层，从而使得所述压电元件在受到作用力，产生形变时，可以产生电荷。
另外，本申请实施例所提供的压电产生装置中的压电元件在制作过程中，只需先使所述硅衬底的第一表面与空气接触形成第一压电层，再在该第一电压层表面形成第一金属电极即可，结构和制作工艺简单，从而可以简化具有该压电元件压电产生装置的制备工艺，进而简化具有该压电产生装置的微机电系统MEMS的制备工艺。
本说明书中各个部分采用并列和递进相结合的方式描述，每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处，各个部分之间相同相似部分互相参见即可。需要说明的是，在本申请中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
对所公开的实施例的上述说明，本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种压电产生装置，其特征在于，所述压电产生装置包括压电元件，所述压电元件包括：
硅衬底，所述硅衬底的第一表面具有与空气接触形成的第一压电层；
位于所述第一压电层背离所述硅衬底一侧的第一金属电极，所述第一金属电极与所述硅衬底之间具有第一绝缘区。
2.根据权利要求1所述的压电产生装置，其特征在于，如果所述硅衬底为N型硅衬底，所述第一金属电极的功函数大于所述硅衬底的功函数，以在所述硅衬底与所述第一压电层之间形成第一绝缘区；
如果所述硅衬底为P型硅衬底，所述第一金属电极的功函数小于所述硅衬底的功函数，以在所述硅衬底与所述第一压电层之间形成第一绝缘区。
3.根据权利要求1或2所述的压电产生装置，其特征在于，所述第一压电层与所述第一金属电极之间还形成有第一绝缘层。
4.根据权利要求1所述的压电产生装置，其特征在于，所述硅衬底的第二表面具有与空气接触形成的第二压电层，所述第二表面与所述第一表面相对；
所述压电元件还包括：
位于所述第二压电层背离所述硅衬底一侧的第二金属电极，所述第二金属电极与所述硅衬底之间具有第二绝缘区。
5.根据权利要求4所述的压电产生装置，其特征在于，如果所述硅衬底为N型硅衬底，所述第二金属电极的功函数大于所述硅衬底的功函数，以在所述硅衬底与所述第二压电层之间形成第二绝缘区；
如果所述硅衬底为P型硅衬底，所述第二金属电极的功函数小于所述硅衬底的功函数，以在所述硅衬底与所述第二压电层之间形成第二绝缘区。
6.根据权利要求4或5所述的压电产生装置，其特征在于，所述第二压电层与所述第二金属电极之间还形成有第二绝缘层。
7.一种压电产生装置的制作方法，其特征在于，包括：
提供硅衬底，所述硅衬底的第一表面具有与空气接触形成的第一压电层；
在所述第一压电层背离所述硅衬底一侧形成第一金属电极，所述第一金属电极与所述硅衬底之间具有第一绝缘区。
8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述硅衬底的第二表面具有与空气接触形成的第二压电层，所述第二表面与所述第一表面相对；
所述制作方法还包括：
在所述第二压电层背离所述硅衬底一侧形成第二金属电极，所述第二金属电极与所述硅衬底之间具有第二绝缘区。
9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，提供硅衬底，所述硅衬底的第一表面具有与空气接触形成的第一压电层，所述硅衬底的第二表面具有与空气接触形成的第二压电层包括：
提供硅衬底；
对所述硅衬底进行清洗，去除所述硅衬底表面的二氧化硅层；
将清洗完成后的硅衬底放置在空气中，使得所述硅衬底的第一表面与空气接接触形成第一压电层，所述硅衬底的第二表面与空气接触形成第二压电层。
10.一种微机电系统，其特征在于，包括权利要求1-6任一项所述的压电产生装置。
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