CN112584283B - 压电mems麦克风及其阵列和制备方法 - Google Patents

压电mems麦克风及其阵列和制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种压电MEMS麦克风及其阵列和制备方法，所述压电MEMS麦克风包括具有背腔的基底及固定于所述基底上的压电振膜，所述压电振膜包括固定于所述基底的振膜层及固定于所述振膜层上的压电层，所述压电层连续弯折形成波浪形结构，所述波浪形结构包括自所述压电层背离所述振膜层的第一表面朝向所述振膜层凹陷的若干第一凹槽以及自所述压电层靠近所述振膜层的第二表面背离所述振膜层凹陷的若干第二凹槽，所述第一凹槽与所述第二凹槽交错设置。通过以上方式，提高了压电层在外界声压下的形变和位移量，从而增加了电压输出，有效的提高了压电MEMS麦克风的灵敏度，另外，在一定程度上降低压电层的残余应力，延长了压电MEMS麦克风使用寿命。

Description

压电MEMS麦克风及其阵列和制备方法
【技术领域】
本发明涉及声电技术领域，具体涉及一种压电MEMS麦克风及其阵列和制备方法。
【背景技术】
MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)麦克风是一种利用微机械加工技术制作出来的电能换声器，其具有体积小、频响特性好、噪声低等特点。随着电子设备的小巧化、轻薄化发展，MEMS麦克风被越来越广泛地运用到这些设备上。压电式MEMS麦克风相比于传统的电容式MEMS麦克风具有很多优势，包括防尘性和防水性以及较高的最大输出声压(AOP)等。
请参阅图1，为现有技术的MEMS麦克风，图1中基底为C，压电单元A和振膜B依次叠设在基底C上，压电单元A都是平整的分布在振膜B上方。现有结构在外界声压的作用下，首先是振膜发生形变，然后带动其上方的压电单元也发生变形，由于压电单元A都是平坦分布，其中间部位产生的形变量不是很大，导致产生的输出电压也较小，因此灵敏度较低。
因此，有必要提供一种新的压电MEMS麦克风及其阵列和制备方法以解决上述问题。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种压电MEMS麦克风及其阵列和制备方法，以解决现有技术中由于平坦分布的压电单元，造成形变量小，导致产生的输出电压也较小，灵敏度低的缺陷。
本发明的技术方案如下：提供了一种压电MEMS麦克风，包括具有背腔的基底及固定于所述基底上的压电振膜，所述压电振膜包括固定于所述基底的振膜层及固定于所述振膜层上的压电层，所述压电层连续弯折形成波浪形结构，
所述波浪形结构包括自所述压电层背离所述振膜层的第一表面朝向所述振膜层凹陷的若干第一凹槽以及自所述压电层靠近所述振膜层的第二表面背离所述振膜层凹陷的若干第二凹槽，所述第一凹槽与所述第二凹槽交错设置。
优选的，所述振膜层包括与所述第一凹槽对应的若干避位槽以及设于相邻避位槽之间的若干间隔部，若干间隔部靠近所述压电层的表面齐平。
优选的，所述第一凹槽容置于所述避位槽内，所述间隔部与所述第二凹槽相抵接。
优选的，所述第一凹槽、所述第二凹槽和所述避位槽呈U型。
优选的，所述压电层包括依次叠设于所述振膜层上的下电极层、上电极层以及夹设于所述上电极层和所述下电极层之间的第一压电层。
优选的，所述压电层包括依次叠设于所述振膜层上的下电极层、上电极层、中间电极层、夹设于所述上电极层和所述中间电极层之间的第二压电层以及夹设于所述下电极层和所述中间电极层之间的第三压电层。
优选的，所述振膜层包括依次叠设于所述基底上的氧化隔离层和主振膜层。
优选的，所述压电层包括L形设置的第一压电部和第二压电部，所述第一压电部和所述第二压电部之间具有间隙，且所述第一压电部和第二压电部呈中心对称；
或，所述压电层包括围设成方形的四个“一”字型的压电部，相邻压电部之间设有间隙。
本发明还提供了一种MEMS麦克风阵列，包括多个如以上所述的压电MEMS麦克风，多个所述压电MEMS麦克风呈阵列排布。
本发明还提供了一种压电MEMS麦克风的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
提供基底，在所述基底的表面沉积氧化隔离层；
在所述氧化隔离层的表面沉积形成主振膜层；
对所述主振膜层的表面进行图案化处理，形成边框部、主体部和避位槽；
对图案化处理后的主振膜层表面沉积压电层，对所述压电层进行刻蚀形成电极部，所述电极部对应所述避位槽处形成波浪形结构；
对所述基底背离所述主振膜层的另一表面进行刻蚀，形成背腔。
本发明的有益效果在于：提供了一种压电MEMS麦克风及其阵列和制备方法，所述压电MEMS麦克风包括具有背腔的基底及固定于所述基底上的压电振膜，所述压电振膜包括固定于所述基底的振膜层及固定于所述振膜层上的压电层，所述压电层连续弯折形成波浪形结构，所述波浪形结构包括自所述压电层背离所述振膜层的第一表面朝向所述振膜层凹陷的若干第一凹槽以及自所述压电层靠近所述振膜层的第二表面背离所述振膜层凹陷的若干第二凹槽，所述第一凹槽与所述第二凹槽交错设置。通过以上方式，提高了压电层在外界声压下的形变和位移量，从而增加了电压输出，有效的提高了压电MEMS麦克风的灵敏度，另外，在一定程度上降低压电层的残余应力，延长了压电MEMS麦克风使用寿命。
【附图说明】
图1为现有技术压电MEMS麦克风的截面示意图；
图2为本发明实施例的压电MEMS麦克风的截面示意图；
图3为本发明实施例的压电MEMS麦克风的制备方法流程图；
图4-图8为图3压电MEMS麦克风的制备方法示意图。
附图说明：100-压电MEMS麦克风；10-基底；11-背腔；20-压电振膜；21-振膜层；211-氧化隔离层；212-主振膜层；22-压电层；221-上电极层；222-下电极层；223-第一压电层；30-第一凹槽；40-第二凹槽；50-避位槽；a-第一表面；b-第二表面；60-边框部；70-主体部；80-弹性元件；90-间隔部。
【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。
请参阅图2-图8，为本发明实施例提供的压电MEMS麦克风100的截面示意图，所述MEMS麦克风包括基底10，和压电振膜20，所述压电振膜20固定于所述基底10之上，所述基底10具有背腔11，所述压电振膜20包括振膜层21和压电层22，所述振膜层21叠设于所述基底10上，所述压电层22设于所述振膜层21上，所述压电层22受压带动振膜层21在基底10的背腔11对应的空间上产生形变，进而产生电压信号。
所述压电层22连续弯折形成波浪形结构，所述波浪形结构包括自所述压电层22背离所述振膜层21的第一表面a朝向所述振膜层21凹陷的若干第一凹槽30以及自所述压电层22靠近所述振膜层21的第二表面b背离所述振膜层21凹陷的若干第二凹槽40，所述第一凹槽30与所述第二凹槽40交错设置以此在所述振膜层21上形成波浪结构的压电层22。优选的，若干第一凹槽30均匀分布于所述第一表面a上，若干第二凹槽40均匀分布于所述第二表面b上。
在一个可选的实施方式中，所述振膜层21包括与所述第一凹槽30对应设置的若干避位槽50，所述避位槽50自所述振膜层21靠近所述压电层22一侧表面朝向背腔11凹陷，相邻避位槽50之间设有间隔部90，振膜层21上的所有间隔部90远离背腔11一侧表面齐平。
在一个可选的实施方式中，所述第二凹槽40与所述间隔部90对应，且第二凹槽40对应的第二表面b与间隔部90远离背腔11一侧表面相抵接，所述第一凹槽30容置于避位槽50内，且所述第一凹槽30对应的第二表面b与所述避位槽50内的底部相抵接，以使得所述压电层22的第二表面b与所述振膜层21背离所述背腔11的一侧表面相贴合。
在一个可选的实施方式中，为了便于加工，所述第一凹槽30、所述第二凹槽40以及所述避位槽50均呈U型，当然具体形状并不受图示形状限定。
在一个可选的实施方式中，所述压电层22包括依次叠设于所述振膜层21上的下电极层222、上电极层221以及夹设于所述上电极层221和所述下电极层222之间的第一压电层223。可选的，所述压电层223还可以包括依次叠设于所述振膜层21上的下电极层222、上电极层221、中间电极层(图未示)、夹设于所述上电极层221和所述中间电极层之间的第二压电层(图未示)以及夹设于所述下电极层222和所述中间电极层之间的第三压电层(图未示)。上电极层221为钼、钛钼合金、铂、铝或钨中的一种或多种材料的组合；下电极层222和中间电极层为铝、钼、金、氮化钛中的一种或多种材料的组合。第一压电层223、第二压电层以及第三压电层为氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅、氮化铝钪中的一种或多种材料的组合；在本实施例中，压电层22的膜层数可以为以上举例说明的三层、五层，但在其它实施例中，压电层22的膜层数还可以为三层以上的其它层数；且压电层22的各膜层的边缘相互齐平。压电层22设置成多层膜层结构使得压电层22弯曲的曲率半径更大，在产生相同弯曲角度时将产生更大的应变，从而产生更大的输出信号。
在一个可选的实施方式中，所述振膜层21包括依次叠设于所述基底10上的氧化隔离层211和主振膜层212，所述氧化隔离层211包括但不限于二氧化硅，所述主振膜层212为聚乙烯、多晶硅、氮化硅或碳化硅中的一种或多种。氧化隔离层211和主振膜层212的各边缘齐平。可选的，本发明实施例中的振膜层21包括边框部60、主体部70及弹性元件80，边框部60与基底10固定连接，主体部70间隔设置在边框部60的内侧且其与基底10的背腔11相对应，即主体部70悬置在背腔11的上方，且压电层22叠设于主体部70背离背腔11的一侧，所述压电层22与所述主体部70的外边缘齐平；弹性元件80大致呈梳齿状设置，弹性元件80连接边框部60与主体部70。
在一个可选的实施方式中，压电层22为平面几何中心与主体部70的平面几何中心相重叠的矩形结构。当压电层22为矩形结构时，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70的几何中心视为压电层22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。在本实施例中，压电层22包括L形设置的两个压电部，两个压电部之间具有间隙，且两个压电部呈中心对称设置。可以理解为，两个压电部和间隙围成一个方形的压电层22。可选的，压电层22包括四个一字型的电压部以及设于相邻压电部之间的间隙，四个一字型的电压部和间隙围设形成方形结构的压电层22。当然，在其他实施例中，压电层22还可以设置为其他形状，同时包括其它形状和数量的压电部。
本发明实施例还提供了一种MEMS麦克风阵列，MEMS麦克风阵列包括前文记载的多个压电MEMS麦克风100，且多个压电MEMS麦克风100成阵列排布并通过相邻边框部60的连接组合成一体结构。压电MEMS麦克风100可以通过多个结构形式相重复、对称或者镜像等形式组合延伸，形成具有功能放大或者拓展作用的MEMS麦克风阵列结构。在本发明中，阵列结构具体指的是以前文记载的MEMS麦克风100作为模板沿任一或者多个方向延伸，通过重复单元结构的形式彼此相连接，形成的2×2、3×3或者4×4等形式的矩形阵列结构，当然也可为3×4或者4×5等形式。
本发明实施例的压电MEMS麦克风100，通过将图1现有技术中平坦型压电单元改进成图2中本发明波浪形结构的压电层22，可以明显提高该压电层22在外界声压下的形变和位移量，从而增加了电压输出，有效的提高了压电MEMS麦克风100的灵敏度；另一方面，波浪形结构内的凹槽结构(第一凹槽30和第二凹槽40)的引入还可以在一定程度上降低压电层结构的残余应力，延长了压电MEMS麦克风100使用寿命。
请参阅图3-图8，本发明实施例还提供了一种压电MEMS麦克风100的制备方法，具体包括以下步骤：
S1，提供基底，在所述基底的表面沉积氧化隔离层；
具体地，基底10为微硅基片，在沉积氧化隔离层211之前，可先对基底10进行清洗处理，清洗后的硅微基片作为基底10使用，以用于MEMS刻蚀成型，基底10可以是单个压电MEMS麦克风100的基底，也可以是作为MEMS麦克风阵列的基底对麦克风结构一体成型。氧化隔离层211可以为二氧化硅，采用低压力化学气相沉积法或等离子体增强化学气相沉积法等工艺形成。
S2，在所述氧化隔离层的表面沉积形成主振膜层；
具体地，可以采用化学气相沉积法在氧化隔离层211表面沉积主振膜层212，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，主振膜层212为聚乙烯、多晶硅、氮化硅或碳化硅中的一种或多种。
S3，对所述主振膜层的表面进行图案化处理，形成边框部、主体部、避位槽；
具体的，在主振膜层212上刻蚀形成避位部，避位部将主振膜层212间隔形成边框部60和主体部70，避位部内可以用于设置连接主体部70和边框部60的弹性元件80。然后再在主体部70上刻蚀形成若干均匀间隔设置的避位槽50，避位槽50将主振膜层212分隔成多个间隔部90。由于主振膜层212沉积后的表面是齐平的，因此形成的多个间隔部90的远离基板一侧表面也是齐平的。
S4，对图案化处理后的主振膜层表面沉积压电层，对所述压电层进行刻蚀形成电极部，所述电极部对应所述避位槽处形成波浪形结构；
具体的，压电层22是沉积于主体部70上的，且压电层22的边缘与主体部70的边缘齐平。由于经过步骤S3中形成有避位槽50，则沉积后压电层22后在对应避位槽50的位置形成第一凹槽30，对于压电层22而言，相邻第一凹槽30之间即形成第二凹槽40，且第二凹槽40和第一凹槽30交错设置于压电层22的两个相对表面，形成波浪形结构。另外，第二凹槽40与主振膜上的未经刻蚀的间隔部90对应相抵，且优选的，第一凹槽30、第二凹槽40以及避位槽50呈U型。
具体的，压电层22可以经过三次沉积后依次沉积下电极层222、第一压电层223以及上电极层221，或者经过五次沉寂后依次沉积下电极层222、第三压电层、中间电极层、第二压电层以及上电极层221，当然压电层22的沉积次数可以不局限于以上三次和五次的多次沉积。可选的，上电极层221为钼、钛钼合金、铂、铝或钨中的一种或多种材料的组合；下电极层222和中间电极层为铝、钼、金、氮化钛中的一种或多种材料的组合。第一压电层223、第二压电层以及第三压电层为氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅、氮化铝钪中的一种或多种材料的组合。
具体的，采用干法刻蚀形成间隙和多个电极部，如两个中心对称L型的电极部，或者4个围设成方形的一字型电极部，相邻两个电极部之间间隔设置。
S5，对所述基底背离所述主振膜层的另一表面进行刻蚀，形成背腔。
具体地，先对基底10背离主振膜层212的另一表面进行感应耦合等离子体(ICP)深刻蚀，刻蚀停止于氧化隔离层211，形成背腔11区域，接着采用缓冲氧化物刻蚀液(BOE溶液)或氢氟酸(HF)气相刻蚀技术对氧化隔离层211进行释放，最终形成本发明实施例的压电MEMS麦克风100。
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 (10)

1.一种压电MEMS麦克风，包括具有背腔的基底及固定于所述基底上的压电振膜，所述压电振膜包括固定于所述基底的振膜层及固定于所述振膜层上的压电层，其特征在于，所述压电层连续弯折形成波浪形结构，
所述波浪形结构包括自所述压电层背离所述振膜层的第一表面朝向所述振膜层凹陷的若干第一凹槽以及自所述压电层靠近所述振膜层的第二表面背离所述振膜层凹陷的若干第二凹槽，所述第一凹槽与所述第二凹槽交错设置；
所述振膜层包括边框部、主体部及弹性元件，边框部与基底固定连接，主体部间隔设置在边框部的内侧且其与基底的背腔相对应，压电层叠设于主体部背离背腔的一侧，所述压电层与所述主体部的外边缘齐平；弹性单元连接边框部与主体部。
2.根据权利要求1所述的压电MEMS麦克风，其特征在于，所述振膜层包括与所述第一凹槽对应的若干避位槽以及设于相邻避位槽之间的若干间隔部，若干间隔部靠近所述压电层的表面齐平。
3.根据权利要求2所述的压电MEMS麦克风，其特征在于，所述第一凹槽容置于所述避位槽内，所述间隔部与所述第二凹槽相抵接。
4.根据权利要求2所述的压电MEMS麦克风，其特征在于，所述第一凹槽、所述第二凹槽和所述避位槽呈U型。
5.根据权利要求1所述的压电MEMS麦克风，其特征在于，所述压电层包括依次叠设于所述振膜层上的下电极层、上电极层以及夹设于所述上电极层和所述下电极层之间的第一压电层。
6.根据权利要求1所述的压电MEMS麦克风，其特征在于，所述压电层包括依次叠设于所述振膜层上的下电极层、上电极层、中间电极层、夹设于所述上电极层和所述中间电极层之间的第二压电层以及夹设于所述下电极层和所述中间电极层之间的第三压电层。
7.根据权利要求1所述的压电MEMS麦克风，其特征在于，所述振膜层包括依次叠设于所述基底上的氧化隔离层和主振膜层。
8.如权利要求1-7任一所述的压电MEMS麦克风，其特征在于，所述压电层包括L形设置的第一压电部和第二压电部，所述第一压电部和所述第二压电部之间具有间隙，且所述第一压电部和第二压电部呈中心对称；
或，所述压电层包括围设成方形的四个“一”字型的压电部，相邻压电部之间设有间隙。
9.一种MEMS麦克风阵列，其特征在于，包括多个如权利要求1-8任一所述的压电MEMS麦克风，多个所述压电MEMS麦克风呈阵列排布。
10.一种压电MEMS麦克风的制备方法，用于权利要求1-8任一所述的压电MEMS麦克风，其特征在于，所述制备方法包括：
提供基底，在所述基底的表面沉积氧化隔离层；
在所述氧化隔离层的表面沉积形成主振膜层；
对所述主振膜层的表面进行图案化处理，形成边框部、主体部和避位槽；
对图案化处理后的主振膜层表面沉积压电层，对所述压电层进行刻蚀形成电极部，所述电极部对应所述避位槽处形成波浪形结构；
对所述基底背离所述主振膜层的另一表面进行刻蚀，形成背腔。
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