CN113316072A - 一种具有滤波作用的压电声学换能器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于MEMS压电器件和半导体制造技术领域，公开了一种具有滤波作用的压电声学换能器及其制作方法。包括外壳、基板和MEMS芯片；外壳和基板围合形成容置腔，基板上开设有声孔，声孔与容置腔连通；MEMS芯片包括衬底、振膜和滤波层；衬底的一端与基板连接，振膜连接于衬底背离基板的另一端，振膜与基板之间形成背腔，滤波层将背腔分隔为顶部背腔和底部背腔，滤波层开设有若干个通孔，并对应多个不同大小的截面积。本发明能够有效地对杂波信号进行过滤，使得麦克风具有好的拾音效果。

Description

一种具有滤波作用的压电声学换能器及其制作方法

技术领域

本发明属于MEMS压电器件和半导体制造技术领域，更具体地，涉及一种具有滤波作用的压电声学换能器及其制作方法。

背景技术

声学换能器是一种能量转换器件，可以将声音信号通过不同的方式转换为电信号。压电声学换能器，是利用压电效应将声信号转换为电信号的能量转换器件，例如压电式MEMS麦克风就是典型的压电声学换能器。近年来，由于压电式MEMS麦克风具有体积小、性能稳定、信噪比高、灵敏度好和响应速度快等优点，智能穿戴设备和智能手机上已经广泛采用了这种麦克风。

麦克风在拾音时难免会有无用的杂乱声波信号干扰，当无用的杂乱声波信号过多时，则会影响麦克风本身的拾音效果，因此对于杂波信号的过滤十分重要。

发明内容

本发明通过提供一种具有滤波作用的压电声学换能器及其制作方法，解决现有技术中压电式MEMS麦克风的拾音效果较差的问题。

本发明提供一种具有滤波作用的压电声学换能器，包括：外壳、基板和MEMS芯片；所述外壳和所述基板围合形成容置腔，所述基板上开设有声孔，所述声孔与所述容置腔连通；

所述MEMS芯片包括衬底、振膜和滤波层；所述衬底的一端与所述基板连接，所述振膜连接于所述衬底背离所述基板的另一端，所述振膜与所述基板之间形成背腔，所述滤波层将所述背腔分隔为顶部背腔和底部背腔，所述顶部背腔位于所述振膜与所述滤波层之间，所述底部背腔位于所述滤波层与所述基板之间；所述滤波层开设有若干个通孔，若干个所述通孔对应多个不同大小的截面积。

优选的，所述振膜悬置于所述顶部背腔的上方，所述振膜采用悬臂梁结构。

优选的，所述振膜采用中心固定方式的悬臂梁结构，所述振膜的中心固定端建立在所述滤波层上。

优选的，所述滤波层包括支撑柱，所述支撑柱作为所述振膜的支撑，所述滤波层在所述支撑柱之外的区域开设所述通孔。

优选的，所述振膜采用外周固定方式的悬臂梁结构，所述振膜的外周固定端建立在所述衬底上。

优选的，所述振膜包括依次堆叠设置的第一电极层、压电层和第二电极层，或者，所述振膜包括依次堆叠设置的第一电极层、压电层、第二电极层、压电层和第一电极层。

优选的，所述声孔的截面积沿所述基板向所述振膜的方向呈逐渐扩大的趋势。

优选的，所述衬底包括第一绝缘层、过渡层和第二绝缘层；所述过渡层位于所述第一绝缘层和所述第二绝缘层之间，所述第一绝缘层与所述基板连接，所述第二绝缘层与所述振膜连接。

优选的，所述具有滤波作用的压电声学换能器还包括：ASIC芯片；所述ASIC芯片置于所述容置腔内，所述ASIC芯片通过导线与所述MEMS芯片电连接。

另一方面，本发明提供一种如上述的具有滤波作用的压电声学换能器的制作方法，其中的MEMS芯片的制作包括以下步骤：

步骤1、选用硅片作为第一绝缘层，通过光刻和刻蚀工艺在所述硅片上形成空腔结构；

步骤2、在所述空腔结构中沉积二氧化硅，并使用化学机械抛光工艺将表面研磨平整；

步骤3、在带有所述空腔结构的硅片上键合由过渡层和第二绝缘层组成的复合层；

步骤4、在所述复合层上依次沉积材料形成结构层，所述结构层作为振膜；

步骤5、通过刻蚀的方式进行预刻蚀，依次刻穿所述结构层、所述第二绝缘层和所述过渡层，刻蚀释放所述空腔结构内的二氧化硅，形成顶部背腔，得到悬臂梁结构的振膜；

步骤6、刻蚀所述硅片的底部区域，形成底部背腔，得到滤波层；

步骤7、通过刻蚀在所述滤波层上形成若干个通孔。

本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

在发明中，MEMS芯片包括衬底、振膜和滤波层，振膜与基板之间形成背腔，在背腔中设置有滤波层，滤波层上开设有若干个具有不同截面积的通孔。本发明中的滤波层可以视为声学传播过程中的插管，根据声学基础里中间插管的传声特性，滤波层的存在会使某些频率下的声波透射本领最差，反射本领最强，这样就能构成对某些频率的滤波作用，即滤波层可以在MEMS芯片接收声波时有效地过滤掉一定频率下的杂波，从而提升声学换能器的拾音品质。此外，本发明提供的压电声学换能器的制作方法比较特殊，此压电声学换能器的背腔分为顶部背腔和底部背腔，顶部背腔是通过先在硅片上刻蚀出相应的空腔结构，然后沉积二氧化硅，采用CMP抛光，之后键合由过渡层和第二绝缘层组成的复合层，最后在刻蚀悬臂梁结构时释放二氧化硅形成的；底部背腔则是在衬底上直接刻蚀形成，之后在滤波层上进行刻蚀形成滤波层上的通孔。即本发明提供了一种新的MEMS芯片及对应的压电声学换能器的制作方法。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种具有滤波作用的压电声学换能器的纵向剖面图；

图2是本发明涉及到的声学基础里中间插管的传播特性示意图；

图3是本发明实施例2提供的MEMS芯片的纵向剖面图；

图4是图3所示MEMS芯片中滤波层的横向截面图；

图5是本发明实施例2中提到的沉积二氧化硅形成衬底的纵向剖面图；

图6是本发明实施例2中提到的在衬底上沉积压电薄膜后的纵向剖面图；

图7是本发明实施例2中提到的释放出顶部背腔后的纵向剖面图；

图8是本发明实施例2中提到的释放出底部背腔后的纵向剖面图；

图9是本发明实施例1提供的MEMS芯片的纵向剖面图；

图10是图9所示MEMS芯片中滤波层的横向截面图；

图11是本发明实施例1中提到的沉积二氧化硅形成衬底的纵向剖面图。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

本发明提供一种具有滤波作用的压电声学换能器，参见图1、图3至图11，包括：外壳10、基板30和MEMS芯片50；所述外壳10和所述基板30围合形成容置腔20，所述基板30上开设有声孔31，所述声孔31与所述容置腔20连通；所述MEMS芯片50包括衬底51、振膜52和滤波层56；所述衬底51的一端与所述基板30连接，所述振膜52连接于所述衬底51背离所述基板30的另一端，所述振膜52与所述基板30之间形成背腔，所述滤波层56将所述背腔分隔为顶部背腔54和底部背腔55，所述顶部背腔54位于所述振膜52与所述滤波层56之间，所述底部背腔55位于所述滤波层56与所述基板30之间；所述滤波层56开设有若干个通孔53，若干个所述通孔53对应多个不同大小的截面积。

其中，所述振膜52悬置于所述顶部背腔54的上方，所述振膜52采用悬臂梁结构。

所述振膜52包括依次堆叠设置的第一电极层521、压电层522和第二电极层523，或者，所述振膜52包括依次堆叠设置的第一电极层521、压电层522、第二电极层523、压电层522和第一电极层521。即本发明采用的压电振膜可采用单晶片或双晶片的结构，双晶片结构可以在更小的尺寸下产生与单晶片结构相同的输出电压。

所述声孔31的截面积沿所述基板30向所述振膜52的方向呈逐渐扩大的趋势，有利于接收声压。

所述衬底51包括第一绝缘层513、过渡层512和第二绝缘层511；所述过渡层512位于所述第一绝缘层513和所述第二绝缘层511之间，所述第一绝缘层513与所述基板30连接，所述第二绝缘层511与所述振膜52连接。所述第一绝缘层513与所述基板30相连接。

此外，所述具有滤波作用的压电声学换能器还包括：ASIC芯片40；所述ASIC芯片40置于所述容置腔20内，所述ASIC芯片40通过导线60与所述MEMS芯片50电连接。

所述基板30为PCB板，PCB板的层数可根据实际需要进行选择，所述外壳10和所述基板30可通过导电胶或锡膏连接，可以实现所述外壳10和所述基板30的电连接，从而形成一个导通的屏蔽空腔，防止外界电磁波干扰，增强对位于内部的所述MEMS芯片50的保护作用。此外，所述外壳10与所述基板30之间还可通过其他导电材料连通。

所述MEMS芯片50的所述背腔被所述滤波层56分隔成所述顶部背腔54和所述底部背腔55，所述底部背腔55与所述声孔31相通，使声音信号能够依次通过所述声孔31、所述底部背腔55、所述滤波层56、所述顶部背腔54达到所述振膜52上，从而产生相应的电信号。

所述滤波层56为一层或多层，所述滤波层56上的所述通孔53的位置可以按照对称的方式排列，也可以按照滤波要求任意摆放，所述通孔53的形状可以是圆形、正方形及任意正多边形。所述滤波层56位于背腔中的位置可根据要求适当调整。

本发明中的振膜52可以采用两种固定方式，下面分别结合实施例1和实施例2进行说明。

实施例1：

实施例1提供一种具有滤波作用的压电声学换能器，参见图9，所述振膜52采用中心固定方式的悬臂梁结构，所述振膜52的中心固定端建立在所述滤波层56上。

所述滤波层56包括支撑柱57，所述支撑柱57作为所述振膜52的支撑，所述滤波层56在所述支撑柱57之外的区域开设所述通孔53。所述振膜52可以划分为多个膜片。

实施例2：

所述振膜52采用外周固定方式的悬臂梁结构，所述振膜52的外周固定端建立在所述衬底51上，如图3所示。所述振膜52可以划分为多个膜片。

实施例3：

实施例3提供如实施例1或实施例2描述的具有滤波作用的压电声学换能器的制作方法，具体为MEMS芯片的制作方法，包括以下步骤：

步骤1、选用硅片作为第一绝缘层513，通过光刻和刻蚀工艺在所述硅片上形成空腔结构；

步骤2、在所述空腔结构中沉积二氧化硅541，并使用化学机械抛光工艺将表面研磨平整；参见图5(对应实施例2)、图11(对应实施例1)；

步骤3、在带有所述空腔结构的硅片上键合由过渡层512和第二绝缘层511组成的复合层；

步骤4、在所述复合层上依次沉积材料形成结构层，所述结构层作为振膜52；参见图6(对应实施例2)；

步骤5、通过刻蚀的方式进行预刻蚀，依次刻穿所述结构层、所述第二绝缘层511和所述过渡层512，刻蚀释放所述空腔结构内的二氧化硅541，形成顶部背腔54，得到悬臂梁结构的振膜52；参见图7(对应实施例2)；

步骤6、刻蚀所述硅片的底部区域，形成底部背腔55，得到滤波层56；参见图8(对应实施例2)；

步骤7、通过刻蚀在所述滤波层56上形成若干个通孔53；所述滤波层56可采用入图4、图10所示的结构。

需要说明的是，本发明中实施例1与实施例2中的MEMS芯片采用相同的制作工艺和方案，只是振膜固定方式不同。

需要说明的是，本发明中的外壳、基板、ASIC芯片的相关制作与连接方式采用现有技术即可，在此不再赘述。

本发明提供了一种具有滤波作用的压电声学换能器及其制作方法，该压电声学换能器在背腔中设置有滤波层，滤波层上开设有大小不一，位置不定，具有一定数量的通孔。滤波层可以视为声学传播过程中的插管，根据声学基础里中间插管的传声特性，滤波层的存在会使某些频率下的声波透射本领最差，反射本领最强，这样就能构成对某些频率的滤波作用。该压电声学换能器的制作方法比较特殊，此压电声学换能器的背腔分为顶部背腔和底部背腔，顶部背腔是通过先在硅片上刻蚀出相应的区域，然后沉积进二氧化硅，采用CMP抛光，之后键合由过渡层和绝缘层组成的复合层，最后在刻蚀悬臂梁结构的时释放二氧化硅形成顶部背腔；底部背腔则是在衬底硅上直接刻蚀形成，之后在滤波层上进行刻蚀形成滤波层上的通孔。

下面对本发明做进一步的说明。

本发明涉及到的压电声学换能器具有滤波作用，其工作原理如图2所示。声波在管中传播时，若管的截面发生突变，则声阻抗会随之发生变化，这就是中间插管的传播特性。当声波自下而上传播时，管的横截面积由S₁骤降至S₂，再扩展至S₁。

设在S₁管中有一入射波p_i和一反射波p_r，在S₂管中存在透射波p_t，假定坐标原点取在S₁管和S₂管的接口处，上述三种波的声压表达式如下：

p_i＝p_aie^j(ωt-kx)

p_r＝p_are^j(ωt+kx)

p_t＝p_ate^j(ωt-kx)

其中，p_ai表示入射波p_i的幅值，p_ar表示反射波p_r的幅值，p_at表示透射波p_t的幅值。

上述三种波的质点速度表达式如下：

其中，v_i表示入射波p_i的质点速度，v_r表示反射波p_r的质点速度，v_t表示透射波p_t的质点速度，ρ₀表示介质密度，c₀表示波的速度。

由声压连续性可知：

p_ai+p_ar＝p_at

由体积速度连续性可知：

S₁(v_i+v_r)＝S₂v_t

代入质点速度表达式并取x＝0可得：

S₁(p_ai-p_ar)＝S₂p_at

联立两式，可解得声压比：

其中，

由此可见，声波的反射与两根管子的截面积比值有关。当S₂＜S₁时，r_p＞0，相当于声波遇到“硬”边界情形；当S₂＞S₁时，r_p＜0，相当于声波遇到“软”边界。

具体到本发明，首先在声波通过底部背腔进入滤波层时，满足了硬边界条件；而从滤波层进入顶部背腔时，又满足了软边界条件。本发明中滤波层上开设的通孔相当于中间插管，本发明中若干个通孔对应多个不同大小的截面积，对应就会有不同的S₂₁，不同的横截面积可以产生不同的声阻抗，进而通过两个管子的横截面积比值去影响声波的反射。

具体的，两根管子截面积不同的传声特性与两种不同媒质的传声情形相类似，通过类比可知中间插管情形的声强透射系数t_I的公式为：

由上式可知，声波经过中间插管的透射，不仅同主管与插管的截面积比值有关，而且与插管长度D有关，当

即

时，透射系数最小

其中，

k表示波数。当中间插管的长度等于

的奇数倍时，声波的透射本领最差，反射本领最强，这就构成了对某些频率的滤波作用。其中，λ为声波的波长，而λ＝u/f，u指的是在当前媒质下声波的波速，f为频率。这也就阐述了插管长度与频率之间的关系。插管长度D在本发明中对应滤波层的厚度。

基于上述原理，本发明提供具有滤波作用的压电声学换能器及其制作方法，通过设置的滤波层可以在MEMS芯片接收声波时有效地过滤掉一定频率下的杂波，从而提升声学换能器的拾音品质，并提供了一种新的MEMS芯片及对应的压电声学换能器的制作方法。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种具有滤波作用的压电声学换能器，其特征在于，包括：外壳、基板和MEMS芯片；所述外壳和所述基板围合形成容置腔，所述基板上开设有声孔，所述声孔与所述容置腔连通；

所述MEMS芯片包括衬底、振膜和滤波层；所述衬底的一端与所述基板连接，所述振膜连接于所述衬底背离所述基板的另一端，所述振膜与所述基板之间形成背腔，所述滤波层将所述背腔分隔为顶部背腔和底部背腔，所述顶部背腔位于所述振膜与所述滤波层之间，所述底部背腔位于所述滤波层与所述基板之间；所述滤波层开设有若干个通孔，若干个所述通孔对应多个不同大小的截面积。

2.根据权利要求1所述的具有滤波作用的压电声学换能器，其特征在于，所述振膜悬置于所述顶部背腔的上方，所述振膜采用悬臂梁结构。

3.根据权利要求2所述的具有滤波作用的压电声学换能器，其特征在于，所述振膜采用中心固定方式的悬臂梁结构，所述振膜的中心固定端建立在所述滤波层上。

4.根据权利要求3所述的具有滤波作用的压电声学换能器，其特征在于，所述滤波层包括支撑柱，所述支撑柱作为所述振膜的支撑，所述滤波层在所述支撑柱之外的区域开设所述通孔。

5.根据权利要求2所述的具有滤波作用的压电声学换能器，其特征在于，所述振膜采用外周固定方式的悬臂梁结构，所述振膜的外周固定端建立在所述衬底上。

6.根据权利要求1所述的具有滤波作用的压电声学换能器，其特征在于，所述振膜包括依次堆叠设置的第一电极层、压电层和第二电极层，或者，所述振膜包括依次堆叠设置的第一电极层、压电层、第二电极层、压电层和第一电极层。

7.根据权利要求1所述的具有滤波作用的压电声学换能器，其特征在于，所述声孔的截面积沿所述基板向所述振膜的方向呈逐渐扩大的趋势。

8.根据权利要求1所述的具有滤波作用的压电声学换能器，其特征在于，所述衬底包括第一绝缘层、过渡层和第二绝缘层；所述过渡层位于所述第一绝缘层和所述第二绝缘层之间，所述第一绝缘层与所述基板连接，所述第二绝缘层与所述振膜连接。

9.根据权利要求1所述的具有滤波作用的压电声学换能器，其特征在于，还包括：ASIC芯片；所述ASIC芯片置于所述容置腔内，所述ASIC芯片通过导线与所述MEMS芯片电连接。

10.一种如权利要求1-9中任一项所述的具有滤波作用的压电声学换能器的制作方法，其特征在于，MEMS芯片的制作包括以下步骤：

步骤1、选用硅片作为第一绝缘层，通过光刻和刻蚀工艺在所述硅片上形成空腔结构；

步骤2、在所述空腔结构中沉积二氧化硅，并使用化学机械抛光工艺将表面研磨平整；

步骤3、在带有所述空腔结构的硅片上键合由过渡层和第二绝缘层组成的复合层；

步骤4、在所述复合层上依次沉积材料形成结构层，所述结构层作为振膜；

步骤5、通过刻蚀的方式进行预刻蚀，依次刻穿所述结构层、所述第二绝缘层和所述过渡层，刻蚀释放所述空腔结构内的二氧化硅，形成顶部背腔，得到悬臂梁结构的振膜；

步骤6、刻蚀所述硅片的底部区域，形成底部背腔，得到滤波层；

步骤7、通过刻蚀在所述滤波层上形成若干个通孔。

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