CN113507676A - 硅基悬臂梁式mems压电麦克风的结构及装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及硅基悬臂梁式MEMS压电麦克风的结构及装置，具体而言，涉及麦克风装置领域；本申请提供的硅基悬臂梁式MEMS压电麦克风的结构，结构包括：衬底、第一电极层、压电材料层和第二电极层；由于该第一电极层、压电材料层和第二电极层的形状均为“T”形结构，且该“T”形结构的第一电极层的短端与开口空腔结构的开口位置的边缘连接，使得该第一电极层、压电材料层和第二电极层形成了悬臂梁结构，悬臂梁结构可以在声音的振动的作用下，进行振动，进而使得压电材料层上的电荷发生转移，则使得该第一电极层和第二电极层上的电荷量发生改变，即该麦克风结构的输出发生改变，通过对输出电信号进行检测，可以得到更为准确的声音信号。

Description

硅基悬臂梁式MEMS压电麦克风的结构及装置

技术领域

本申请涉及麦克风装置领域，具体而言，涉及一种硅基悬臂梁式MEMS压电麦克风的结构及装置。

背景技术

麦克风是将声音信号转换为电信号的能量转换器件，也称话筒、微音器。目前已被广泛应用于各种电子领域、军事领域、医疗领域等。此外，灵敏度和较低的谐振频率将成为必要条件。

MEMS麦克风现已应用普及在消费性电子产品中。随着科技的进步，压电式硅麦克风逐渐开始发展起来。但是压电麦克风与电容器麦克风相比，影响其普及应用的最大缺点在于传感器的谐振频率较高导致的压电麦克风的灵敏度太低。也就是说压电膜感应音频信号的能力远低于电容式麦克风中振膜的能力。

麦克风的工作频率一般在20-20kHz，为了提升压电式麦克风工作的灵敏度，大多数厂商皆采用在压电膜上设置狭槽，但这种狭槽的设计使得低频信号甚至中频信号的泄漏非常严重，使得现有技术中的麦克风灵敏度较低。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种硅基悬臂梁式MEMS压电麦克风的结构及装置，以解决现有技术中为了降低传感器的谐振频率并且进一步的提升压电式麦克风的灵敏度，大多数厂商皆采用在压电膜上设置狭槽，但这种狭槽的设计使得低频信号甚至中频信号的泄漏非常严重，使得现有技术中的麦克风灵敏度较低的问题。同时，麦克风频率响应较宽且平坦，优化麦克风结构的关键尺寸，可实现通带内最大偏差在3dB以内，有助于麦克风系统设计实现自然、清晰的声音。

为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本申请提供一种硅基悬臂梁式MEMS压电麦克风的结构，结构包括：衬底、第一电极层、压电材料层和第二电极层；衬底为开口空腔结构，第一电极层、压电材料层和第二电极层的形状均为“T”形结构，且“T”形结构的第一电极层的短端与开口空腔结构的开口位置的边缘连接，压电材料层设置在第一电极层远离衬底的一侧，第二电极层设置在压电材料层远离第一电极层的一侧，且第一电极层、压电材料层和第二电极层均与水平面平行，且在水平面上的投影均相同。

可选地，该结构还包括第三电极层、第二压电材料层和第四电极层，第三电极层与开口空腔结构的开口位置的边缘连接，第二压电材料层和第四电极层依次设置在第四电极层远离衬底的一侧。

可选地，该结构还包括第五电极层和第三压电材料层，第三压电材料层设置在第二电极层远离压电材料层的一侧，第三电极层设置在第三压电材料层远离第二电极层的一侧。

可选地，该结构还包括支撑层，支撑层设置在衬底远离第一电极层的一侧。

可选地，该结构还包括硅层，硅层设置在第一电极层靠近衬底的一侧。

可选地，该结构还包括氧化硅部与器件层硅部，氧化硅部设置在衬底的开口位置，与衬底上表面一致，器件层硅部放置在氧化硅上部且放置在第一电极层远离第一压电层的一侧。

第二方面，本申请提供一种硅基悬臂梁式MEMS压电麦克风的装置，装置包括数模转化装置和第一方面任意一项的硅基悬臂梁式MEMS压电麦克风的结构，数模转化装置的正负极分别与结构的第一电极层和第二电极层电连接，用于将第一电极层和第二电极层输出的电荷信号转化为数字信号。

本发明的有益效果是：

本申请提供的硅基悬臂梁式MEMS压电麦克风的结构，结构包括：衬底、第一电极层、压电材料层和第二电极层；衬底为开口空腔结构，第一电极层、压电材料层和第二电极层的形状均为“T”形结构，且“T”形结构的第一电极层的短端与开口空腔结构的开口位置的边缘连接，压电材料层设置在第一电极层远离衬底的一侧，第二电极层设置在压电材料层远离第一电极层的一侧，且第一电极层、压电材料层和第二电极层均与水平面平行，且在水平面上的投影均相同，由于该第一电极层、压电材料层和第二电极层的形状均为“T”形结构，且该“T”形结构的第一电极层的短端与开口空腔结构的开口位置的边缘连接，使得该第一电极层、压电材料层和第二电极层形成了悬臂梁结构。悬臂梁结构麦克风在声音信号作用下产生振动，根据压电材料的压电效应，麦克风上压电材料层表面上的电荷发生转移，进而使得该第一电极层和第二电极层上的电荷量发生改变，即该麦克风结构的输出信号发生改变，通过对输出电荷信号进行检测，可以得到准确的声音信号，并且本申请由于悬臂梁结构，使得该悬臂梁结构的声音的作用下振动幅度更大，则进一步的降低了谐振频率，使得本申请的麦克风结构得到的低频灵敏度更高，输出的与声音信号相关的电信号更准确稳定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明一实施例提供的一种硅基悬臂梁式MEMS压电麦克风的结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的另一种硅基悬臂梁式MEMS压电麦克风的结构示意图；

图3为本发明一实施例提供的另一种硅基悬臂梁式MEMS压电麦克风的结构示意图；

图4为本发明一实施例提供的一种悬臂梁式压电麦克风结构的振动梁长尺寸的变化对整体麦克风结构谐振频率的影响示意图；

图5为本发明一实施例提供的一种悬臂梁式压电麦克风振动膜边长的变化对整体麦克风结构谐振频率的影响示意图；

图6为本发明一实施例提供的一种悬臂梁式压电麦克风的灵敏度示意图；

图7为本发明一实施例提供的一种悬臂梁式压电麦克风的频响曲线示意图；

图8为本发明一实施例提供的另一种硅基悬臂梁式MEMS压电麦克风的结构示意图；

图9为本发明一实施例提供的另一种硅基悬臂梁式MEMS压电麦克风的结构示意图。

图标：10-衬底；11-支撑层；20-第一电极层；21-硅层；30-压电材料层；40-第二电极层；50-第三电极层；60-第二压电材料层；70-第四电极层；80-第五电极层；90-第三压电材料层。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

为了使本发明的实施过程更加清楚，下面将会结合附图进行详细说明。

图1为本发明一实施例提供的一种硅基悬臂梁式MEMS压电麦克风的结构示意图；如图1所示，本申请提供一种硅基悬臂梁式MEMS压电麦克风的结构，结构包括：衬底10、第一电极层20、压电材料层30和第二电极层40；衬底10为开口空腔结构，第一电极层20、压电材料层30和第二电极层40的形状均为“T”形结构，且“T”形结构的第一电极层20的短端与开口空腔结构的开口位置的边缘连接，压电材料层30设置在第一电极层20远离衬底10的一侧，第二电极层40设置在压电材料层30远离第一电极层20的一侧，且第一电极层20、压电材料层30和第二电极层40均与水平面平行，且在水平面上的投影均相同。

该衬底10的形状和尺寸根据实际需要进行设置，在此不做具体限定，在实际应用中，该衬底10的形状为长方体结构，长方体的内部为空腔结构，且该长方体的空腔结构的一面开口，该开口位置的尺寸根据实际需要进行设置，为了方便说明，在此以该衬底10上的开口的尺寸等于该衬底10顶面的尺寸，该衬底10开口位置的边缘位置依次设置有第一电极层20、压电材料层30和第二电极层40，且该第一电极层20、压电材料层30和第二电极层40的形状完全相同，均为“T”形结构，即第一电极层20、压电材料层30和第二电极层40组成的悬臂梁结构的包括长端和短端，其中，长端位置的宽度大于该短端位置的宽度，且该第一电极层20的短端与该衬底10开口位置的边缘位置连接，使得该第一电极层20与该衬底10的底面平行，该压电材料层30设置在该第一电极层20的上表面，该第二电极层40设置在该压电材料层30的上表面。由于逆压电效应的作用，该压电材料层30在压力的作用下，电荷发生定向移动，由于该压电材料层30上表面设置有第二电极层40，下表面设置有第一电极层20，当该压电材料层30在压力的作用下振动或者形变时，该压电材料层30的上下表面的电荷量发生改变，从而使得该第一电极层20和第二电极层40检测得到的电压发生改变。

在实际应用中，本申请的麦克风结构是用于采集声音信号，由于声音信号是由振动产生的，则声音信号在传递的过程中，也是振动的传递过程，则声音信号对应的振动信号作用在该悬臂梁上时，使得该悬臂梁也发生振动，进而使得该压电材料层30也发生振动，进而改变该第一电极层20和第二电极层40之间的电压，相当于将声音信号的振动信息转化为电压信号，需要说明的是，该声音信号的振动信息与该电压信号具有对应关系，在实际应用中，悬臂梁结构可以在声音的振动的作用下，进行振动，进而使得压电材料层30上的电荷发生转移，则使得该第一电极层20和第二电极层40上的电荷量发生改变，即该麦克风结构的输出电压发生改变，通过对输出电压信号进行检测，可以得到准确的声音信号，并且本申请由于悬臂梁结构，使得该悬臂梁结构的声音的作用下振动幅度更大，由于振幅与该振动频率为负相关，则进一步的降低了谐振频率，使得本申请的麦克风结构得到的灵敏度更高，输出的与声音信号相关的电压信号更准确稳定，该悬臂梁的长端和短端之间的尺寸关系根据实际需要进行设置，在此不做具体限定。

一般的，该长端与短端的尺寸比例越大，该悬臂梁的谐振频率越小，使得获取到的声音信息越清晰。根据仿真结果，在实际应用中，控制该悬臂梁的长端与短端的尺寸比例，以达到控制该悬臂梁的谐振频率为40kHz-60kHz，此时，麦克风在其工作频段的输出更高，灵敏度最高且该麦克风接收频率的平坦度较高，进一步保证该麦克风接收的声音信号不失真，从而使得该麦克风接收并传递的声音信号稳定性和准确性较高，本申请中的第一电极层20材料可以为钼、钛、金、铜中至少一种或多种，压电材料层为压电材料，压电材料是指受到压力作用在其两端面出现电荷的一大类单晶或多晶的固体材料，是进行能量转换和信号传递的重要载体。压电材料本身具有良好的动态特性，振型丰富，各种材料的声发射频谱几乎覆盖整个频段，压电材料以其优异的机电耦合效应，可以快速响应外力。本专利中压电材料可选取氮化铝，氮化铝相较于其他MEMS压电材料(例如氧化锌、锆钛酸铅)具有相同或更高的性能，而且它的兼容性要比两种材料中任何一种都要好。此外，压电材料还可以选取铌酸锂等。

图2为本发明一实施例提供的另一种硅基悬臂梁式MEMS压电麦克风的结构示意图；如图2所示，可选地，该结构还包括第三电极层50、第二压电材料层60和第四电极层70，第三电极层50与开口空腔结构的开口位置的边缘连接，第二压电材料层60和第四电极层70依次设置在第四电极层70远离衬底10的一侧。

该第三电极层50、第二压电材料层60和第四电极层70形成了第二悬臂梁，该第二悬臂梁设置在该开口空腔结构的开口位置的边缘连接，该第二悬臂梁中的第三电极层50、第二压电材料层60和第四电极层70依次远离该衬底10设置，该第二悬臂梁与该悬臂梁窄端与宽端分别远离，尺寸一致，形成方形结构，悬臂梁均位于空腔上，边缘固定与衬底之上，分别位于对应的两侧。采用阵列的设计，提升麦克风的输出响应与灵敏度，两个悬臂梁结构采用点对称设计，相辅相成，使得麦克风结构在工作频段内平滑响应效果更佳。

可选地，该麦克风结构还可以包括多个悬臂梁，多个悬臂梁之间周期间隔设置，采用阵列的设计以期提升麦克风的输出，使得该麦克风获取得到的声音信号的准确性和稳定性均更高。

图3为本发明一实施例提供的另一种硅基悬臂梁式MEMS压电麦克风的结构示意图；如图3所示，可选地，该结构还包括第五电极层80和第三压电材料层90，第三压电材料层90设置在第二电极层40远离压电材料层30的一侧，第三电极层设置在第三压电材料层90远离第二电极层40的一侧。

该第二电极层40的上部设置有第三压电材料层90，该第三压电材料层90的上部设置有第五电极层80，该压电材料层30和第三压电材料层90均会在声音信号的作用下产生振动，即使得本申请的悬臂梁的厚度得到加厚，进而使得在相同的声音信号的作用下，该悬臂梁的输出电信号更高，并且通带内的平坦度也得到了进一步的提升，从而使得本申请获取的声音信息的准确度得到进一步提高，进而使得本申请的麦克风结构获取到的声音信息的质量更高。同时，压电结构厚度的增加，进一步的提升了麦克风的可靠性。

图4为本发明三实施例提供的一种悬臂梁式压电麦克风结构的振动梁长尺寸的变化对整体麦克风结构谐振频率的影响示意图；图5为本发明三实施例提供的一种悬臂梁式压电麦克风振动膜边长的变化对整体麦克风结构谐振频率的影响示意图；图6为本发明三实施例提供的一种悬臂梁式压电麦克风的灵敏度示意图；图7为本发明三实施例提供的一种悬臂梁式压电麦克风的频响曲线示意图；本实施例中的装置包括两个悬臂梁结构，如此设置，通过优化器件的关键尺寸，包括第一电极层20、第二电极层40、第三电极层40、第四电极层70、压电材料层30和第二压电材料层60的尺寸与厚度，使得本申请的装置在尺寸较小的条件下，实现较大尺寸才能实现的功能，使得本申请的装置最终谐振频率可降到5-350kHz范围，可以得到此结构可以达到较低的频率范围，在低频压电器件设计制备方面具有很大潜能。参数化扫描悬臂梁结构的边长，如图4所示，横坐标表示梁的截面长度，纵坐标表示结构的谐振频率，改变梁的长度，包括第一电极层20、第一压电材料层30、第二电极层40、第三压电材料层90和第五电极层80，根据数据示意图，在宽度给定情况下，悬臂梁长度的增加会降低器件的谐振频率，进而影响麦克风结构的灵敏度；如图5所示，横坐标表示振动膜方边截面的边长，纵坐标表示压电麦克风的谐振频率，改变整个麦克风振动膜方边的边长，可以得到，随着边长的增加，麦克风的谐振频率逐渐降低，且降幅由快到慢，频率可以降低到20kHz以下，达到8kHz，从仿真结果来看，此悬臂梁式结构在甚低频器件应用方面具有很大潜能。同时，对结构进行多物理场耦合仿真还可以得到，如图6所示，横坐标表示频率，纵坐标表示结构的灵敏度，即输出电压与输入声压的比例关系，此示意图可以表示麦克风灵敏度随振动频率的变化情况，可以得出，结构的灵敏度可达0.1mV/Pa，并且灵敏度还可以通过进一步优化悬臂梁关键尺寸并结合材料的优化得到进一步的提升。此外，图7所示为本发明三实施例所示麦克风结构的频率响应曲线，表示结构的输出与输入频率之间的关系，可以看到在20-20kHz频率范围内，结构的不平坦度约为1.1dB，最大不平坦度远在3dB以内，频响曲线平坦度较高。

图8为本发明一实施例提供的另一种硅基悬臂梁式MEMS压电麦克风的结构示意图；如图8所示，可选地，该结构还包括支撑层11，支撑层11设置在衬底10远离第一电极层20的一侧。

该支撑层11设置在该衬底10远离第一电极层20的一侧，该支撑层11用于对该衬底10进行支撑，防止压电材料层30断裂，当悬臂梁结构振动时，支撑层11可以起到保护作用，防止过载时结构出现断裂。因此在实际应用中，一般使用Si-Si键合工艺制备衬底10底部的支撑层11。

图9为本发明一实施例提供的另一种硅基悬臂梁式MEMS压电麦克风的结构示意图；如图9所示，可选地，该结构还包括硅层21，硅层21设置在第一电极层20靠近衬底10的一侧。

该硅层21用于对该第一电极层20、压电材料层30和第二电极层40进行支撑，以增加该悬臂梁的厚度，进一步的使得该悬臂梁在相同强度的声音信号的作用下，提高器件的谐振频率，进而使得在相同强度的声音信号作用下该压电材料层30的形变量变小，即该压电材料层30的输出的电压信息也相应发生改变，从而使得本申请获取的声音信息的准确度得到进一步提高，进而使得该麦克风的频带内的平坦度得到进一步的提高，从而使得获取到的声音信息的质量更高。

可选地，该结构还包括氧化硅部与器件层硅部，氧化硅部设置在衬底10的上方，与衬底10的上表面一致，具有相同的开口位置，器件层硅部放置在氧化硅上部且放置在第一电极层远离第一压电层的一侧。

该衬底层结构采用SOI基底，采用SOI基底可减少工艺工序，提升工艺制备的可靠性。SOI底层硅与SOI氧化硅部分作为支撑层11，同时底层硅与氧化硅部均采用悬臂梁衬底10所示的开口结构，SOI顶层器件层硅用于压电结构层，放置在第一电极层远离第一压电层的一侧，与电极层与压电层的结构上表面一致。SOI顶层器件层硅的存在增加了整个悬臂梁的厚度，提升了器件的可靠性，相对的提升了器件的谐振频率，从而使得该麦克风的频带内的平坦度得到进一步的提高，从而使得获取到的声音信息的质量更高。

可选地，本申请的制备方法：准备硅片，在硅片衬底上依次溅射电极材料/压电材料/电极材料，从上到下依次图案化电极材料/压电材料/电极材料，并完成电极焊盘的刻蚀，最后进行背腔刻蚀，刻蚀衬底开口空腔。

本申请提供一种硅基悬臂梁式MEMS压电麦克风的装置，装置包括数模转化装置和上述任意一项的硅基悬臂梁式MEMS压电麦克风的结构，数模转化装置的正负极分别与结构的第一电极层20和第二电极层40电连接，用于将第一电极层20和第二电极层40输出的电压信号转化为数字信号。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种硅基悬臂梁式MEMS压电麦克风的结构，其特征在于，所述结构包括：衬底、第一电极层、压电材料层和第二电极层；所述衬底为开口空腔结构，所述第一电极层、所述压电材料层和所述第二电极层的形状均为“T”形结构，且“T”形结构的所述第一电极层的短端与所述开口空腔结构的开口位置的边缘连接，所述压电材料层设置在所述第一电极层远离所述衬底的一侧，所述第二电极层设置在所述压电材料层远离所述第一电极层的一侧，且所述第一电极层、所述压电材料层和所述第二电极层均与水平面平行，且在水平面上的投影均相同。

2.根据权利要求1所述的硅基悬臂梁式MEMS压电麦克风的结构，其特征在于，所述结构还包括第三电极层、第二压电材料层和第四电极层，所述第三电极层与所述开口空腔结构的开口位置的边缘连接，所述第二压电材料层和所述第四电极层依次设置在所述第四电极层远离所述衬底的一侧。

3.根据权利要求1所述的硅基悬臂梁式MEMS压电麦克风的结构，其特征在于，所述结构还包括第五电极层和第三压电材料层，所述第三压电材料层设置在所述第二电极层远离所述压电材料层的一侧，所述第三电极层设置在所述第三压电材料层远离所述第二电极层的一侧。

4.根据权利要求3所述的硅基悬臂梁式MEMS压电麦克风的结构，其特征在于，所述结构还包括支撑层，所述支撑层设置在所述衬底远离所述第一电极层的一侧。

5.根据权利要求4所述的硅基悬臂梁式MEMS压电麦克风的结构，其特征在于，所述结构还包括硅部，所述硅层设置在第一电极层远离压电层的一侧。

6.根据权利要求5所述的硅基悬臂梁式MEMS压电麦克风的结构，其特征在于，所述结构还包括氧化硅部与器件层硅部，所述氧化硅部设置在衬底靠近第一电极层的一侧，所述硅部放置在氧化硅部远离衬底硅的一侧同时位于第一电极层远离第一压电层的一侧。

7.一种硅基悬臂梁式MEMS压电麦克风的装置，其特征在于，所述装置包括数模转化装置和权利要求1-6任意一项所述的硅基悬臂梁式MEMS压电麦克风的结构，所述数模转化装置的正负极分别与所述结构的第一电极层和第二电极层电连接，用于将所述第一电极层和所述第二电极层输出的电压信号转化为数字信号。

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