CN113526456A - 一种mems压电芯片及mems器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MEMS压电芯片及MEMS器件，所述压电芯片包括由下到上依次设置的衬底、绝缘层和压电薄膜，所述衬底中设有腔体，所述压电薄膜包括位于腔体上方的活动部和均匀分布在活动部外周且与绝缘层连接固定的多个悬臂梁；所述悬臂梁上设有向上或向下的弯曲部，所述活动部、悬臂梁和弯曲部均为一体成型结构。本发明所公开的MEMS压电芯片及MEMS器件通过在压电薄膜的外周设置悬臂梁及在悬臂梁上设置弯曲部，可有效提高芯片的灵敏度，并有利于释放压电薄膜的残余应力，提高芯片的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于MEMS技术领域，特别涉及一种MEMS压电芯片及MEMS器件。
背景技术
压电材料能够实现机械能与电能的相互转化，是进行能量转换和信号传递的重要载体。相对于块体材料，压电薄膜具有体积小、成本低、制作简单、能量转换效率高、与半导体工艺兼容等优点，在MEMS器件中得到广泛应用。
MEMS压电器件，如压力传感器、水听计、麦克风等，通常是将压电薄膜集成在具有腔体的衬底上，其结构简单，不但具有优异的防污、防尘、防水性能，且无需偏置电压，功耗低，启动速度快。然而，由于生长工艺的限制，压电薄膜普遍存在较大的残余应力，导致膜片容易发生翘曲和形变，且限制器件灵敏度的提高。
请参阅图1和图2，现有技术中通常选择在压电薄膜30的中心设置孔隙40，以达到减小薄膜残余应力并提高灵敏度的目的。这种设计可在一定程度上减小薄膜残余应力，但对器件灵敏度的作用有限，且孔隙的存在会使得器件在低频输入(如压力、低频声波)时的信号下跌，影响器件的性能。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种MEMS压电芯片及MEMS器件，在保证芯片低频响应的同时，减小压电薄膜的残余应力，进一步提高压电芯片的灵敏度。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种MEMS压电芯片，包括由下到上依次设置的衬底、绝缘层和压电薄膜，所述衬底中设有腔体，所述压电薄膜包括位于腔体上方的活动部和均匀分布在活动部外周且与绝缘层连接固定的多个悬臂梁；所述悬臂梁上设有向上或向下的弯曲部，所述活动部、悬臂梁和弯曲部均为一体成型结构。
上述方案中，相邻的悬臂梁之间存在孔隙，所述孔隙在垂直方向上与腔体不连通，即，孔隙在垂直方向上的投影位于衬底上。
上述方案中，每个悬臂梁上至少设置一个所述弯曲部，且所有悬臂梁上的弯曲部数量和位置相同。
上述方案中，所述弯曲部的平面形状为与活动部同心的扇环，所述弯曲部在纵向剖面上的拐角为直角或非直角。
上述方案中，所述悬臂梁与活动部、绝缘层连接的边界为圆弧形，悬臂梁的侧边为与活动部径向平行的直线、或者曲线、或者折线。
上述方案中，所述压电薄膜自下向上依次包括下电极层、压电层及上电极层；所述下电极层和上电极层的材料为铝、钼、钛中的一种，所述压电层的材料为AlN、ZnO、PZT中的一种。
上述方案中，所述衬底采用半导体衬底，选自硅衬底、锗衬底、SOI衬底、GeOI衬底、碳化硅衬底中的一种。
上述方案中，所述腔体由所述衬底的下表面凹至所述衬底的上表面形成，所述腔体贯穿所述衬底；或所述腔体由所述衬底的上表面凹入一定深度形成，所述腔体不贯穿所述衬底。
一种MEMS器件，包含上述的MEMS压电芯片。
进一步的技术方案中，所述MEMS器件包括压电式压力传感器或压电麦克风。
通过上述技术方案，本发明提供的一种MEMS压电芯片及MEMS器件，具有如下有效效果：
1、本发明通过在压电薄膜外周设置多个孔隙以形成悬臂梁，有利于减小压电薄膜的残余应力，减少压电薄膜的翘曲或形变，提高压电芯片的可靠性。
2、本发明通过在悬臂梁上设置向上或向下的弯曲部，可进一步减小压电薄膜的残余应力。此外，还有效提高压电芯片的灵敏度，其原因如下：一方面，具有弯曲部的悬臂梁可在振动时进行伸缩，有利于增大压电薄膜的位移量；另一方面，多个悬臂梁结构可进行串联，即可将单个压电薄膜的输出信号进行叠加。
3、本发明的孔隙设置与腔体在垂直方向上不连通，气流或者声压无法直接从孔隙通过，而必须经过压电薄膜与衬底之间的间隙，从而增加了气流或者声压通过狭缝的阻尼，有利于改善MEMS压电芯片的低频下跌问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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。
图1为现有技术中MEMS压电芯片的剖面结构示意图；
图2为现有技术中MEMS压电芯片的压电薄膜的平面结构示意图；
图3为本发明实施例提供的MEMS压电芯片的平面结构示意图；
图4为图3中A-A剖面示意图；
图5为图3中B-B剖面示意图；
图6为本发明另一实施例提供的MEMS压电芯片的平面结构示意图；
图7为图6中A-A剖面示意图；
图8为图6中B-B剖面示意图；
图中，10、衬底；101、腔体；20、绝缘层；30、压电薄膜；301、活动部；302、悬臂梁；303、弯曲部；40、孔隙。
具体实施方式
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。
需要说明的是，本发明实施例中方向性指示(诸如上、下、左、右……)仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
本发明提供一种MEMS压电芯片，如图3-图8所示，包括由下到上依次设置的衬底10、绝缘层20和压电薄膜30，衬底10中设有腔体101，压电薄膜30包括位于腔体101上方的活动部301和均匀分布在活动部301外周且与绝缘层20连接固定的多个悬臂梁302；悬臂梁302上设有向上或向下的弯曲部303。图4所示为向下的弯曲部303，图8所示为向上的弯曲部303。活动部301、悬臂梁302和弯曲部303均为一体成型结构。
需要说明的是，相邻的悬臂梁302之间存在孔隙40，孔隙40在垂直方向上与腔体101不连通，即，如图5和图7所示，孔隙40在垂直方向上的投影位于衬底10上，而非腔体101上。图3和图6中孔隙40宽度仅为示意图，孔隙40的实际数量、形状和宽度可根据MEMS工艺和应用需求进行调整。
需要说明的是，每个悬臂梁302上至少设置一个弯曲部303，且所有悬臂梁302上的弯曲部303数量和位置相同，该弯曲部303可以统一向上或者统一向下，或者部分向上部分向下。
具体地，如图3所示，弯曲部303的平面形状为与活动部301同心的扇环，弯曲部303在纵向剖面上的拐角为直角(图4所示)或非直角(图8所示)。
具体地，悬臂梁302与活动部301、绝缘层20连接的边界为圆弧形，悬臂梁302的侧边为与活动部301径向平行的直线、或者曲线、或者折线。当悬臂梁302的侧边为与活动部301径向平行的直线时，即图3所示的情况，孔隙40为长条状；当悬臂梁302的侧边为与活动部301径向平行的曲线、或者折线时，即图6所示的情况，此时，弯曲部303的两侧边应为与活动部301径向平行的直线，这样可以保证压电薄膜的垂直振动不发生偏移。悬臂梁302的侧边为与活动部301径向平行的曲线、或者折线时，有利于进一步释放压电薄膜30的残余应力，减少压电薄膜30的翘曲或形变，提高压电芯片的可靠性。
具体地，压电薄膜30自下向上依次包括下电极层、压电层及上电极层；其中，下电极层、上电极层的材料包括但不限于铝、钼、钛的一种，压电层的材料包括但不限于AlN、ZnO、PZT的一种；在本发明的实施例中，下电极层和上电极层的材料均为钼，压电层的材料为AlN。
具体地，衬底10采用常见的半导体衬底，包括但不限于硅衬底、锗衬底、SOI衬底、GeOI衬底、碳化硅衬底的一种；在本发明的实施例中，衬底10采用单晶硅衬底。
具体地，腔体101贯穿或不贯穿衬底10；在本发明的一实施例中，如图4和图5所示，腔体101由衬底101的下表面凹至衬底101的上表面形成，此时，腔体101贯穿衬底10；在本发明的另一实施例中，如图7和图8所示，腔体101由衬底10的上表面凹入一定深度形成，此时，腔体101不贯穿衬底10。
需要说明的是，本发明通过在压电薄膜30外周设置多个孔隙40以形成悬臂梁302，有利于减小压电薄膜30的残余应力，减少压电薄膜30的翘曲或形变，提高压电芯片的可靠性。
同时，本发明通过在悬臂梁302上设置向上或向下的弯曲部303，可进一步减小压电薄膜30的残余应力。此外，还有效提高压电芯片的灵敏度，其原因如下：一方面，具有弯曲部303的悬臂梁302可在振动时进行伸缩，有利于增大压电薄膜30的位移量；另一方面，多个悬臂梁302结构可进行串联，即可将单个压电薄膜30的输出信号进行叠加。
需要说明的是，相对于现有方案，本发明的孔隙40设置与腔体101在垂直方向上不连通，气流或者声压无法直接从孔隙40通过，而必须经过压电薄膜30与衬底10之间的间隙，从而增加了气流或者声压通过狭缝的阻尼，有利于改善MEMS压电芯片的低频下跌问题。
本发明还提供一种MEMS器件，包括上述的MEMS压电芯片。该MEMS器件包括但不限于压电式压力传感器、压电麦克风。由于MEMS器件采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。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发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，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MEMS压电芯片，其特征在于，包括由下到上依次设置的衬底、绝缘层和压电薄膜，所述衬底中设有腔体，所述压电薄膜包括位于腔体上方的活动部和均匀分布在活动部外周且与绝缘层连接固定的多个悬臂梁；所述悬臂梁上设有向上或向下的弯曲部，所述活动部、悬臂梁和弯曲部均为一体成型结构。
2.根据权利要求1所述的一种MEMS压电芯片，其特征在于，相邻的悬臂梁之间存在孔隙，所述孔隙在垂直方向上与腔体不连通，即，孔隙在垂直方向上的投影位于衬底上。
3.根据权利要求1所述的一种MEMS压电芯片，其特征在于，每个悬臂梁上至少设置一个所述弯曲部，且所有悬臂梁上的弯曲部数量和位置相同。
4.根据权利要求1或3所述的一种MEMS压电芯片，其特征在于，所述弯曲部的平面形状为与活动部同心的扇环，所述弯曲部在纵向剖面上的拐角为直角或非直角。
5.根据权利要求1所述的一种MEMS压电芯片，其特征在于，所述悬臂梁与活动部、绝缘层连接的边界为圆弧形，悬臂梁的侧边为与活动部径向平行的直线、或者曲线、或者折线。
6.根据权利要求1所述的一种MEMS压电芯片，其特征在于，所述压电薄膜自下向上依次包括下电极层、压电层及上电极层；所述下电极层和上电极层的材料为铝、钼、钛中的一种，所述压电层的材料为AlN、ZnO、PZT中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种MEMS压电芯片，其特征在于，所述衬底采用半导体衬底，选自硅衬底、锗衬底、SOI衬底、GeOI衬底、碳化硅衬底中的一种。
8.根据权利要求1所述的一种MEMS压电芯片，其特征在于，所述腔体由所述衬底的下表面凹至所述衬底的上表面形成，所述腔体贯穿所述衬底；或所述腔体由所述衬底的上表面凹入一定深度形成，所述腔体不贯穿所述衬底。
9.一种MEMS器件，其特征在于，包含如权利要求1-8任一项所述的MEMS压电芯片。
10.根据权利要求9所述的一种MEMS器件，其特征在于，所述MEMS器件包括压电式压力传感器或压电麦克风。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20211022 |