CN114034377A - 一种双层ain压电薄膜水听器芯片单元、芯片以及水听器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双层AIN压电薄膜水听器芯片单元，其包括由下向上依次设置的SOI基片、第一AIN压电层、第一电极层、隔离层、第二AIN压电层以及第二电极层；第一电极层与第一AIN压电层的外缘轮廓的形状和大小均相同；第一电极层包括第一正电极和第一负电极；第一正电极设置于第一电极层的中心区域且呈圆形；第一负电极设置于第一电极层的外侧边缘区域且呈环形；第二电极层与第二AIN压电层的外缘轮廓的形状和大小均相同；第二电极层包括第二正电极和第二负电极；第二正电极设置于第二电极层的中心区域且呈圆形；第二负电极设置于第二电极层的外侧边缘区域且呈环形。本发明利于提高压电效率以及压电电荷的采集效率，从而提高水听器芯片的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及一种双层AIN压电薄膜水听器芯片单元、芯片以及水听器。
背景技术
对于海洋信号的探测以及实现水下远距离的传播，声波是现阶段已知的唯一的能量形式。利用新材料、新原理、MEMS微纳制备工艺，实现低频化、低功耗、高集成度的新的水声探测器件的研发，实现对海洋中各种信号的高灵敏度的侦听，对于海洋的探测以及军事的运用有重要的意义。MEMS压电薄膜水听器探测的原理是利用AlN压电薄膜的压电效应，将接收到的声压信号转化为电信号，并且通过水听器的前端放大电路采集输出。
现有的AIN压电薄膜式水听器芯片单元采用的是三明治结构，即上下电极包覆中间压电层，通过上下电极采集压电层产生的电荷信号。由于AlN压电薄膜电荷聚集特性以及三明治结构采集的特点，导致下电极采集到的电荷为0，使得上下电极之间的电极差降低，无法实现对正负电荷的有效采集，进一步导致水听器芯片的灵敏度不高，同时造成下电极的浪费。
另外，单AlN压电薄膜很难实现较高的压电效率，根据现阶段微纳制备工艺水平，很难实现AlN压电薄膜的2μm以上厚度的微纳制备，进而很难实现AIN压电薄膜水听器芯片的输出电压灵敏度性能的提升，即便能够实现对AlN压电薄膜的较大厚度(2μm以上)的微纳制备，AIN压电薄膜水听器芯片的耐用性能也将进一步降低。
发明内容
本发明的目的之一在于提出一种双层AIN压电薄膜水听器芯片单元，该水听器芯片单元既能够提高压电效率，同时又能够提高AIN压电电荷的采集效率。
本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：
一种双层AIN压电薄膜水听器芯片单元，包括由下向上依次设置的SOI基片、第一AIN压电层、第一电极层、隔离层、第二AIN压电层以及第二电极层；
第一电极层与第一AIN压电层的外缘轮廓的形状和大小均相同；
第一电极层包括第一正电极和第一负电极；其中，第一正电极设置于第一电极层的中心区域，且呈圆形；第一负电极设置于第一电极层的外侧边缘区域，且呈环形；
第二电极层与第二AIN压电层的外缘轮廓的形状和大小均相同；
第二电极层包括第二正电极和第二负电极；其中，第二正电极设置于第二电极层的中心区域，且呈圆形；第二负电极设置于第二电极层的外侧边缘区域，且呈环形。
优选地，第一正电极和第一负电极所占面积分别为第一电极层面积的70％以及20％；
所述第二正电极和第二负电极所占面积分别为第二电极层面积的70％以及20％。
优选地，第一正电极、第一负电极、第二正电极和第二负电极均为Mo电极。
优选地，第一电极层位于第一正电极与第一负电极之间的环形区域设有二氧化硅；
第二电极层位于第二正电极与第二负电极之间的环形区域设有二氧化硅。
优选地，隔离层为二氧化硅层。
优选地，SOI基片底部设有空腔。
优选地，SOI基片包括由下向上依次设置的下层硅、二氧化硅以及上层硅；
空腔由下向上穿过下层硅。
本发明的目的之二在于提出一种双层AIN压电薄膜水听器芯片，该水听器芯片采用上述双层AIN压电薄膜水听器芯片单元，以提升水听器芯片的灵敏度。
一种双层AIN压电薄膜水听器芯片，包括水听器芯片单元、正电极输出端以及负电极输出端；水听器芯片单元有多个且采用阵列式排布；
水听器芯片单元采用上面述及的双层AIN压电薄膜水听器芯片单元；
各个水听器芯片单元的第一正电极均相连，且连接到正电极输出端上，各个水听器芯片单元的第二正电极均相连，且连接到正电极输出端上；
各个水听器芯片单元的第一负电极均相连，且连接到负电极输出端上，各个水听器芯片单元的第二负电极均相连，且连接到负电极输出端上。
本发明的目的之三在于提出一种水听器，该水听器包括水听器芯片以及运算放大电路；其中，水听器芯片的正电极输出端和负电极输出端分别连接到运算放大电路上；
水听器芯片采用上面述及的双层AIN压电薄膜水听器芯片。
本发明述及的水听器，采用上述双层AIN压电薄膜水听器芯片，灵敏度明显提高。
本发明具有如下优点：
如上所述，本发明提供了一种双层AIN压电薄膜水听器芯片单元，该AIN压电薄膜水听器芯片单元通过设置两层AIN压电层，利于提高水听器芯片单元的压电效率；此外，本发明还改进了正负电极的排布方式，利于提高水听器芯片单元的正负电荷采集效率；本发明通过对水听器芯片单元压电效率以及正负电荷采集效率的双重提升，利于增加芯片正负电极之间的电势差(对比度)，进而大大提高了双层AIN压电薄膜水听器芯片的灵敏度。
附图说明
图1为AlN压电薄膜电荷分布情况示意图；
图2为本发明实施例1中双层AIN压电薄膜水听器芯片单元的结构示意图；
图3为本实施例1中双层AIN压电薄膜水听器芯片单元的俯视图；
图4为本实施例1中双层AIN压电薄膜水听器芯片单元的仰视图；
图5为本实施例1中双层AIN压电薄膜水听器芯片单元的剖视图；
图6为本实施例1中隔离层以下部分双层AIN压电薄膜水听器芯片单元的结构示意图；
其中，1-SOI基片，2-第一AIN压电层，3-第一电极层，4-隔离层，5-第二AIN压电层，6-第二电极层，7-第一正电极，8-第一负电极，9-二氧化硅，10-第二正电极；
11-第二负电极，12-二氧化硅，13-空腔，14-下层硅，15-二氧化硅，16-上层硅。
具体实施方式
名词解释：
压电效应是电介质受到沿一定方向的外力作用而产生形变时，其内部就会产生极化现象，同时在它的两个相对表面出现正负相反的电荷；当外力去掉时，又恢复到不带电的状态，这种现象称为压电材料的正压电效应，利用压电效应制备的传感器称为压电传感器。
如图1示出了AlN压电薄膜电荷分布情况，由图1能够看出，AIN压电薄膜在受到外界压力激励时，AIN压电薄膜的电荷分布情况如下：
AIN压电薄膜产生的正电荷主要集中在中心位置，边缘环状位置为负电荷。
针对AlN压电薄膜的这一压电特性，本实施例设计出了新的AIN压电薄膜水听器芯片单元结构，通过该水听器芯片单元，能够实现对AlN压电薄膜有效的电荷采集。
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
实施例1
本实施例1述及了一种双层AIN压电薄膜水听器芯片单元。
如图2所示，双层AIN压电薄膜水听器芯片单元包括由下向上依次设置的SOI基片1、第一AIN压电层2、第一电极层3、隔离层4、第二AIN压电层5以及第二电极层6。
第一AIN压电层2是在SOI基片1上通过磁控溅射生成的。
第一AIN压电层2为声压感测单元，在受到外界声压信号激励时发生形变，第一AIN压电层2发生形变时，基于其压电效应产生电荷信号，完成声压的感测。
其中，第一电极层3与第一AIN压电层2的外缘轮廓的形状均为圆形，且外缘轮廓的大小均相同，以保证第一电极层3与第一AIN压电层2在上下方向上是对应的。
如图5和图6所示，第一电极层2包括第一正电极7和第一负电极8。
其中，第一正电极7设置于第一电极层2的中心区域，且呈圆形，其中，第一正电极7所占第一电极层2的面积为第一电极层面积的70％。
第一负电极8设置于第一电极层8的外侧边缘区域，且呈环形，其中，第一负电极8所占第一电极层2的面积为第一电极层面积的20％。
第一正电极7和第一负电极8的电极排布情况与AIN压电薄膜的压电特性相吻合，因而能够分别实现对第一AIN压电层2产生的正、负电荷的有效采集。
第一正电极7以及第一负电极8均为Mo电极，其成型过程如下：
首先在第一AIN压电层2上磁控溅射生长一层第一电极层3，然后对第一电极层3进行光刻刻蚀图形化，进而得到上述第一正电极7以及第一负电极8。
第一电极层2位于第一正电极7与第一负电极8之间的环形区域设有二氧化硅9。
二氧化硅9的作用在于保护第一AIN压电层2。
本实施例1中隔离层4为二氧化硅层。
第二AIN压电层5是在隔离层4上通过磁控溅射生成的。
第二AIN压电层5为声压感测单元，在受到外界声压信号激励时发生形变，第二AIN压电层5发生形变时，基于其压电效应产生电荷信号，完成声压的感测。
第二电极层6与第二AIN压电层5的外缘轮廓也均为圆形，且第二电极层6与第二AIN压电层5的外缘轮廓的大小相同。
其中，第二电极层6与第二AIN压电层5的外缘轮廓的形状均为圆形，且外缘轮廓的大小均相同，以保证第二电极层6与第二AIN压电层5在上下方向上是对应的。
如图3和图5所示，第二电极层6包括第二正电极10和第二负电极11。
其中，第二正电极10设置于第二电极层6的中心区域，且呈圆形，第二正电极10所占第二电极层6的面积为第二电极层面积的70％。
第二负电极11设置于第二电极层6的外侧边缘区域，且呈环形，第二负电极11所占第二电极层6的面积为第二电极层面积的20％。
第二正电极10和第二负电极11的排布情况与AIN压电薄膜的压电特性相吻合，因而能够分别实现对第二AIN压电层5产生的正、负电荷的有效采集。
第二正电极10以及第二负电极11均为Mo电极，其成型过程如下：
首先在第二AIN压电层5上磁控溅射生长一层第二电极层6，然后对第二电极层6进行光刻刻蚀图形化，进而得到上述第二正电极10和第二负电极11。
第二电极层6位于第二正电极10与第二负电极11之间的环形区域设有二氧化硅12。
二氧化硅12的作用在于保护第二AIN压电层5。
SOI基片1能够为双层AIN压电薄膜水听器芯片单元的制备提供支撑，SOI基片1的尺寸和厚度能够调节水听器芯片单元的谐振频率，实现对水听器频率响应范围的选择。
如图4所示，在SOI基片1的底部设有空腔13。空腔13的作用在于，当AIN压电薄膜受到声压激励时，增加AIN压电薄膜的形变量。
如图1所示，SOI基片1包括由下向上依次设置的下层硅14、二氧化硅15以及上层硅16。其中，空腔13是在SOI基片1底部进行深硅刻蚀所形成的。
本实施例1中空腔13由下向上穿过下层硅14。
二氧化硅15的作用在于，当通过IBE刻蚀进行深硅刻蚀时，刻蚀技术在遇到二氧化硅15时，刻蚀速度会明显降低，进而起到保护的作用，以保证刻蚀精度。
本实施例1中AIN压电层有两层，分别为第一AIN压电层2和第二AIN压电层5，其中，第一AIN压电层2和第二AIN压电层5通过隔离层4间隔开。
其中，第一AIN压电层2与第一正电极7和第一负电极8相匹配，第二AIN压电层5与第二正电极10和第二负电极11相匹配，分别用于实现对压电电荷的采集。
在受到声压激励时，第一AIN压电层2和第二AIN压电层5，均能够实现独立的工作，实现各自层(AIN压电层)电荷的有效采集。
本实施例1能够有效地降低双层AIN压电薄膜水听器芯片单元的制备成本以及制备难度，同时提升了水听器芯片单元的压电效率，增加了压电电荷的输出。
此外，本实施例1还更改了第一电极层3和第二电极层6上正负电极的排布方式，使得正负电极的排布方式与AIN压电层产生的电荷分布高度吻合，提高了电荷采集效率。
本实施例1通过双层AIN压电薄膜水听器芯片单元压电效率以及电荷采集效率的双重提升，进而增加了正电极与负电极之间的电势差，从而利于提高水听器芯片的灵敏度。
另外，依据现阶段的AIN压电薄膜制备工艺，AlN压电薄膜的厚度很难达到2μm，同时，即便2μm厚度的AIN压电薄膜在制备成功时，其内部的内应力等因素，也会严重影响水体器芯片的性能，若SOI基片1的表面不够平整，甚至出现剥离的现象，耐用性降低。
如果采用对AIN压电材料进行掺杂的工艺，那么其制备成本会大大提高。
而本实施例1采用双层AIN压电薄膜，使得水听器芯片单元的耐用性得到明显增强。
实施例2
本实施例2述及了一种双层AIN压电薄膜水听器芯片，该水听器芯片采用上述实施例1中的双层AIN压电薄膜水听器芯片单元，以提高水听器芯片的灵敏度。
本实施例2中的双层AIN压电薄膜水听器芯片，包括水听器芯片单元、正电极输出端以及负电极输出端，其中，水听器芯片单元有多个。
水听器芯片单元采用上面实施例1述及的双层AIN压电薄膜水听器芯片单元。
各个水听器芯片单元均采用阵列式排布。
其中，各个水听器芯片单元的第一正电极相连，且连接到正电极输出端上；各个水听器芯片单元的第二正电极相连，且连接到正电极输出端上。
同理，各个水听器芯片单元的第一负电极相连，且连接到负电极输出端上；各个水听器芯片单元的第二负电极相连，且连接到负电极输出端上。
本实施例2通过采用双层AIN压电薄膜水听器芯片单元，利于提高压电效率以及压电电荷的采集效率，进而增加了正负电极的电势差，从而提高水听器芯片的灵敏度。
实施例3
本实施例3述及了一种水听器，该水听器包括水听器芯片以及运算放大电路。其中，水听器芯片的正电极输出端和负电极输出端分别连接到运算放大电路上。
水听器芯片采用上面实施例2中的双层AIN压电薄膜水听器芯片，灵敏度明显提高。
当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。
Claims (9)
1.一种双层AIN压电薄膜水听器芯片单元，其特征在于，包括由下向上依次设置的SOI基片、第一AIN压电层、第一电极层、隔离层、第二AIN压电层以及第二电极层；
第一电极层与第一AIN压电层的外缘轮廓的形状和大小均相同；
第一电极层包括第一正电极和第一负电极；其中，第一正电极设置于第一电极层的中心区域，且呈圆形；第一负电极设置于第一电极层的外侧边缘区域，且呈环形；
第二电极层与第二AIN压电层的外缘轮廓的形状和大小均相同；
第二电极层包括第二正电极和第二负电极；其中，第二正电极设置于第二电极层的中心区域，且呈圆形；第二负电极设置于第二电极层的外侧边缘区域，且呈环形。
2.根据权利要求1所述的双层AIN压电薄膜水听器芯片单元，其特征在于，
所述第一正电极和第一负电极所占面积分别为第一电极层面积的70％以及20％；
所述第二正电极和第二负电极所占面积分别为第二电极层面积的70％以及20％。
3.根据权利要求1所述的双层AIN压电薄膜水听器芯片单元，其特征在于，
所述第一正电极、第一负电极、第二正电极和第二负电极均为Mo电极。
4.根据权利要求1所述的双层AIN压电薄膜水听器芯片单元，其特征在于，
所述第一电极层位于第一正电极与第一负电极之间的环形区域设有二氧化硅；
所述第二电极层位于第二正电极与第二负电极之间的环形区域设有二氧化硅。
5.根据权利要求1所述的双层AIN压电薄膜水听器芯片单元，其特征在于，
所述隔离层为二氧化硅层。
6.根据权利要求1所述的双层AIN压电薄膜水听器芯片单元，其特征在于，
所述SOI基片底部设有空腔。
7.根据权利要求6所述的双层AIN压电薄膜水听器芯片单元，其特征在于，
所述SOI基片包括由下向上依次设置的下层硅、二氧化硅以及上层硅；
所述空腔由下向上穿过所述下层硅。
8.一种双层AIN压电薄膜水听器芯片，包括水听器芯片单元、正电极输出端以及负电极输出端；水听器芯片单元有多个且采用阵列式排布；其特征在于，
水听器芯片单元采用如权利要求1至7任一项所述的双层AIN压电薄膜水听器芯片单元；
各个所述水听器芯片单元的第一正电极均相连，且连接到所述正电极输出端上，各个所述水听器芯片单元的第二正电极均相连，且连接到所述正电极输出端上；
各个所述水听器芯片单元的第一负电极均相连，且连接到所述负电极输出端上，各个所述水听器芯片单元的第二负电极均相连，且连接到所述负电极输出端上。
9.一种水听器，包括水听器芯片以及运算放大电路；其中，水听器芯片的正电极输出端和负电极输出端分别连接到所述运算放大电路上；其特征在于，
所述水听器芯片采用如上述权利要求8所述的双层AIN压电薄膜水听器芯片。
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