CN115484534A - 一种压电微机械扬声器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种压电微机械扬声器，所述压电微机械扬声器包括：基底层，具有一空腔，所述空腔位于所述基底层的一端；下电极层，设置于所述基底层上，且所述下电极层位于所述基底层的另一端；压电层，设置于所述下电极层上；以及上电极层，设置于所述压电层上，所述上电极层的边缘延伸至所述基底层，且所述上电极层的边缘与所述下电极层的边缘相间设置；隔离层，包裹于所述压电层的边缘，用于隔离所述上电极层和所述下电极层。本发明提供一种压电微机械扬声器，该压电微机械扬声器可保证振动模态的高一致性，提高压电微机械扬声器的频响性能，且上电极层和下电极层之间可保持绝缘。

Description

一种压电微机械扬声器

技术领域

本发明涉及扬声器技术领域，尤其涉及一种压电微机械扬声器。

背景技术

微机电系统(MEMS)是一种将微型机械结构和电路系统集成为单个芯片的器件小型化技术。扬声器是一种靠振膜来回振动挤压空气形成声音并向周围传播的器件，压电MEMS扬声器是一种通过压电效应使微小机械结构振动，从而发出声音的芯片化器件。传统的压电MEMS扬声器结构如图1所示，振膜区域为圆形的多层结构，分为衬底层a、结构层c、下电极层b、压电层e、上电极层d，上电极层和下电极层之间由于距离较近，易发生短路。

人耳所听的音频频率范围在20kHz以下，一般压电MEMS扬声器的谐振频率应该设置在3～5kHz。传统的压电MEMS扬声器的压电层材料主要是氮化铝(AlN)。然而，基于AlN压电层的MEMS扬声器谐振频率较高，当谐振频率应该设置在3～5kHz时，振膜的直径会达到5mm。由于振膜的下方是挖孔区域，当振膜直径过大，在MEMS扬声器的制造过程中，会因为内应力造成振膜的弯曲变形甚至塌陷，造成性能下降甚至器件损坏。

另一方面，压电MEMS扬声器要得到大的输出声压，就需要振膜质量轻，振动幅度大。因此，如图2所示，传统压电MEMS扬声器会将振膜区域中，中心电极以外的非结构层刻蚀掉，以减轻振膜质量。然而，由于中心电极需要和基底实现电气连接，因此需要留一个桥梁结构f将电极引线至基底，因此该桥梁处的压电层不得不保留。从器件的整体结构和振膜形态来看，留下的桥梁结构势必破坏MEMS扬声器的中心对称性，造成振膜振动形态的变形，从而导致器件性能的下降。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种压电微机械扬声器，该压电微机械扬声器具有高输出声压，并且器件结构上呈中心对称。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

本发明提供一种压电微机械扬声器，所述压电微机械扬声器包括：

基底层，具有一空腔，所述空腔位于所述基底层的一端；

下电极层，设置于所述基底层上，且所述下电极层位于所述基底层的另一端；

压电层，设置于所述下电极层上；以及

上电极层，设置于所述压电层上，所述上电极层的边缘延伸至所述基底层，且所述上电极层的边缘与所述下电极层的边缘相间设置；

隔离层，包裹于所述压电层的边缘，用于隔离所述上电极层和所述下电极层。

在本发明的一个实施例中，所述下电极层包括：

下中心电极，设置于所述基底层上；以及

至少两个下边缘电极，设置于所述下中心电极上，且所述下边缘电极位于所述下中心电极的侧壁。

在本发明的一个实施例中，所述压电层的边缘呈斜坡设置。

在本发明的一个实施例中，所述上电极层包括：

上中心电极，设置于所述压电层上；以及

上边缘电极，一端与所述上中心电极的侧壁连接，所述上边缘电极的另一端经过所述压电层的边缘后延伸至所述结构层上。

在本发明的一个实施例中，所述上边缘电极位于两个相邻的所述下边缘电极之间，且所述上边缘电极与所述下边缘电极之间形成间隙。

在本发明的一个实施例中，所述隔离层的一端延伸至所述上电极层和所述压电层之间，所述隔离层的另一端延伸至所述下中心电极和所述上边缘电极之间。

在本发明的一个实施例中，所述基底层包括：

衬底层；以及

埋氧层，设置于所述衬底层上，且所述埋氧层位于基底层的一端。

在本发明的一个实施例中，所述基底层还包括结构层，所述结构层位于所述埋氧层上远离所述衬底层的一端。

综上所述，本发明提供一种压电微机械扬声器，该压电微机械扬声器将振动区域多余的压电层和金属层完全去除，保持结构的中心对称性，保证振动模态的高一致性，提高压电微机械扬声器的频响性能，压电层的边缘呈斜坡设置，边缘走线，在压电层的边缘设置隔离层，确保将中心的激励电极引出的过程中，上电极层和下电极层之间保持绝缘。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是传统的压电MEMS扬声器的结构示意图；

图2是传统的压电MEMS扬声器的结构示意图；

图3是本发明一个角度的整体结构示意图；

图4是本发明另一个角度的整体结构示意图；

图5是本发明图3的结构爆炸图；

图6是本发明的内部结构示意图；

图7是本发明图6的正视图；

图8是本发明整体结构的俯视图；

图9是本发明图8中A处的结构放大图；

图10是本发明基底层的结构示意图；

图11是本发明一个实施例中压电微机械扬声器的加工方法流程图；

图12是本发明另一个实施例中压电微机械扬声器的加工方法流程图。

图中标号说明：1-基底层、10-衬底层、11-埋氧层、12-结构层、13-空腔、14-振动区域、2-下电极层、20-下边缘电极、21-下中心电极、3-隔离层、4-上电极层、40-上边缘电极、41-上中心电极、5-压电层、51-环形凹槽。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

请参阅图3至图7、图10，本发明提供一种压电微机械扬声器，该压电微机械扬声器具有高输出声压，并且器件结构上呈中心对称。具体的，该压电微机械扬声器包括：基底层1，基底层1具有一空腔13，空腔13位于基底层1的一端，空腔13上方为该压电微机械扬声器的振动区域14。在本发明的一个实施例中，基底层1包括衬底层10、埋氧层11和结构层12，结构层12、埋氧层11和衬底层10是以绝缘衬底硅(SOI)的形式作为一个整体，其中，结构层12和衬底层10材料可以为单晶硅，埋氧层11的材料可以为二氧化硅。埋氧层11位于衬底层10上，且埋氧层11位于衬底层10的一端，用于作为衬底层10进行刻蚀时的停止层。空腔13位于衬底层10和埋氧层11的内部，空腔13可以由衬底层10开始刻蚀，直至刻蚀至埋氧层11，并且将埋氧层11刻穿，形成空腔13。空腔13的半径为r₁，r₁的值根据实际应用设置为合理值，空腔13上方为压电微机械扬声器的振动区域14。结构层12位于埋氧层11上，且结构层12位于埋氧层11上远离衬底层10的一端。

请参阅图、图5至图9，在本发明的一个实施例中，该压电微机械扬声器还包括下电极层2，下电极层2设置于基底层1上，且下电极层2位于基底层1的另一端。下电极层2是作为接地电极。下电极层2的材料为金属，例如可以包括但不限于铂(Pt)、金(Au)、铝(Al)、钼(Mo)等。下电极层2包括下中心电极21和下边缘电极20，下中心电极21位于结构层12的中心处，且下中心电极21的边缘处呈斜坡设置。下边缘电极20设置于下中心电极21上，且位于下中心电极21的侧壁。下边缘电极20的个数至少为两个，例如可以为三个、六个或者八个，多个下边缘电极20之间呈中心对称设置。下边缘电极20的两侧边的夹角为θ₁，θ₁可以根据实际情况设计为任意合适的角度。

请参阅图5至图7，在本发明的一个实施例中，该压电微机械扬声器还包括压电层5和上电极层4，压电层5设置于下电极层2上。具体的，压电层5位于下中心电极21上，且压电层5的边缘呈斜坡设置，压电层5可通过逆压电效应产生形变，带动振动区域14发生振动。将压电层5的边缘设计为斜坡状，可以将上电极层4引到结构层12上。压电层5上没有被上电极层4覆盖的区域全部刻蚀掉，可以实现压电微机械扬声器的高输出声压。压电层5的半径为r₂，r₂的值根据实际应用设置为合理值。压电层5为压电材料，例如可以包括但不限于氮化铝(AlN)、锆钛酸铅(PZT)等，也可以包括对前述压电材料进行不同组分掺杂后形成的掺杂压电材料，还可以包括相同压电材料的不同晶向、单晶和多晶等差异的压电材料。压电层5上远离下电极层2的一端设置有环形凹槽51。

请参阅图3、图5至图9，在本发明的一个实施例中，上电极层4设置于压电层5上，上电极层4的边缘延伸至基底层1，且上电极层4的边缘与下电极层2的边缘相间设置。上电极层4的材料为可以金属，例如可以包括但不限于铂(Pt)、金(Au)、铝(Al)、钼(Mo)等。此外，上电极层4也可以是相同图形的区域上覆盖多层不同的金属，以提高器件在电学和力学方面的性能。例如，上电极层4采用了Pt金属层，随后在Pt金属层上表面再生长一层图形相同的Au金属层。上电极层4作为激励电极，具体的，上电极层4的具体结构可以包括上中心电极41和上边缘电极40，上中心电极41位于压电层5上远离下电极层2的一端。上中心电极41的半径为r₃，r₃的值根据实际应用设置为合理值。上边缘电极40设置于上中心电极41的侧壁，具体的，上边缘电极40的一端与上中心电极41的侧壁连接，上边缘电极40的另一端经过压电层5的边缘后延伸至结构层12且位于两个相邻的下边缘电极20之间。上边缘电极40的数量与下边缘电极的数量一致。上边缘电极40可以为类Z型，然不限于此。上边缘电极40和下边缘电极20之间形成间隙d，上边缘电极40两侧边的夹角为θ₂，θ₂可以根据实际情况设计为任意合适的角度。

请参阅图3、图5至图8，在本发明的一个实施例中，由于压电层5的上表面和下表面分别是上电极层4和下电极层2，在上电极层4经过压电层5边缘的斜坡的过程中，极易导致上电极层4和下电极层2的连通，形成短路。该压电微机械扬声器还包括隔离层3，隔离层3包裹于压电层5的边缘，用于隔离上电极层4和下电极层2，让上电极层4在向结构层12延伸的过程中，始终在隔离层3的表面。隔离层3的一端延伸至环形凹槽51的内部，位于上电极层4和压电层5之间，隔离层3的另一端延伸至下中心电极21的侧边，位于下中心电极21和上边缘电极40之间。本申请对隔离层3的材料不加以限定，在本发明的一个实施例中，隔离层3的材料可以为二氧化硅，也可以为氮化硅，还可以为氧化铝。

本发明还提供一种压电微机械扬声器的加工方法，请参阅图5、图10、图11，在本发明的一个实施例中，该加工方法包括步骤S1-S6：

S1准备一片商用SOI晶圆，在SOI晶圆的上表面生长下电极层2的金属。SOI晶圆的尺寸不加以限定，在本发明的一个实施例中，SOI晶圆可以为二吋，也可以为四吋，还可以为六吋或八吋。下电极层2生长方式可以是电子束蒸发法，也可以是磁控溅射法，然不限于此。

S2在下电极层2的上表面生长压电层5后光刻并刻蚀压电层5。压电层5的生长方式可以是磁控溅射法，也可以是溶胶凝胶法，然不限于此。具体的，将该压电微机械扬声器的振动区域14中没有被上电极层4覆盖的压电层5区域全部刻蚀掉。压电层5的刻蚀方法为湿法腐蚀，这样有利于形成斜坡状结构。

S3光刻并刻蚀下电极层2。下电极层2的刻蚀方法可以是反应离子刻蚀法(RIE)，也可以是电感耦合等离子体刻蚀法(ICP)，还可以是离子束刻蚀法(IBE)。

S4在压电层5的边缘及上表面、下电极层2的边缘处生长隔离层3，光刻并刻蚀隔离层3。隔离层3的生长方法可以是物理气相沉积法(PVD)，也可以是化学气相沉积法(CVD)，然不限于此。隔离层3的刻蚀方法可以是反应离子刻蚀法(RIE)，也可以是电感耦合等离子体刻蚀法(ICP)，还可以是湿法腐蚀法。

S5生长上电极层4的金属,光刻并刻蚀上电极层4。上电极层4的生长方式可以是电子束蒸发法，也可以是磁控溅射法。上电极层4的刻蚀方法可以是反应离子刻蚀法(RIE)，也可以是电感耦合等离子体刻蚀法(ICP)，还可以是离子束刻蚀法(IBE)。

S6光刻并刻蚀SOI的衬底层10和埋氧层11，得到本发明的压电微机械扬声器。衬底层10的刻蚀方法是为深反应离子刻蚀(DRIE)，然不限于此。埋氧层11的刻蚀方法为反应离子刻蚀法(RIE)，然不限于此。

请参与图5、图10、图12在本发明的另一个实施例中，该加工方法包括步骤S1₁-S7₁：

S1₁准备一片商用SOI晶圆，在SOI晶圆的上表面生长下电极层2的金属。SOI晶圆的尺寸不加以限定，在本发明的一个实施例中，SOI晶圆可以为二吋，也可以为四吋，还可以为六吋或八吋。下电极层2生长方式可以是电子束蒸发法，也可以是磁控溅射法，然不限于此。

S2₁在下电极层2的上表面生长压电层5。压电层5的生长方式可以是磁控溅射法，也可以是溶胶凝胶法，然不限于此。

S3₁第一次生长上电极层4的金属，光刻并刻蚀上电极层4。上电极层4的生长方式可以是电子束蒸发法，也可以是磁控溅射法。上电极层4的刻蚀方法可以是反应离子刻蚀法(RIE)，也可以是电感耦合等离子体刻蚀法(ICP)，还可以是离子束刻蚀法(IBE)。刻蚀后，上电极层4仅保留中心的圆形区域，即上中心电极41。

S4₁光刻并刻蚀压电层5和下电极层2。压电层5的刻蚀方法为湿法腐蚀，这样有利于形成斜坡状结构。具体的，将该压电微机械扬声器的振动区域14中没有被上电极层4覆盖的压电层5区域全部刻蚀掉。下电极层2的刻蚀方法可以是反应离子刻蚀法(RIE)，也可以是电感耦合等离子体刻蚀法(ICP)，还可以是离子束刻蚀法(IBE)。刻蚀后，形成完整的下电极层2图形。

S5₁生长隔离层3后光刻并刻蚀隔离层3。隔离层3的生长方式可以是物理气相沉积法(PVD)，也可以是化学气相沉积法(CVD)，然不限于此。隔离层3的刻蚀方法可以是反应离子刻蚀法(RIE)，也可以是电感耦合等离子体刻蚀法(ICP)，还可以是湿法腐蚀。

S6₁第二次生长上电极层4的金属。上电极层4的生长方式为剥离。生长完成后，上电极层4的生长在隔离层3的边缘以及两个相邻的下边缘电极20之间的区域完成。

S7₁光刻并刻蚀SOI的衬底层10和埋氧层11，得到本发明的压电微机械扬声器。衬底层10的刻蚀方法是为深反应离子刻蚀(DRIE)，然不限于此。埋氧层11的刻蚀方法为反应离子刻蚀法(RIE)，然不限于此。

综上所述，本发明提供一种压电微机械扬声器，该压电微机械扬声器将振动区域多余的压电层和金属层完全去除，保持结构的中心对称性，保证振动模态的高一致性，提高压电微机械扬声器的频响性能，压电层的边缘呈斜坡设置，边缘走线，在压电层的边缘设置隔离层，确保将中心的激励电极引出的过程中，上电极层和下电极层之间保持绝缘。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (8)

1.一种压电微机械扬声器，其特征在于,所述压电微机械扬声器包括：

基底层，具有一空腔，所述空腔位于所述基底层的一端；

下电极层，设置于所述基底层上，且所述下电极层位于所述基底层的另一端；

压电层，设置于所述下电极层上；

上电极层，设置于所述压电层上，所述上电极层的边缘延伸至所述基底层，且所述上电极层的边缘与所述下电极层的边缘相间设置；以及

隔离层，包裹于所述压电层的边缘，用于隔离所述上电极层和所述下电极层。

2.根据权利要求1所述的压电微机械扬声器包括，其特征在于,所述下电极层包括：

下中心电极，设置于所述基底层上；以及

至少两个下边缘电极，设置于所述下中心电极上，且所述下边缘电极位于所述下中心电极的侧壁。

3.根据权利要求1所述的压电微机械扬声器包括，其特征在于,所述压电层的边缘呈斜坡设置。

4.根据权利要求2所述的压电微机械扬声器包括，其特征在于,所述上电极层包括：

上中心电极，设置于所述压电层上；以及

上边缘电极，一端与所述上中心电极的侧壁连接，所述上边缘电极的另一端经过所述压电层的边缘后延伸至所述结构层上。

5.根据权利要求4所述的压电微机械扬声器包括，其特征在于,所述上边缘电极位于两个相邻的所述下边缘电极之间，且所述上边缘电极与所述下边缘电极之间形成间隙。

6.根据权利要求4所述的压电微机械扬声器包括，其特征在于,所述隔离层的一端延伸至所述上电极层和所述压电层之间，所述隔离层的另一端延伸至所述下中心电极和所述上边缘电极之间。

7.根据权利要求1所述的压电微机械扬声器包括，其特征在于,所述基底层包括：

衬底层；以及

埋氧层，设置于所述衬底层上，且所述埋氧层位于基底层的一端。

8.根据权利要求7所述的压电微机械扬声器包括，其特征在于,所述基底层还包括结构层，所述结构层位于所述埋氧层上远离所述衬底层的一端。

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