CN117098051A - 一种压电式mems扬声器芯片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种压电式MEMS扬声器芯片及其制作方法，自硅基底表面向上依次设有氧化硅止档层，顶硅振膜、压电驱动层及引线pad，在芯片投影方向的中部处设有自下而上穿透硅基底和氧化硅止档层并外露顶硅振膜的腔体，该顶硅振膜通过在腔体覆盖范围内开设缝隙成型为悬臂梁结构，该压电驱动层的顶底两面成型有金属导电层，并从各金属导电层向MEMS扬声器芯片表侧设置引线pad，且在靠近缝隙位置去除压电驱动层和金属导电层的部分区域。应用该MEMS扬声器芯片，执行器通过部分缩小压电驱动层占幅，留出顶硅振膜更多的活动空间并释放膜层应力，有利于提高振膜的形变位移及产品灵敏度，同时优化提高了产品使用过程中压电性能的稳定性和声学性能、机械可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种电声换能器，尤其涉及一种压电式MEMS扬声器芯片及其制作方法，属于半导体应用技术领域。
背景技术
MEMS芯片是指微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems）芯片，也被称为微机电系统集成电路。它通过微纳制造技术将微小的机械部件制造在芯片表面上，并与电路元件相互连接。这些微小的机械结构可以实现感应、测量、控制和执行等功能。
MEMS芯片不仅包含微小的机械结构，还集成了相应的电子元件。例如，传感器可以将机械变量（如压力、温度、湿度等）转化为电信号，执行器可以根据电信号驱动机械结构的运动。芯片上的电路可以用于信号处理、控制和通信等功能。
MEMS芯片的应用非常广泛，涉及移动设备、汽车领域、医疗设备、工业控制、消费电子、环境监测等，其中MEMS声学器件也用于扬声器和麦克风等音频设备中，提供更好的音频体验。
压电式MEMS扬声器是一种电声换能器，通过压电执行器振动推动空气，将电能转换为声能而发出声音，其声压级的大小取决于振动结构的形变位移，而如图1所示，原顶硅振膜3与其上的压电驱动层4a所形成的复合膜层应力集中，通常为了提高振膜的形变位移，执行器一般做成悬臂梁结构或者在膜上开设不同形状的缝隙来释放应力，达到降低执行器刚度的目的。然而，振膜上存在的空隙会导致声泄露，即使在缝隙的对侧添加挡板，声泄露依然存在。此时，发声结构上下表面反相的声波会产生声短路现象，从而导致声压输出严重降低，尤其是低频段更明显，而低频段在相关应用当中又尤为重要。
发明内容
本发明的目的旨在提出一种压电式MEMS扬声器芯片及其制作方法，解决提高声压级输出的问题。
本发明实现上述一个目的的技术解决方案是，一种压电式MEMS扬声器芯片，其特征在于：所述MEMS扬声器芯片自硅基底表面向上依次设有氧化硅止档层，顶硅振膜、压电驱动层及引线pad，在芯片投影方向的中部处设有自下而上穿透硅基底和氧化硅止档层并外露顶硅振膜的腔体，所述顶硅振膜通过在腔体覆盖范围内开设缝隙成型为悬臂梁结构，所述压电驱动层的顶底两面成型有金属导电层，并从各金属导电层向MEMS扬声器芯片表侧设置引线pad，且在靠近缝隙位置去除压电驱动层和金属导电层的部分区域。
进一步地，在芯片投影方向上，所述缝隙呈工字型开设，包括靠近腔体一对边框的两条边缝和垂直连通两条边缝的一条中缝。
更进一步地，压电驱动层和金属导电层在靠近中缝处去除的面积大于靠近边缝处去除的面积。
进一步地，所述压电驱动层接电导通，且对应一种电极的第一引线pad成型于压电驱动层表面的金属导电层上；对应另一种电极的第二引线pad通过加工穿透压电驱动层的通孔成型于压电驱动层底面的金属导电层上，且第二引线pad的露头部分与压电驱动层表面的金属导电层隔空相对。
进一步地，所述压电驱动层表面包覆设有绝缘层。
进一步地，所述顶硅振膜、压电驱动层及引线pad构成MEMS扬声器芯片的执行器，且所述执行器表面覆盖有一层柔性薄膜。
本发明实现上述另一个目的的技术解决方案是，一种压电式MEMS扬声器芯片的制作方法，其特征在于包括：
S1、在SOI片上依次沉积底层的金属导电层、压电驱动层和顶层的金属导电层，其中所述压电驱动层至少选为PZT、AlScN或AIN；
S2、对顶层的金属导电层进行刻蚀，形成局部外露压电驱动层的加电区域图形；
S3、在加电区域图形中，对压电驱动层的外露部分继续刻蚀至底层的金属导电层，形成通孔；
S4、在加电区域图形和通孔处进行表面沉积金属，并通过腐蚀或剥离所沉积的金属，制成用于压电驱动层接电导通的引线pad；
S5、对顶硅振膜上由金属导电层和压电驱动层的复合膜层进行光刻与刻蚀，形成执行器的驱动结构；
S6、对顶硅振膜进行光刻与刻蚀，形成悬臂梁的振膜图形；
S7、对SOI片的背面硅基底和氧化硅止档层进行刻蚀，形成顶硅振膜呈悬空状的腔体。
进一步地，S5之后在执行器的驱动结构表面包覆一层氮化硅或氧化硅的绝缘层。
进一步地，S6之后在执行器表面包覆一层低杨氏模量的柔性薄膜。
应用本发明的MEMS扬声器芯片结构优化及其制作方法，所具备的技术效果为：
1、执行器通过部分缩小压电驱动层占幅，留出顶硅振膜更多的活动空间并释放膜层应力，有利于提高振膜的形变位移及产品灵敏度。
2、通过压电驱动层表面覆膜绝缘层，提高了在产品使用过程中压电性能的稳定性。
3、通过执行器上表面覆膜一层柔性薄膜，防止空气泄漏造成的声短路，提升了产品声学性能，同时提高了执行器的结构强度和产品的机械可靠性。
附图说明
图1是现有技术一种MEMS扬声器芯片的半剖结构示意图。
图2是本发明一优选实施例的半剖结构示意图。
图3是图2所示MEMS扬声器芯片的俯视结构示意图。
图4是本发明另一种较佳实施例的半剖结构示意图。
图5是本发明又一种较佳实施例的半剖结构示意图。
图6是图2所示优选实施例的制作工艺流转示意图。
具体实施方式
以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握，从而对本发明的保护范围做出更为清晰的界定。
如图2至图5所示，本发明压电式MEMS扬声器芯片从概述的结构特征来看，其自硅基底1表面向上依次设有氧化硅止档层2，顶硅振膜3、压电驱动层4及引线pad。在芯片投影方向的中部处设有自下而上穿透硅基底和氧化硅止档层并外露顶硅振膜的腔体9。从表侧来看，该顶硅振膜3通过在腔体覆盖范围内开设缝隙成型为悬臂梁结构，而压电驱动层4的顶底两面成型有金属导电层，并从各金属导电层向MEMS扬声器芯片表侧设置引线pad。较之于图1所示传统MEMS扬声器芯片结构，本发明的执行器在靠近缝隙位置去除压电驱动层和金属导电层的部分区域，留出一定空间范围下顶底两面均呈外露状的悬臂梁，即振膜图形8。
对于图示的优选实施例及若干较佳实施例，该MEMS扬声器芯片的整体外形呈方形设计，则顺势所形成的腔体也为方体结构。因此在芯片投影方向上，上述缝隙呈工字型开设，包括靠近腔体一对边框的两条边缝12和垂直连通两条边缝的一条中缝11，由此则顶硅振膜3将形成两瓣式的悬臂梁结构。而且从图2所示可见，上述压电驱动层4和金属导电层在靠近中缝处去除的面积明显大于靠近边缝处去除的面积，以此有利于执行器中的振膜图形8增大形变位移。
作为电声换能的基础，上述压电驱动层4接电导通，且对应一种电极的第一引线pad62成型于压电驱动层表面的金属导电层52上；对应另一种电极的第二引线pad61通过加工穿透压电驱动层的通孔42成型于压电驱动层底面的金属导电层51上，且第二引线pad61的露头部分与压电驱动层表面的金属导电层52隔空相对。
如图4所示，作为本发明MEMS扬声器芯片的一种深度优化实施，上述保留的压电驱动层4b表面可包覆设有一绝缘层A，并保障引线pad的电极对接和遮蔽为便利。
如图5所示，上述顶硅振膜、压电驱动层及引线pad构成MEMS扬声器芯片的执行器，且该执行器表面可覆盖设有一层柔性薄膜B，以遮蔽全部缝隙防止空气泄漏而造成的声短路。
本发明上述压电式MEMS扬声器芯片多个实施例，其结构共性的部分，即实现悬臂梁释放应力、增加形变位移的执行器结构，可以基于统一的微纳制造技术实现制作。如图6所示，其具体的工艺步骤详述如下。
S1、在SOI片表面依次沉积底层的金属导电层51、压电驱动层4和顶层的金属导电层52，其中压电驱动层4的沉积材料可以是PZT、AlScN或AIN等，图示实施例优选PZT。
S2、对顶层的金属导电层52进行刻蚀，形成局部外露压电驱动层4的加电区域图形。
S3、在加电区域图形中，对压电驱动层4的外露部分继续刻蚀至底层的金属导电层51，所形成的通孔42自上而下可见金属导电层，但不可见顶硅振膜3。
S4、在加电区域图形和通孔处进行表面沉积金属，并通过掩膜腐蚀或剥离所沉积的一部分金属，制成用于压电驱动层接电导通的引线pad61、62。
S5、对顶硅振膜3上由金属导电层和压电驱动层组成的复合膜层进行光刻与刻蚀，形成执行器的驱动结构7，保留的压电驱动层4b和被去除的压电驱动层4c的面积比约为2:1。这里执行器的驱动结构本身成型的图案具有多样性，也非本申请致力于优化和请求保护的技术要点，其为本领域技术人员所熟知且常规的设计生产环节，故省略详述。
S6、对顶硅振膜3进行光刻与刻蚀，形成悬臂梁的振膜图形8。
S7、对SOI片的背面硅基底1和氧化硅止档层2进行刻蚀，形成顶硅振膜3呈悬空状的腔体9。
作为可选的一种制作方法的工艺优化，上述S5之后在执行器的驱动结构表面能通过蒸镀、溅射等方法包覆一层氮化硅或氧化硅的绝缘层A，以此提高压电驱动层在使用过程中压电性能的稳定性，提高执行器结构强度和产品机械可靠性。
作为可选的另一种制作方法的工艺优化，上述S6之在执行器表面可通过键合、胶粘等方法包覆一层杨氏模量很小的柔性薄膜B，优选有机膜。该柔性薄膜的刚度远小于执行器本身，且遮蔽缝隙能起到防止空气泄漏而造成的声短路现象，同时也有利于提高产品机械可靠性。
综上关于本发明压电式MEMS扬声器芯片及其制作方法的方案介绍及实施例详述可见，本方案具备突出的实质性特点和显著的进步性，其技术效果表现为：执行器通过部分缩小压电驱动层占幅，留出顶硅振膜更多的活动空间并释放膜层应力，有利于提高振膜的形变位移及产品灵敏度。
除上述实施例外，本发明还可以有其它实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求保护的范围之内。
Claims (9)
1.一种压电式MEMS扬声器芯片，其特征在于：所述MEMS扬声器芯片自硅基底表面向上依次设有氧化硅止档层，顶硅振膜、压电驱动层及引线pad，在芯片投影方向的中部处设有自下而上穿透硅基底和氧化硅止档层并外露顶硅振膜的腔体，所述顶硅振膜通过在腔体覆盖范围内开设缝隙成型为悬臂梁结构，所述压电驱动层的顶底两面成型有金属导电层，并从各金属导电层向MEMS扬声器芯片表侧设置引线pad，且在靠近缝隙位置去除压电驱动层和金属导电层的部分区域。
2.根据权利要求1所述压电式MEMS扬声器芯片，其特征在于：在芯片投影方向上，所述缝隙呈工字型开设，包括靠近腔体一对边框的两条边缝和垂直连通两条边缝的一条中缝。
3.根据权利要求2所述压电式MEMS扬声器芯片，其特征在于：压电驱动层和金属导电层在靠近中缝处去除的面积大于靠近边缝处去除的面积。
4.根据权利要求1所述压电式MEMS扬声器芯片，其特征在于：所述压电驱动层接电导通，且对应一种电极的第一引线pad成型于压电驱动层表面的金属导电层上；对应另一种电极的第二引线pad通过加工穿透压电驱动层的通孔成型于压电驱动层底面的金属导电层上，且第二引线pad的露头部分与压电驱动层表面的金属导电层隔空相对。
5.根据权利要求1所述压电式MEMS扬声器芯片，其特征在于：所述压电驱动层表面包覆设有绝缘层。
6.根据权利要求1所述压电式MEMS扬声器芯片，其特征在于：所述顶硅振膜、压电驱动层及引线pad构成MEMS扬声器芯片的执行器，且所述执行器表面覆盖有一层柔性薄膜。
7.一种压电式MEMS扬声器芯片的制作方法，其特征在于包括：
S1、在SOI片上依次沉积底层的金属导电层、压电驱动层和顶层的金属导电层，其中所述压电驱动层至少选为PZT、AlScN或AIN；
S2、对顶层的金属导电层进行刻蚀，形成局部外露压电驱动层的加电区域图形；
S3、在加电区域图形中，对压电驱动层的外露部分继续刻蚀至底层的金属导电层，形成通孔；
S4、在加电区域图形和通孔处进行表面沉积金属，并通过腐蚀或剥离所沉积的金属，制成用于压电驱动层接电导通的引线pad；
S5、对顶硅振膜上由金属导电层和压电驱动层的复合膜层进行光刻与刻蚀，形成执行器的驱动结构；
S6、对顶硅振膜进行光刻与刻蚀，形成悬臂梁的振膜图形；
S7、对SOI片背面的硅基底和氧化硅止档层进行刻蚀，形成顶硅振膜呈悬空状的腔体。
8.根据权利要求7所述压电式MEMS扬声器芯片的制作方法，其特征在于：S5之后在执行器的驱动结构表面包覆一层氮化硅或氧化硅的绝缘层。
9.根据权利要求7所述压电式MEMS扬声器芯片的制作方法，其特征在于：S6之后在执行器表面包覆一层低杨氏模量的柔性薄膜。
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