CN117156360B - 一种双绝缘层环形压电声学芯片单元、芯片以及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双绝缘层环形压电声学芯片单元、芯片以及应用，属于压电声学芯片领域。该压电声学芯片单元包括SOI基片、下电极和压电层；在压电层上设置有上电极正区、上电极负区和中间互联线，上电极负区呈环形，设置在上电极正区的边缘周圈，上电极负区与中间互联线连接；在压电层的上方依次设置有第一绝缘层、第二绝缘层和顶部互联线层，在第一绝缘层上设置有相适配的嵌入口；在第二绝缘层的中心设置有顶部正电极区；顶部正电极区与上电极正区、顶部互联线层电学导通。本发明通过使用双层绝缘层与新型结构式排布，隔绝了传统差分式压电芯片上电极正区互联线与负电荷接触的机会，保证了正电荷采集效率，提高了声学芯片阵列的灵敏度。

Description

一种双绝缘层环形压电声学芯片单元、芯片以及应用

技术领域

本发明属于微机电系统技术领域，尤其涉及一种压电声学芯片，更为具体地说是涉及一种双绝缘层环形压电声学芯片单元、芯片以及应用。

背景技术

压电声学芯片主用于水听器，但并不限于水听器。水听器为水声监测系统关键部件。水听器中，用于电声转换的主要器件为声学传感器芯片，其电声转换效率决定着水听器性能。电声转换效率主要量化标准为芯片灵敏度，灵敏度越高，电声转换效率越优异。压电声学芯片主要通过改进芯片结构提升芯片灵敏度。

现有压电声学芯片阵列水听器结构如下。

一类MEMS压电薄膜式声学芯片阵列由底部SOI基片（底部设有空腔）、上、下电极以及位于上、下电极之间的压电薄膜组成。上电极由位于压电薄膜中央区域的电极圆片与外侧导线组成，二者电学导通，且均与压电薄膜直接接触。当压电薄膜式声学芯片阵列受作用力形变时，压电薄膜中央70%区域内产生正电荷，边缘20%区域内产生异种电荷。导线经过20%异种电荷区域，与电极圆片互联。

一类如申请公布号为CN114034377A的中国发明专利，其公开一种双层AIN压电薄膜水听器芯片单元、芯片以及水听器。其中，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、AIN压电层以及电极层；其中，电极层包括正电极和负电极；正电极设置于电极层的中心区域，且呈圆形；负电极设置于电极层的外侧边缘区域，且呈环形；其中，正电极所占面积为电极层面积的70%，负电极所占面积为电极层面积的20%。该发明通过改进AIN压电薄膜水听器芯片单元中正负电极的排布方式，以提高水听器芯片单元的正负电荷采集效率，进而增加了正电极与负电极之间的电势差，从而提高了AIN压电薄膜水听器芯片的灵敏度，进一步保证了水听器的灵敏度。

上述技术方案的主要缺点在于：

1.导线会采集异种电荷与压电圆片电荷中和，降低输出电位，进而降低MEMS压电薄膜式声学芯片阵列灵敏度。

2.该差分式结构组成阵列时，仍有部分中央正电极互联线经过负电极区域，显著降低了其采集电势，进而降低了芯片灵敏度。

由此可见，现有技术有待于进一步的改进和提高。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提出一种双绝缘层环形压电声学芯片单元、芯片以及应用。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种双绝缘层环形压电声学芯片单元，包括SOI基片，在SOI基片上设置有空腔，在SOI基片的上方设置有下电极，在下电极的上方设置有压电层；

在压电层上设置有上电极正区、上电极负区和中间互联线，上电极正区设置于压电层的中心区域；上电极负区呈环形，设置在上电极正区的边缘周圈，上电极负区与中间互联线连接；

在压电层的上方设置有第一绝缘层，第一绝缘层将压电层的上表面覆盖，在第一绝缘层上且正对上电极正区、上电极负区和中间互联线的位置处均设置有相适配的嵌入口；

在第一绝缘层的上方设置有第二绝缘层，在第二绝缘层的中心设置有顶部正电极区；

在第二绝缘层的上方设置有顶部互联线层，顶部正电极区与上电极正区、顶部互联线层电学导通。

优选的，所述SOI基片包括自下而上依次设置的背衬底、埋氧层与顶层硅，所述背衬底设有空腔，所述空腔由下而上穿过所述背衬底。

优选的，所述空腔定义一个芯片单元；

所述上电极正区所占面积为芯片单元面积的70%，上电极负区占据芯片单元外缘区域，且上电极负区所占面积为芯片单元面积的20%。

优选的，所述第一绝缘层、上电极负区、中间互联线与上电极正区等厚，所述第一绝缘层与压电层外缘轮廓的形状和大小均相同。

优选的，所述第二绝缘层与顶部正电极区等厚；在第二绝缘层的中心设置有与顶部正电极区相适配的第一通孔，顶部正电极区嵌入第一通孔中。

优选的，所述下电极、上电极负区、中间互联线与上电极正区采用的材料为Mo；所述压电层采用的材料为AlN、ZnO₂或PZT；所述第一绝缘层、第二绝缘层采用的材料为二氧化硅或氮化硅。

优选的，所述上电极正区为圆形，上电极负区为圆环形，中间互联线连接在上电极负区的外侧。

一种双绝缘层环形压电声学芯片，其采用如上所述的双绝缘层环形压电声学芯片单元，双绝缘层环形压电声学芯片单元设置有多个且采用阵列式排布；

相邻双绝缘层环形压电声学芯片单元之间的顶部互联线层对应连接，作为正电荷对外输出端；相邻双绝缘层环形压电声学芯片单元之间的中间互联线对应连接，中间互联线与负电极区相连，负电极区作为负电荷对外输出端。

优选的，在第一绝缘层上设置有与负电极区相适配的第二通孔，负电极区嵌入第二通孔中；在第二绝缘层上且正对负电极区的位置处设置有负电极层，负电极层与负电极区电学导通；

所述顶部互联线层的形状为覆盖并互联顶部正电极区且不覆盖负电极层的所有形状。

如上所述的一种双绝缘层环形压电声学芯片在水听器中的应用。

本发明的有益技术效果是：

本发明通过使用双层绝缘层与新型结构式排布，隔绝了传统差分式压电芯片上电极正区互联线与负电荷接触的机会，使芯片独立输出电极采集的正负电荷。该差分式结构保证了正电荷采集效率，增加了采集电势，进而提高了声学芯片阵列的灵敏度。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1是压电薄膜电荷分布情况示意图；

图2为本发明双绝缘层环形压电声学芯片单元的结构示意图；

图3为图2的剖面图；

图4为本发明双绝缘层环形压电声学芯片单元的分解结构示意图；

图5为本发明双绝缘层环形压电声学芯片的结构示意图；

图6为图5的剖面图；

图7为本发明双绝缘层环形压电声学芯片的分解结构示意图；

图8为本发明双绝缘层环形压电声学芯片中的压电层部位俯视结构示意图。

图中：101-背衬底，102-埋氧层，103-顶层硅，104-上电极负区，105-第一绝缘层，106-顶部正电极区，107-顶部互联线层，108-第二绝缘层，109-上电极正区，110-中间互联线，111-压电层，112-下电极，113-空腔，114-负电极层，115-负电极区，116-嵌入口，117-第二通孔。

具体实施方式

压电声学芯片的核心作用机理在于压电层的压电效应。所述压电效应定义为，压电层受一定外部声压作用时，其表面会出现感应电荷。感应电荷经电极电荷采集，后端信号处理后，可得出压电层形变量，进而获得外部声压大小。

图1是压电薄膜电荷分布情况示意图。如图所示，压电层受外部声压作用力时，其上表面正电荷集中于中心区域，边缘区域为负电荷。

现有压电声学芯片单元由于结构设计原因，上电极正区边缘区域与压电层负电荷区域接触，导致上电极正区收集大量边缘区域负电荷。或者，有部分中央正电极互联线经过负电荷区域，不可避免地会发生电荷中和，降低电荷采集效率，进而降低了芯片灵敏度。

针对上述技术问题，本发明提出一种双绝缘层环形压电声学芯片单元、芯片以及应用。

如图2-4所示，一种双绝缘层环形压电声学芯片单元，包括SOI基片，在SOI基片上设置有空腔113，在SOI基片的上方设置有下电极112，在下电极112的上方设置有压电层111。在压电层111上设置有上电极正区109、上电极负区104和中间互联线110。上电极正区109设置于压电层111的中心区域；上电极负区104呈环形，设置在上电极正区109的边缘周圈，上电极负区104与中间互联线110连接。在压电层111的上方设置有第一绝缘层105，第一绝缘层105将压电层111的上表面覆盖，在第一绝缘层105上且正对上电极正区109、上电极负区104和中间互联线110的位置处均设置有相适配的嵌入口116。在第一绝缘层105的上方设置有第二绝缘层108，在第二绝缘层108的中心设置有顶部正电极区106。在第二绝缘层108的上方设置有顶部互联线层107，顶部正电极区106与上电极正区109、顶部互联线层107电学导通，用于采集压电层111接触上电极正区109表面的正电荷。

本发明通过使用双层绝缘层与新型结构式排布，在正电荷采集过程中隔绝了与负电荷接触的机会，使芯片独立输出电极采集的正负电荷，保证了正电荷采集效率，增加了采集电势，进而提高了声学芯片阵列的灵敏度。

上述SOI基片包括自下而上依次设置的背衬底101、埋氧层102与顶层硅103，所述背衬底101设有空腔113，所述空腔113由下而上穿过所述背衬底101。

每个空腔定义一个芯片单元。所述上电极正区109所占面积为芯片单元面积的70%，上电极负区104占据芯片单元外缘区域，且上电极负区104所占面积为芯片单元面积的20%。其余区域通过第一绝缘层105进行填充。当然，上电极正区109和上电极负区104所占芯片单元面积的幅度也可以适应性浮动调整。

外部声压激励作用于压电层111时，所述压电层111发生形变，其表面产生电荷信号。上电极正区109用于收集压电层111表面正电荷（中央70%面积区域），所述上电极正区109占据压电层111表面正电荷区域。所述压电层111外侧为电中性与负电荷区域（边缘30%面积区域），电中性与负电荷区域之上分别为顶部第一绝缘层105与上电极负区104。

上述第一绝缘层105、上电极负区104、中间互联线110与上电极正区109等厚，所述第一绝缘层105与压电层111外缘轮廓的形状和大小均相同。也就是说，上电极负区104、中间互联线110和上电极正区109恰好嵌入第一绝缘层105上的对应嵌入口中。压电层111上表面的空余区域均通过第一绝缘层105进行覆盖。上述第一绝缘层105、上电极负区104、中间互联线110与上电极正区109共同组成上电极-绝缘层，上电极-绝缘层直接安装于压电层111之上。

上述第二绝缘层108与顶部正电极区106等厚。在第二绝缘层108的中心设置有与顶部正电极区106相适配的第一通孔，顶部正电极区106恰好嵌入第一通孔中。当第二绝缘层108覆盖在第一绝缘层105上方时，顶部正电极区106与上电极正区109相接触并电学导通。

上述下电极112、上电极负区104、中间互联线110与上电极正区109所采用的材料均为Mo。也就是说下电极112、上电极负区104等均可为Mo电极。在具体制作时，可直接在压电层111的表面涂覆Mo电极层，然后进行光刻，以形成相应形状的上电极负区104、中间互联线110与上电极正区109。

如图4所示，上述上电极正区109为圆形，上电极负区104为圆环形，中间互联线110连接在上电极负区104的外侧。上电极正区109也可设置为其他形状，如方形等。当然，上电极负区104也可为其他环形。中间互联线110共设置四个，在上电极负区104的周圈外侧间隔布置，以分别与阵列排布的前后左右芯片单元上的中间互联线对应连接。

上述压电层111采用的材料为AlN、ZnO₂或PZT等，如可采用PZT陶瓷材料加工制成。上述第一绝缘层105、第二绝缘层108采用的材料为二氧化硅或氮化硅，如可采用氮化硅材料加工制成。当然，第一绝缘层105、第二绝缘层108也可采用其他绝缘材料加工制成。

如图5-8所示，一种双绝缘层环形压电声学芯片，其采用如上所述的双绝缘层环形压电声学芯片单元，双绝缘层环形压电声学芯片单元设置有多个且采用阵列式排布。相邻双绝缘层环形压电声学芯片单元之间的顶部互联线层107对应连接，作为正电荷对外输出端。相邻双绝缘层环形压电声学芯片单元之间的中间互联线110对应连接，中间互联线110与负电极区115相连，负电极区115作为负电荷对外输出端。

在第一绝缘层105上设置有与负电极区115相适配的第二通孔117，负电极区115嵌入第二通孔117中。在第二绝缘层108上且正对负电极区115的位置处设置有负电极层114，负电极层114与负电极区115电学导通。上述顶部互联线层107的形状为覆盖并互联顶部正电极区106且不覆盖负电极层114的所有形状。如图5所示，顶部互联线层107设置为方形，当然也可根据需要设置为满足上述要求的其他异形形状。

双绝缘层环形压电声学芯片阵列由多个芯片单元构成，多个芯片单元采用阵列式排布，构成芯片阵列。芯片单元区域由所述背衬底的空腔113定义。每个芯片单元中心区域为正电荷区域，在芯片单元中心区域之上安装上电极正区109，用于采集正电荷，所采集的正电荷通过顶部正电极区106、顶部互联线层107输出。所述上电极正区外侧为电中性与负电荷区域，电中性与负电荷区域之上分别为第一绝缘层105与上电极负区104，上电极负区104用于采集负电荷，所采集的负电荷通过中间互联线110、负电极区115和负电极层114输出。也就是说，上电极负区104、中间互联线110、负电极区115和负电极层114电学导通。

第二绝缘层108与顶部正电极区106设置于上电极正区-绝缘层结构之上，所述顶部正电极区106、顶部互联线层107与上电极正区109电学导通，用于采集压电层111接触上电极正区109表面的正电荷。通过顶部互联线层107对外输出正电势。顶部互联线层107采用整体金属层结构，可通过溅射实现，无需电极图形化，成本较低。当然，顶部互联线层107也可采用石墨等其他导电材料加工制成。上电极负区104采集压电层表面负电荷，并经过中间互联线110、负电极区115与负电极层114电学导通，通过负电极层114对外输出负电势。负电极层114可采用铜、金等金属材料加工制成。

本发明压电声学芯片通过使用双绝缘层，阻止中央正电极互联线经过负电极区域，防止采集正负电荷中和，保证了电荷采集效率，增加了采集电势，进而提高了声学芯片阵列的灵敏度。

上述双绝缘层环形压电声学芯片可在水听器中应用。当然，虽然双绝缘层环形压电声学芯片主用于水听器，但并不限于水听器。上述双绝缘层环形压电声学芯片可用于所有麦克风声学芯片。

上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种双绝缘层环形压电声学芯片单元，其特征在于：包括SOI基片，在SOI基片上设置有空腔，在SOI基片的上方设置有下电极，在下电极的上方设置有压电层；

在压电层上设置有上电极正区、上电极负区和中间互联线，上电极正区设置于压电层的中心区域；上电极负区呈环形，设置在上电极正区的边缘周圈，上电极负区与中间互联线连接；

在压电层的上方设置有第一绝缘层，第一绝缘层将压电层的上表面覆盖，在第一绝缘层上且正对上电极正区、上电极负区和中间互联线的位置处均设置有相适配的嵌入口；

在第一绝缘层的上方设置有第二绝缘层，在第二绝缘层的中心设置有顶部正电极区；

在第二绝缘层的上方设置有顶部互联线层，顶部正电极区与上电极正区、顶部互联线层电学导通；

所述第一绝缘层、上电极负区、中间互联线与上电极正区等厚，所述第一绝缘层与压电层外缘轮廓的形状和大小均相同；

所述第二绝缘层与顶部正电极区等厚；在第二绝缘层的中心设置有与顶部正电极区相适配的第一通孔，顶部正电极区嵌入第一通孔中。

2.根据权利要求1所述的一种双绝缘层环形压电声学芯片单元，其特征在于：所述SOI基片包括自下而上依次设置的背衬底、埋氧层与顶层硅，所述背衬底设有空腔，所述空腔由下而上穿过所述背衬底。

3.根据权利要求1所述的一种双绝缘层环形压电声学芯片单元，其特征在于：所述空腔定义一个芯片单元；

所述上电极正区所占面积为芯片单元面积的70％，上电极负区占据芯片单元外缘区域，且上电极负区所占面积为芯片单元面积的20％。

4.根据权利要求1所述的一种双绝缘层环形压电声学芯片单元，其特征在于：所述下电极、上电极负区、中间互联线与上电极正区采用的材料为Mo；所述压电层采用的材料为AlN、ZnO₂或PZT；所述第一绝缘层、第二绝缘层采用的材料为二氧化硅或氮化硅。

5.根据权利要求1所述的一种双绝缘层环形压电声学芯片单元，其特征在于：所述上电极正区为圆形，上电极负区为圆环形，中间互联线连接在上电极负区的外侧。

6.一种双绝缘层环形压电声学芯片，其特征在于：采用如权利要求1至5中任一项所述的双绝缘层环形压电声学芯片单元，双绝缘层环形压电声学芯片单元设置有多个且采用阵列式排布；

相邻双绝缘层环形压电声学芯片单元之间的顶部互联线层对应连接，作为正电荷对外输出端；相邻双绝缘层环形压电声学芯片单元之间的中间互联线对应连接，中间互联线与负电极区相连，负电极区作为负电荷对外输出端。

7.根据权利要求6所述的一种双绝缘层环形压电声学芯片，其特征在于：在第一绝缘层上设置有与负电极区相适配的第二通孔，负电极区嵌入第二通孔中；在第二绝缘层上且正对负电极区的位置处设置有负电极层，负电极层与负电极区电学导通；

所述顶部互联线层的形状为覆盖并互联顶部正电极区且不覆盖负电极层的所有形状。

8.如权利要求6或7所述的一种双绝缘层环形压电声学芯片在水听器中的应用。