CN117177131A - 一种隔绝互联线的压电声学芯片单元、芯片以及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种隔绝互联线的压电声学芯片单元、芯片以及应用，涉及压电声学芯片领域。该压电声学芯片单元包括SOI基片、下电极、压电层和上电极，下电极设置在SOI基片的上方，压电层处于下电极和上电极之间，所述上电极设置在正对压电层的中间区域，在上电极的周圈设置有绝缘层，绝缘层处于正对压电层的边缘区域；在上电极的上方设置有顶部互联线层，顶部互联线层与上电极相连接，顶部互联线层与压电层之间通过绝缘层相隔绝。本发明通过使用绝缘层，并进行合理结构布置等，可有效阻止声学芯片阵列互联线与压电层负电荷区域互联，防止采集正负电荷中和，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。
Description
技术领域
本发明涉及压电声学芯片领域，具体地说是涉及一种隔绝互联线的压电声学芯片单元、压电声学芯片以及应用。
背景技术
压电声学芯片主用于水听器，但不限于水听器。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压电声学芯片，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。
目前，压电声学芯片阵列水听器多采用MEMS压电薄膜式声学芯片阵列，其由底部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。这样不可避免地，导线会采集异种电荷并与电极圆片正电荷中和，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。
发明内容
基于上述技术问题，本发明提出一种隔绝互联线的压电声学芯片单元，采用该压电声学芯片单元的压电声学芯片以及具体应用。
本发明所采用的技术解决方案是：
一种隔绝互联线的压电声学芯片单元，包括SOI基片、下电极、压电层和上电极，下电极设置在SOI基片的上方，压电层处于下电极和上电极之间，所述上电极设置在正对压电层的中间区域，在上电极的周圈设置有绝缘层，绝缘层处于正对压电层的边缘区域； 在上电极的上方设置有顶部互联线层，顶部互联线层与上电极相连接，顶部互联线层与压电层之间通过绝缘层相隔绝。
优选的，所述上电极覆盖压电层上表面面积的70%，所述绝缘层覆盖压电层上表面面积的剩余30%区域。
优选的，所述上电极与绝缘层的厚度相等。
优选的，所述上电极的横截面为圆形，绝缘层的横截面为圆环形。
优选的，所述顶部互联线层覆盖并互联上电极。
优选的，所述顶部互联线层为在上电极和绝缘层表面溅射形成的整体金属层；或顶部互联线层为继续在整体金属层上进行图形化刻蚀所形成的图形金属层。
优选的，所述上电极与下电极均为Mo电极；所述绝缘层是采用氧化硅或氮化硅材料加工制成的；所述压电层是采用氮化铝或PZT陶瓷材料加工制成的。
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，在背衬底上设置有空腔，所述空腔由下而上穿过所述背衬底。
每个压电声学芯片单元对应设置有一个空腔，或者说所述空腔定义一个芯片单元。压电层设置在空腔的正上方，受外部声压作用时，表面会出现感应电荷。相应地，所述上电极设置在正对空腔的中间区域，绝缘层处于正对空腔的边缘区域。
本发明还提供一种隔绝互联线的压电声学芯片，其采用如上所述的隔绝互联线的压电声学芯片单元，隔绝互联线的压电声学芯片单元设置有多个且采用阵列式排布，相邻压电声学芯片单元之间通过其上的顶部互联线层相连接。
如上所述的一种隔绝互联线的压电声学芯片可应用于水听器中。进一步的，压电声学芯片可用于所有麦克风声学芯片。
本发明的有益技术效果是：
本发明通过使用绝缘层，并进行合理结构布置等，可有效阻止声学芯片阵列互联线与压电层负电荷区域互联，防止采集正负电荷中和，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。而且，本发明压电声学芯片还具有结构相对简单，制作成本低等优势。
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为压电薄膜电荷分布情况示意图；
图2为实施例1隔绝互联线的压电声学芯片单元结构示意图；
图3为图2的剖面图；
图4为实施例1隔绝互联线的压电声学芯片单元阵列结构示意图；
图5为图4的剖面图；
图6为实施例2隔绝互联线的压电声学芯片单元结构示意图；
图7为图6的剖面图；
图8为实施例2隔绝互联线的压电声学芯片单元阵列结构示意图；
图9为图8的剖面图；
图10为图8的俯视图。
图中：201-背衬底，202-埋氧层，203-顶层硅，204-上电极，205-绝缘层，206-顶部互联线层，207-压电层，208-下电极，209-空腔。
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。
常规水听器单元从下至上依次包括背衬底、埋氧层、顶层硅、上电极、压电层和下电极，在背衬底上设置有空腔。其中，上电极用于收集压电层感测正电荷。所述上电极边缘区域与压电层负电荷区域接触，导致上电极收集大量边缘区域负电荷。因上电极（中央圆片与边缘区域）电学导通，上电极内部会发生电荷中和，显著降低电荷量，进而降低了上电极电荷采集效率，降低了芯片灵敏度。
针对常规水听器电荷采集效率低的缺点，本发明提出了一种隔绝互联线的高灵敏度压电声学芯片结构。以下结合附图和具体实施例进行详细阐述。
实施例1
如图2-图3所示，一种隔绝互联线的压电声学芯片单元，包括SOI基片、下电极208、压电层207和上电极204，所述SOI基片包括自下而上依次设置的背衬底201、埋氧层202与顶层硅203，在背衬底201上设置有空腔209，所述空腔209由下而上穿过所述背衬底201。下电极208设置在SOI基片的上方，压电层207处于下电极208和上电极204之间。所述上电极204设置在正对压电层207的中间区域，在上电极204的周圈设置有绝缘层205，绝缘层205处于正对压电层207的边缘区域。在上电极204的上方设置有顶部互联线层206，顶部互联线层206与上电极204相连接，即电学导通。顶部互联线层206与压电层207之间通过绝缘层205相隔绝。
具体地，所述上电极204的横截面为圆形，绝缘层205的横截面为圆环形。上电极204与绝缘层205的厚度相等，处于顶部互联线层206和压电层207之间的同一层面，二者均直接安装于压电层207之上。上电极区域和绝缘层区域共同组成电极-绝缘层。且所述上电极204覆盖压电层207上表面面积的70%，所述绝缘层205覆盖压电层207上表面面积的剩余30%边缘区域。
上述上电极204与下电极208均为Mo电极。上述绝缘层205是采用氧化硅或氮化硅材料加工制成的。上述压电层207是采用氮化铝（AlN）或PZT陶瓷材料加工制成的，当然也可采用其他压电材料加工制成。
上述顶部互联线层206覆盖并互联上电极，顶部互联线层206的形状可为覆盖并互联上电极204区域的所有形状。具体地，顶部互联线层206为整体金属层结构，通过在上电极204和绝缘层205表面溅射形成，无需电极图形化，成本较低。
如图4-图5所示，本发明还提供一种隔绝互联线的压电声学芯片，其采用如上所述的隔绝互联线的压电声学芯片单元。隔绝互联线的压电声学芯片单元设置有多个且采用阵列式排布，相邻压电声学芯片单元之间通过其上的顶部互联线层206相连接。
上述隔绝互联线的压电声学芯片主要用于水听器，但也不限于水听器。压电声学芯片可用于所有麦克风声学芯片。
当外部声压激励作用于压电层207时，所述压电层207发生形变，其表面产生电荷信号。上电极204用于收集压电层207表面正电荷（中央70%面积区域），所述上电极204覆盖区域占据压电层207表面正电荷区域，所述压电层207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为绝缘层205。顶部互联线层206设置于上电极-绝缘层结构之上，所述顶部互联线层206与圆形上电极204电学导通，用于采集压电层207接触上电极204表面的正电荷。
本实施例通过使用绝缘层205，并进行合理结构布置，可有效阻止声学芯片阵列互联线与负电荷区域互联，防止采集正负电荷中和，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。而且，由于绝缘层205的设置，本实施例中顶部互联线层206可直接设置为整体金属层结构，无需光刻工艺，节省了整体制作的光刻成本，制作成本较低，而且结构相对简单。
实施例2
如图6-图7所示，一种隔绝互联线的压电声学芯片单元，基本结构同实施例1，主要区别在于顶部互联线层206为图形化的图形金属层。即顶部互联线层可为进一步在整体金属层上进行图形化刻蚀所形成的图形金属层，可根据需要通过光刻等手段获得相应图形的顶部互联线层，以达到减小应力等目的。
如图8-图9所示，一种隔绝互联线的压电声学芯片，其采用图6-图7所示的隔绝互联线的压电声学芯片单元。隔绝互联线的压电声学芯片单元设置有多个且采用阵列式排布，即多个压电声学芯片单元组成阵列，阵列尺寸由背衬底201上设置的空腔209定义，即空腔尺寸决定芯片单元尺寸，进而决定阵列尺寸。相邻压电声学芯片单元之间通过其上的顶部互联线层206相连接。当然，相邻压电声学芯片单元之间，其上的压电层207、下电极208等也对应连接，并可适当延展。图10为水听器阵列俯视图。
上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。
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 (10)
1.一种隔绝互联线的压电声学芯片单元，包括SOI基片、下电极、压电层和上电极，下电极设置在SOI基片的上方，压电层处于下电极和上电极之间，其特征在于：所述上电极设置在正对压电层的中间区域，在上电极的周圈设置有绝缘层，绝缘层处于正对压电层的边缘区域； 在上电极的上方设置有顶部互联线层，顶部互联线层与上电极相连接，顶部互联线层与压电层之间通过绝缘层相隔绝。
2.根据权利要求1所述的一种隔绝互联线的压电声学芯片单元，其特征在于：所述上电极覆盖压电层上表面面积的70%，所述绝缘层覆盖压电层上表面面积的剩余30%区域。
3.根据权利要求1所述的一种隔绝互联线的压电声学芯片单元，其特征在于：所述上电极与绝缘层的厚度相等。
4.根据权利要求1所述的一种隔绝互联线的压电声学芯片单元，其特征在于：所述上电极的横截面为圆形，绝缘层的横截面为圆环形。
5.根据权利要求1所述的一种隔绝互联线的压电声学芯片单元，其特征在于：所述顶部互联线层覆盖并互联上电极。
6.根据权利要求5所述的一种隔绝互联线的压电声学芯片单元，其特征在于：所述顶部互联线层为在上电极和绝缘层表面溅射形成的整体金属层；或顶部互联线层为继续在整体金属层上进行图形化刻蚀所形成的图形金属层。
7.根据权利要求1所述的一种隔绝互联线的压电声学芯片单元，其特征在于：所述上电极与下电极均为Mo电极；所述绝缘层是采用氧化硅或氮化硅材料加工制成的；所述压电层是采用氮化铝或PZT陶瓷材料加工制成的。
8.根据权利要求1所述的一种隔绝互联线的压电声学芯片单元，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，在背衬底上设置有空腔，所述空腔由下而上穿过所述背衬底。
9.一种隔绝互联线的压电声学芯片，其特征在于：采用如权利要求1至8中任一项所述的隔绝互联线的压电声学芯片单元，隔绝互联线的压电声学芯片单元设置有多个且采用阵列式排布，相邻压电声学芯片单元之间通过其上的顶部互联线层相连接。
10.如权利要求9所述的一种隔绝互联线的压电声学芯片在水听器中的应用。
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