CN117376794A - Mems压电声学换能器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种MEMS压电声学换能器及其制备方法，MEMS压电声学换能器包括：内部呈空腔结构的衬底、以及设置于衬底上的振膜结构；振膜结构包括：压电复合层结构和加强筋结构；压电复合层结构设置于衬底上，加强筋结构设置于压电复合层结构上；或者，加强筋结构设置于衬底上，压电复合层结构设置于加强筋结构上；加强筋结构用于加固压电复合层结构。本申请在压电复合层结构上设置起加固作用的加强筋结构，从而提高器件的谐振频率，增加换能器的带宽。

Description

MEMS压电声学换能器及其制备方法

技术领域

本申请涉及MEMS器件技术领域，尤其是涉及一种MEMS压电声学换能器及其制备方法。

背景技术

近年来由于压电薄膜材料性能以及MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微电子机械系统)工艺的提升,大量的MEMS压电器件应运而生，如致动器、微型泵、微扬声器、微镜、共振器、陀螺仪传感器、振动传感器、麦克风等。

为了使MEMS压电器件如麦克风、扬声器得到更广泛的应用，业界致力于设计小尺寸、高性能的MEMS压电器件。但由于基于硅基底和压电薄膜材料构成的器件在小尺寸与高的性能往往两者难以兼顾，比如将正方形或者六边形的MEMS压电器件设计分割成多个三角形悬臂梁结构，通过降低器件的刚度来增加器件的灵敏度，但这是通过降低器件的一阶谐振频率，牺牲器件的带宽为代价的。因此，在较小的尺寸下，在保证MEMS压电声学器件的灵敏度的同时,如何提高器件带宽是当前需要解决的问题。

发明内容

本申请的目的在于提供一种MEMS压电声学换能器及其制备方法，在压电复合层结构上设置起加固作用的加强筋结构，从而提高器件的谐振频率，增加换能器的带宽。

第一方面，本申请提供一种MEMS压电声学换能器，MEMS压电声学换能器包括：内部呈空腔结构的衬底、以及设置于衬底上的振膜结构；振膜结构包括：压电复合层结构和加强筋结构；压电复合层结构设置于衬底上，加强筋结构设置于压电复合层结构上；或者，加强筋结构设置于衬底上，压电复合层结构设置于加强筋结构上；加强筋结构用于加固压电复合层结构。

进一步地，上述压电复合层结构包括上下均覆盖有绝缘层的至少一个压电复合单元，两侧的压电复合单元的顶/底电极层上设置有金属连线结构。

进一步地，上述加强筋结构包括设置于压电复合层结构上或下的预设位置处的多个加固结构。

进一步地，上述加强筋结构设置于压电复合层结构上时，预设设置包括：压电复合单元间隔内、压电复合单元上的部分区域、和金属连线结构外侧的器件边缘区域；压电复合层结构设置于加强筋结构下时，预设设置包括：压电复合单元间隔对应的正下方、压电复合单元上的部分区域对应的正下方、及与衬底贴合的区域。

进一步地，上述加固结构包括以下之一：柔性干膜、硅膜、二氧化硅膜。

进一步地，上述柔性干膜包括以下之一的有机化合物：PVI-3、FleFiner15SA、聚酰亚胺PI、聚对苯二甲酸乙二酯PET。

进一步地，上述振膜结构的中性层设计在振膜中心；中性层为：振膜外侧受到的拉应力与振膜内测受到的压应力相等的膜层区域。

进一步地，上述当MEMS压电声学换能器用作MEMS压电扬声器时，间隔宽度小于5um；设置于间隔内的加固结构在厚度方向上贯穿振膜结构。

进一步地，上述MEMS压电声学换能器为圆形、正方形或者六边形；MEMS压电声学换能器包括多个三角形悬臂梁结构时，通过加强筋结构连接悬臂梁结构构成一个整体运动的振膜。

进一步地，上述压电复合单元包括：至少一个压电层及多个电极层；电极层的数量为压电层的数量加一；压电层与电极层交替上下排列。第二方面，本申请还提供一种MEMS压电声学换能器的制备方法，方法包括：

在基片正反面生长电介质层；

在电介质层上生长压电复合层；

刻蚀压电复合层，以形成至少一个压电复合单元；

在压电复合单元上沉积钝化层，并进行图形化刻蚀；

在压电复合单元的底电极层上进行金属导线沉积和图形化刻蚀，得到第一结构；

在第一结构上覆盖加固膜层，并进行图形化刻蚀；

对基片进行减薄，并刻蚀背腔，得到MEMS压电声学换能器。

第三方面，本申请还提供一种MEMS压电声学换能器的制备方法，方法包括：

在第一基片上沉积压电复合层、钝化层、加固层；

对加固层进行图形化刻蚀，得到多个位置处的加固结构；

以加固结构为贴合面，键合至第二基片上；

对压电复合层进行图形化刻蚀，得到多个压电复合单元；

沉积覆盖多个压电复合单元的钝化层，并进行图形化，以留出压电复合单元的电极连接区；在电极连接区进行金属导线沉积和图形化；

对第二基片进行减薄处理，并刻蚀背腔，得到MEMS压电声学换能器。

本申请提供的一种MEMS压电声学换能器及其制备方法中，MEMS压电声学换能器包括：内部呈空腔结构的衬底、以及设置于衬底上的振膜结构；振膜结构包括：压电复合层结构和加强筋结构；压电复合层结构设置于衬底上，加强筋结构设置于压电复合层结构上；或者，加强筋结构设置于衬底上，压电复合层结构设置于加强筋结构上；加强筋结构用于加固压电复合层结构。在压电复合层结构上设置起加固作用的加强筋结构，从而提高器件的谐振频率，从而增加换能器的带宽。

附图说明

为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种MEMS压电声学换能器的俯视示意图；

图2为本申请实施例提供的一种MEMS压电声学换能器的剖面示意图；

图3为本申请实施例提供的另一种MEMS压电声学换能器的剖面示意图；

图4为本申请实施例提供的一种MEMS压电声学传感器四分之一仿真结构模型的示意图；

图5为本申请实施例提供的一种MEMS压电声学换能器的制备方法的流程图；

图6为本申请实施例提供的一种在硅基片上生长二氧SiO2层后的剖面示意图；

图7为本申请实施例提供的一种生长压电复合层后的剖面示意图；

图8为本申请实施例提供的一种图形化顶电极层后的剖面示意图；

图9为本申请实施例提供的一种干法刻蚀压电层和底电极层后的剖面示意图；

图10为本申请实施例提供的一种湿法刻蚀压电层后的剖面示意图；

图11为本申请实施例提供的一种钝化层沉积和图形化后的剖面示意图；

图12为本申请实施例提供的一种金属导线沉积和图形化后的剖面示意图；

图13为本申请实施例提供的一种镀有柔性材料后的剖面示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

基于硅基底和压电薄膜材料构成的器件在小尺寸与高的性能往往两者难以兼顾，比如将正方形或者六边形的MEMS压电器件设计分割成多个三角形悬臂梁结构，由于降低器件的刚度从而增加器件的灵敏度，但这是通过降低器件的一阶谐振频率，牺牲器件的宽带为代价的。

基于此，本申请实施例提供一种MEMS压电声学换能器，在压电复合层结构上设置起加固作用的加强筋结构，在较小的尺寸下，在保证MEMS压电声学器件的灵敏度的同时，从而提高器件的谐振频率，增加换能器的带宽。

为便于对本实施例进行理解，首先对本申请实施例所公开的一种MEMS压电声学换能器进行详细介绍。

本申请实施例提供一种MEMS压电声学换能器，MEMS压电声学换能器包括：内部呈空腔结构的衬底、以及设置于衬底上的振膜结构；振膜结构包括：压电复合层结构和加强筋结构；压电复合层结构设置于衬底上，加强筋结构设置于压电复合层结构上；或者，加强筋结构设置于衬底上，压电复合层结构设置于加强筋结构上，加强筋结构用于加固压电复合层结构。

上述衬底位于振膜结构下方与振膜结构底面平行，上述衬底需要进行空腔结构设计，比如衬底内部通过DRIE(深反应离子刻蚀技术)工艺去除硅层形成空腔结构；通过设计不同尺寸的空腔结构，改变器件的谐振频率，从而可以应用于扬声器或者超声换能器等；上述衬底的材料可以为硅、绝缘层上硅(SOI)、玻璃、蓝宝石、石英、玻璃等。

衬底空腔尺寸不同，会导致压电换能器的一阶谐振频率不同，对于正方形、圆形、六边形等器件空腔形状而言，尺寸越大则器件的一阶谐振频率越低，尺寸主要指的是空腔面积，但有时可以指的是长度、宽度，或者半径，直径等测量参数。

器件的一阶谐振频率不仅与器件振膜结构的刚度有关，还与器件振膜结构的质量相关。当器件空腔尺寸等参数一定时，一般而言薄膜厚度越薄，器件的一阶谐振频率越低。在器件、器件空腔尺寸以及压电复合层的厚度确定后，通过改变加强筋结构改变器件的谐振频率，通过设计合适的加强筋结构提高器件的谐振频率从而增加器件的频宽。

振膜结构的四周固定在衬底上，振膜结构包括压电复合层结构和用可固化的干膜以压膜工艺形成的加强筋结构，该加强筋结构是干膜在固化后并刻蚀形成的图形。压电复合层结构包括一个或多个压电复合单元，每个所述压电复合单元包括：上下均覆盖有绝缘层的至少一个压电复合单元，两侧的压电复合单元的顶/底电极层上设置有金属连线结构。

上述压电复合单元包括：至少一个压电层及多个电极层；电极层的数量为压电层的数量加一；压电层与电极层交替上下排列。即压电复合单元包括：单压电层结构：电极层/压电层/电极层，双压电层结构：电极层/压电层/电极层/压电层/电极层，以及多压电层结构：电极层/压电层/电极层……/压电层/电极层，叠结构体且包含以三明治的方式交替地层叠的多个压电复合层薄膜。

上述压电层的材料可以为单晶压电材料、也可以为多晶材料，例如：单晶AlN、掺杂AlN、单晶PZT、掺杂PZT、ZnO、钛酸钡、钛酸铅等其他压电材料，压电层的厚度在0.5um-10um之间。上述电极层的材料可以为Mo、Au、Ag、Pt、Al、Cu等单晶金属材料，或者为合金材料相同材料，电极层的厚度在0.01um-5um之间。

上述压电复合层单元可以将驱动的电压信号转换为压电振膜的形变，从而可以产生声音；也可以受到声压使得压电振膜形变转换成电信号输出，从而用来监测声波。

在压电复合层结构包括多个压电复合单元时，压电复合单元间存在至少一间隔，间隔可以降低压电复合层结构由于工艺造成的内应力。

上述振膜结构的中性层设计在振膜中心，这样有利于振膜上下压电复合层的力相反(即拉力与压力)。其中，中性层为：振膜的外层受到拉应力，而内测受到压应力，在拉应力与压应力之间，总是存在一个点的应力为零，这个应力等于零的层为应力中性层。

上述加强筋结构包括设置于压电复合层结构上或下的预设位置处的多个加固结构。上述加强筋结构设置于压电复合层结构上时，预设设置包括：压电复合单元间隔内、压电复合单元上的部分区域、和金属连线结构外侧的器件边缘区域；压电复合层结构设置于加强筋结构下时，预设设置包括：压电复合单元间隔对应的正下方、压电复合单元上的部分区域对应的正下方、及与衬底贴合的区域。

进一步地，上述加固结构包括以下之一：柔性干膜、硅膜、二氧化硅膜。上述柔性干膜要求与MEMS工艺相兼容，可以选择密度低，杨氏模量大的有机化合物，包括以下之一的有机化合物：PVI-3、FleFiner 15SA、聚酰亚胺PI、聚对苯二甲酸乙二酯PET。此外，干膜材料应当具有良好的机械性能和绝缘性能、防尘防水，耐热性好，可承受高温回流焊。

振膜结构的厚度一般而言优选在1um-5um之间，需要根据器件设计的尺寸以及性能参数决定，例如当器件以及空腔尺寸确定时，要求器件的一阶谐振频率越低，则选择越薄的薄膜，要求器件的一阶谐振频率越高，则选择越厚的薄膜。

进一步地，上述压电复合单元间的间隔的尺寸比较小，在厚度方向贯穿振膜结构，为振膜结构的厚度；上述设置于间隔内的加固结构在厚度方向上贯穿振膜结构。当MEMS压电声学换能器用作MEMS压电扬声器时，间隔宽度小于5um，并采用柔性材料覆盖，这样有利于防止声音泄露。

进一步地，MEMS压电声学换能器包括多个三角形悬臂梁结构时，通过加强筋结构连接悬臂梁结构，从而可以使得加工后的器件中所有悬臂梁结构保持在同一水平面，运动是保持姿态的一致性。

参见图1所示的一种压电MEMS声学换能器D01的俯视示意图，压电MEMS声学换能器D01器件为方形结构，也可以设计为圆形、矩形、六边形等其他形状的结构。40a与40b为相交的两条刻蚀槽，将器件分成四个等腰直角三角形悬臂梁结构的振动薄膜，20g和20h为两条干膜结构，压膜并填充刻蚀槽结构。20a-20d为器件外围四条干膜构成方形结构，20e和20f相互垂直，末端连接固定20a-20d上，干膜在器件上的分布对器件的谐振频率影响很大。30a-30d点划线构成一方形结构为器件背腔刻蚀区域，通过DRIE工艺去除背面的硅形成振膜结构。50a-50d为压电复合单元，在压电复合单元50a-50d施加音频驱动信号，进而推动空气发出声音，进行机械声学能量的转换。音频驱动信号一般为直流电压加交流电压的正弦信号，比如10VDV+10VP，或者用双极信号驱动。或者当压电复合单元感受到环境中的声压，振膜发生形变，对应于输出电信号。

以A-B为剖视线得到的剖面图如图2所示，压电MEMS声学换能器D01包括:衬底02，衬底内空腔结构为03，绝缘层05形成于衬底02之上，06、07、08分别为压电复合单元的底电极层、中间压电层、顶电极层，09为压电复合层的顶电极层上的绝缘层，其作用主要是隔离图形化后的压电复合单元，防止上下电极之间的电气连接，同时起到隔离保护作用；04为刻蚀形成的槽，也就是压电复合单元间的间隔，该槽位于器件空腔结构03的空心区域的上方，振膜通过MEMS刻蚀工艺方式获得缝隙(即压电复合单元间的间隔)，缝隙的宽度设计在2um-1000um，对器件进行结构解耦，同时释放各膜层的工艺内应力，从而可以降低器件的刚度。上述加强筋结构包括设置于压电复合层结构上的预设位置处的多个加固结构，预设设置包括：压电复合单元间隔内、压电复合单元上的部分区域、和金属连线结构外侧的器件边缘区域；比如，柔性干膜材料10通过压膜以及刻蚀工艺对缝隙进行覆盖，宽度大于刻蚀的槽宽，可以贴合在槽上防止声音的泄露。图中11为在一侧的压电复合单元的底电极层上设置的金属连线结构，12为在另一侧压电复合单元的顶电极层上设置的金属连线结构。干膜材料要求要与MEMS工艺相兼容，可以选择密度低，杨氏模量大的有机化合物，并且具有良好的机械性能和绝缘性能、防尘防水，耐热性好，可承受高温回流焊SMT。可以通过设计各种形状的加强筋结构，从而提高器件的谐振频率。

本申请实施例还提供了另一种压电MEMS声学换能器D02的剖面示意图，参见图3所示，该压电MEMS声学换能器中，柔性干膜材料10是设置于衬底和压电复合层结构之间的，即该实施例中，加强筋结构包括设置于压电复合层结构下的预设位置处的多个加固结构，预设设置包括：压电复合单元间隔对应的正下方、压电复合单元上的部分区域对应的正下方、及与衬底贴合的区域。

本申请实施例中的压电MEMS声学换能器，通过压电复合单元进行电声转换，在压电复合单元上施加电信号，压电层发生形变带动振膜振动从而发出声音，可以当作MEMS声装置、扬声器。也可以当作MEMS传感器使用，具体可以为压电MEMS麦克风、压电MEMS压力计、压电MEMS水听器等。当作压电MEMS麦克风时接受声波并产生电信号，器件的性能指标接收灵敏度需要足够高，这样器件的信噪比才能比较大。有效接受声压的面积越大以及有效接受区域在声压下应变越大，压电复合单元产生的电荷越多，器件的接收灵敏度越高。

压电MEMS声学换能器的空腔尺寸，或者是振膜结构的尺寸大小以及振膜结构的厚度与器件的共振频率息息相关，其中空腔尺寸越小越可以获得更高的谐振频率。当作为压电MEMS麦克风使用时，器件的谐振频率与接收灵敏度之间的关系是振膜结构刚度越大，器件谐振频率越高，一般情况下声压作用在振膜结构上产生的应变越少，压电MEMS声学换能器在声压作用下产生的电信号低，器件接受灵敏度小。

本申请实施例提出的MEMS压电声学换能器，可应用于产生和/或监测在人可听音频20Hz-20kHz范围内和/或在大于20kHz的超音波范围内的声波。可以用于声学器件如MEMS扬声器、MEMS麦克风以及MEMS超声换能器等。

下面阐述一下本申请实施例提供的MEMS压电声学换能器与现有的换能器的性能比较结果：

本申请实施例提供的MEMS压电声学换能器，为正方对称结构，采用四分之一结构模型进行有限元仿真，器件单元尺寸：1mm*1mm，硅基底单压电层结构，柔性材料为干膜材料—Flexfiner SA，通过仿真比较有无加强筋结构，以及不同加强筋结构下的谐振频率，以及在1Pa声压作用下器件输出的电压，接收灵敏度等。

当MEMS压电声学换能器用于MEMS压电传感器时，如图4中所示的MEMS压电声学传感器四分之一仿真结构模型，(1)表示无加强筋结构的器件结构，(2)表示加强筋结构分布于振膜结构的上表面的器件结构，(3)与(4)均表示加强筋结构分布于振膜结构的下表面的器件结构。通过有限软件仿真，可得到四种结构声压作用下的电压灵敏度。表1示出了MEMS压电声学换能器的仿真结果比较情况。

表1

器件结构	谐振频率[Hz]	输出电压[mV/Pa]	接收灵敏度[dBV/Pa]
				无加强筋	22327	6.14	-44.23
加强筋1	25971	6.53	-43.71
				加强筋2	26988	6.47	-43.78
加强筋3	29846	7.18	-42.87

通过表1仿真结果可知，不同加强筋结构的器件谐振频率均大于无加强筋结构的器件，并且合理的加强筋结构在声压作用下其接收灵敏度也得到了提升。本申请实施例提供的MEMS压电声学换能器，其基本思想是采用柔性干膜材料以及工艺设计加强筋结构，提高器件的谐振频率，从而增加器件的频宽。MEMS压电声学换能器用作MEMS压电传感器时，合理的加强筋结构不仅增加了器件的谐振频率，同时在声压作用下其接收灵敏度也得到了提升；MEMS压电声学换能器用作MEMS压电发声器时，可以通过柔性材料构成刚柔性相结合的振膜，可以增加系统阻尼来降低其共振Q值，从而使得声压级曲线变得平缓，以及减少总谐波干扰。

基于上述器件实施例，本申请还提供一种MEMS压电声学换能器的制备方法，参见图5所示，方法包括以下步骤：

步骤S501，在基片正反面生长电介质层；比如，在硅基底正反面双面热氧生长BOX层，如图6所示，厚度为0.1um；基底不局限于实施例的举例，硅基底可以用SOI基底、玻璃、蓝宝石等。电介质层，如SiO2层厚度在0.01um-5um之间，可以为氮化硅、氧化铝等绝缘材料。

步骤S502，在电介质层上生长压电复合层；本实施例中以单压电层结构为例，参见图7所示，依次沉积底电极层、压电层以及顶电极层；压电层为单晶PZT薄膜，厚度为2um，顶底电极为Pt，厚度为0.1um。底电极及顶电极层的材料可选但不限于如下材料之一或其组合：铝、铜、金、铂、钼、铬、钛等单晶或多晶金属薄膜、镍酸镧(LNO)、SRO等金属导电膜，或者复合金属层，诸如：金/铬复合层。其中，优选的，Pt电极的厚度介于0.01um-5um之间。压电层的材料可选但不限于以下材料中的一种或其组合：ZnO、AlN、PZT、PVDF等多晶或者单晶压电薄膜，或者是掺杂压电薄膜，比如AlN掺抗；压电层的厚度介于0.1um-15um之间。

步骤S503，刻蚀压电复合层，以形成至少一个压电复合单元；

具体的，首先通过IBE干法刻蚀图形化顶电极，得到如图8所示的结构；然后再通过IBE干法刻蚀图形化压电层和底电极层，得到如图9所示的结构；干法IBE刻蚀压电层&底电极层，压电层&底电极层的刻蚀成一定角度，有利于钝化层的台阶覆盖，压电层和底电极层的刻蚀角度为：30°-60°，过刻量<10％；压电层侧壁粗糙度：越小越好，目标是钝化层沉积完成后，切片P压电层与钝化层之间无分层。

最后，再湿法刻蚀图形化压电层，如图10所示的结构。

步骤S504，在压电复合单元上沉积钝化层，并进行图形化刻蚀；钝化层材料为二氧化硅，厚度为0.5um，如图11所示。钝化层用于隔离顶底电极层的电气连接，起到绝缘于保护作用，图形化钝化层，引出底电极和顶电极层，及不同压电复合单元之间的电气连接以及连接焊盘PAD。

本实施例中，钝化层需要有很好的台阶覆盖性，能够紧密的贴合在各膜层上。材料可选但不限于如下材料之一或其组合：二氧化硅、氮化铝、PI、氧化铝以及其它氧化物绝缘材料，或者费导电的有机化合物等。

步骤S505，在压电复合单元的底电极层上进行金属导线沉积和图形化刻蚀，得到第一结构，如图12所示；

金属导线沉积和图形化，采用liftoff工艺，材料为AU，厚度为1.5um；本实施例中，金属导线沉积和图形化，将顶底电极层引出至焊接盘PAD，以及连接各区域的复合压电单元。材料可选但不限于如下材料之一或其组合：金、铜、铝、以及其它金属材料，或者导电的合金材料等。

步骤S506，在第一结构上覆盖加固膜层，并进行图形化刻蚀，如图13所示；

本实施例中，采用柔性干膜材料—Flexfiner SA作为加固膜层，厚度为15um。柔性材料可选但不限于如下材料中的一种：聚酰亚胺、聚对二甲苯、FLEXFINER、PVI-3或其他有机膜；柔性材料膜层的厚度介于5um-30um之间。柔性干膜材料不仅可以覆盖填充刻槽缝隙，同时可以当作绝缘层材料覆盖金属连线，起到电气绝缘，防水等作用。柔性干膜材料选择不仅仅需要与MEMS工艺兼容，可图形化等，长期工作运行，抗老化，并要具有良好的机械性能和温度稳定性。柔性干膜材料需要一定的拉伸率，材料和衬底之间的(CTE)差异，最小化了晶片弯曲。

步骤S507，对基片进行减薄，并刻蚀背腔，得到MEMS压电声学换能器，如图2所示的换能器剖面示意图。

本实施例中，通过CMP将晶圆基片减薄至300um，不仅有利于器件厚度的薄型化，而且是可以减少后面背腔DRIE的刻蚀时间。采用键合胶将晶圆与载板基底进行临时键合将晶圆减薄，然后再去胶解键合。采用双面曝光技术DRIE刻蚀背腔硅基底硅以及刻蚀SiO2层，从而释放得到压电MEMS发声器振膜。器件DRIE刻蚀背腔刻蚀精度对器件性能影响很大，尤其是宽度尺寸变化。因此对对位标记的准确性，以及器件刻蚀是否精确、刻蚀是否完全、是否有过刻蚀都需要严格把控工艺。要求背腔刻蚀角度：90°±1.5°，无残留无过刻蚀。

基于上述器件实施例，本申请还提供一种MEMS压电声学换能器的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)在第一基片上沉积压电复合层、钝化层、加固层；比如，在一基底硅片A上沉积压电复合层、钝化层以及压膜干膜材料。

(2)对加固层进行图形化刻蚀，得到多个位置处的加固结构；通过刻蚀工艺图形化压干膜材料，得到如图3中10所示的多个干膜材料制作的加固结构。

(3)以加固结构为贴合面，键合至第二基片上；如采用键合胶将基底硅片A转移至另外的硅片B上。

(4)对压电复合层进行图形化刻蚀，得到多个压电复合单元；如对电极层、压电层进行图形化以形成不同区域的压电复合单元；

(5)沉积覆盖多个压电复合单元的钝化层，并进行图形化，以留出压电复合单元的电极连接区；在电极连接区进行金属导线沉积和图形化；

该步骤中，通过沉积钝化层，对各区域的压电复合单元进行电气隔离和保护，并留出压电复合单元的电极连接区，以便金属连线进行电气连接。金属导线沉积和图形化，将顶底电极层引出至焊接盘PAD，以及连接各区域的复合压电单元顶底电极层的串或并电气连接。

(6)对第二基片进行减薄处理，并刻蚀背腔，得到MEMS压电声学换能器。如对硅片B减薄,器件背面进行DRIE刻蚀，形成发声器的空腔结构，工艺停止于SiO2层，形成振膜结构。最终形成如图3所示的MEMS压电声学换能器。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种MEMS压电声学换能器，其特征在于，所述MEMS压电声学换能器包括：内部呈空腔结构的衬底、以及设置于所述衬底上的振膜结构；所述振膜结构包括：压电复合层结构和加强筋结构；所述压电复合层结构设置于所述衬底上，所述加强筋结构设置于所述压电复合层结构上；或者，所述加强筋结构设置于所述衬底上，所述压电复合层结构设置于所述加强筋结构上；所述加强筋结构用于加固所述压电复合层结构。

2.根据权利要求1所述的MEMS压电声学换能器，其特征在于，所述压电复合层结构包括上下均覆盖有绝缘层的至少一个压电复合单元，两侧的压电复合单元的顶/底电极层上设置有金属连线结构。

3.根据权利要求2所述的MEMS压电声学换能器，其特征在于，所述加强筋结构包括设置于所述压电复合层结构上或下的预设位置处的多个加固结构。

4.根据权利要求3所述的MEMS压电声学换能器，其特征在于，所述加强筋结构设置于所述压电复合层结构上时，所述预设设置包括：所述压电复合单元间隔内、所述压电复合单元上的部分区域、和所述金属连线结构外侧的器件边缘区域；所述压电复合层结构设置于所述加强筋结构下时，所述预设设置包括：所述压电复合单元间隔对应的正下方、所述压电复合单元上的部分区域对应的正下方、及与所述衬底贴合的区域。

5.根据权利要求3所述的MEMS压电声学换能器，其特征在于，所述加固结构包括以下之一：柔性干膜、硅膜、二氧化硅膜。

6.根据权利要求5所述的MEMS压电声学换能器，其特征在于，所述柔性干膜包括以下之一的有机化合物：PVI-3、FleFiner 15SA、聚酰亚胺PI、聚对苯二甲酸乙二酯PET。

7.根据权利要求1所述的MEMS压电声学换能器，其特征在于，所述振膜结构的中性层设计在振膜中心；所述中性层为：振膜外侧受到的拉应力与振膜内测受到的压应力相等的膜层区域。

8.根据权利要求4所述的MEMS压电声学换能器，其特征在于，当所述MEMS压电声学换能器用作MEMS压电扬声器时，所述间隔宽度小于5um；设置于所述间隔内的加固结构在厚度方向上贯穿所述振膜结构。

9.根据权利要求1所述的MEMS压电声学换能器，其特征在于，所述MEMS压电声学换能器为圆形、正方形或者六边形；所述MEMS压电声学换能器包括多个三角形悬臂梁结构时，通过所述加强筋结构连接所述悬臂梁结构构成一个整体运动的振膜。

10.根据权利要求2所述的MEMS压电声学换能器，其特征在于，所述压电复合单元包括：至少一个压电层及多个电极层；所述电极层的数量为所述压电层的数量加一；所述压电层与所述电极层交替上下排列。

11.一种MEMS压电声学换能器的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

在基片正反面生长电介质层；

在所述电介质层上生长压电复合层；

刻蚀所述压电复合层，以形成至少一个压电复合单元；

在所述压电复合单元上沉积钝化层，并进行图形化刻蚀；

在所述压电复合单元的底电极层上进行金属导线沉积和图形化刻蚀，得到第一结构；

在所述第一结构上覆盖加固膜层，并进行图形化刻蚀；

对所述基片进行减薄，并刻蚀背腔，得到所述MEMS压电声学换能器。

12.一种MEMS压电声学换能器的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

在第一基片上沉积压电复合层、钝化层、加固层；

对所述加固层进行图形化刻蚀，得到多个位置处的加固结构；

以所述加固结构为贴合面，键合至第二基片上；

对所述压电复合层进行图形化刻蚀，得到多个压电复合单元；

沉积覆盖多个所述压电复合单元的钝化层，并进行图形化，以留出所述压电复合单元的电极连接区；在所述电极连接区进行金属导线沉积和图形化；

对所述第二基片进行减薄处理，并刻蚀背腔，得到所述MEMS压电声学换能器。