CN117499848A - Mems压电扬声器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种MEMS压电扬声器及其制备方法，扬声器包括：衬底、设置于衬底上的振膜结构，设置于振膜结构上或者设置于振膜结构下的执行器单元，执行器单元，包括一个或多个压电复合层单元；衬底内部呈空腔结构；振膜结构为由第一刚性薄膜、柔性薄膜以及第二刚性薄膜层叠构成的复合层结构；本申请在设计上采用刚‑柔‑刚三明治形式的刚柔性相结合的振膜结构，不可以降低各膜层材料由于热膨胀系数不一致造成的残余应力过大而引起的振膜偏移过大、膜层破裂等问题，从而可以大大提高了器件的良率和器件的可靠性。执行单元在电压信号驱动作用下，不仅提高了振膜的振动幅度和发射声压级SPL，同时还减少非线性失真，降低了扬声器的总谐波失真。
Description
技术领域
本申请涉及MEMS器件技术领域，尤其是涉及一种MEMS压电扬声器及其制备方法。
背景技术
现有的MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微电子机械系统)压电扬声器中，通常采用可流动和可固化的聚合物予以填注以形成覆膜与刚性振膜结合的结构设计，可以降低器件的刚度，提高振膜激励下振动幅度和发射声压级。但是由于聚合物柔性材料和刚性材料之间热膨胀系数存在很大的差异，由于MEMS加工工艺过程中承受着温度的不同，从而导致加工后的MEMS器件各膜层内部存在很大的残余应力，可能为拉应力后者压应力。当各膜层受到的内应力过大时，不仅引起振膜向上或向下的翘曲，发生很大偏移，还会引起器件振膜刚度发生改变，改变器件的谐振频率，甚至导致膜层破裂。
发明内容
本申请的目的在于提供一种MEMS压电扬声器及其制备方法，在设计上采用刚-柔-刚三明治形式的刚柔性相结合的振膜结构，在驱动作用下，使得器件振膜在提高振动幅度和发射声压级SPL的同时，不仅可以降低总谐波失真，还可以降低MEMS各膜层材料由于热膨胀系数不一致造成的残余应力过大而引起的振膜偏移过大、膜层破裂等问题，大大提高了MEMS晶圆的良率和器件的可靠性。
第一方面，本申请提供一种MEMS压电扬声器，MEMS压电扬声器包括：衬底、设置于衬底上的振膜结构，设置于振膜结构上或者设置于振膜结构下的执行器单元,执行器单元，包括至少一个压电复合单元；衬底内部呈空腔结构；振膜结构为由第一刚性薄膜、柔性薄膜以及第二刚性薄膜层叠构成的复合层结构。
进一步地，上述刚性薄膜包括以下之一：二氧化硅薄膜、氮化硅薄膜、氧化铝薄膜、碳化硅薄膜、铝金属薄膜；刚性薄膜的厚度在0.5um至15um之间。
进一步地，上述柔性薄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；柔性薄膜的厚度在5um至50um之间。
进一步地，上述振膜结构与衬底的上表面平行，振膜结构的两侧固定于衬底上。
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。
进一步地，上述压电层的材料包括以下之一：单晶AlN、掺杂AlN、单晶PZT、掺杂PZT、ZnO、聚四氟乙烯PVDF、钛酸钡、钛酸铅、KNN压电薄膜，压电层的厚度在0.5至5um之间。
进一步地，上述电极层的材料包括以下之一：Mo、Au、Ag、Pt、Al、Cu，或者合金材料，电极层的厚度在0.05至2um之间。
进一步地，上述执行器单元包括多个间隔设置的压电复合单元，以降低膜层的残余热应力。
进一步地，上述MEMS压电扬声器为左右对称结构，左右对称结构呈方形、圆形、矩形或六边形。
进一步地，上述在形成压电复合单元后的整个结构上，还设置有钝化层。
进一步地，上述在一侧的压电复合单元中，最下面的电极层的长度大于上面压电层的长度；在超出上面压电层的部分区域上设置金属连线结构；在另一侧的压电复合单元中，最上面电极层上设置金属连线结构。
第二方面，本申请还提供一种MEMS压电扬声器的制备方法，MEMS压电扬声器中执行器单元设置于振膜结构上；方法包括：
在第一基片上生成第一刚性薄膜；
在第一刚性薄膜上压制一层柔性薄膜，得到第一结构；
在第二基片正反面生长电介质层；
在一侧的电介质层上制备压电复合层；
在压电复合层最上面的电极层上生成第二刚性薄膜，得到第二结构；
将第一结构与第二结构进行键合，以使第二刚性薄膜和柔性薄膜贴合，并去除第二结构中的第二基片和正反面上的电介质层，以露出压电复合层；
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；
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，得到第三结构；
对第三结构中的第一基片进行减薄，并刻蚀背腔，以露出发声器振膜，得到MEMS压电扬声器。
第三方面，本申请还提供一种MEMS压电扬声器的制备方法，MEMS压电扬声器中执行器单元设置于振膜结构内；方法包括：
在第一基片上第一刚性薄膜；
在第一刚性薄膜上制备压电复合层；
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，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，得到第一结构；
在第二基片上沉积第二刚性薄膜以及柔性薄膜，得到第二结构；
采用键合胶将第二结构转移至第一结构上，以使柔性薄膜与第一结构中的金属导线侧贴合；
通过MEMS工艺图形化第二刚性薄膜以及柔性薄膜；
对第一基片进行减薄处理，并刻蚀背腔，以露出发声器振膜，得到MEMS压电扬声器。
本申请提供的MEMS压电扬声器及其制备方法中，MEMS压电扬声器包括：衬底、设置于衬底上的振膜结构，设置于振膜结构上或者设置于振膜结构下的执行器单元；执行器单元，包括一个或多个压电复合层单元；衬底内部呈空腔结构；振膜结构为由第一刚性薄膜、柔性薄膜以及第二刚性薄膜层叠构成的复合层结构；执行器单元设置于振膜结构内时，执行器单元设置于第一刚性薄膜和柔性薄膜之间。本申请在设计上采用刚-柔-刚三明治形式的刚柔性相结合的振膜结构，在驱动作用下，使得器件振膜在提高振动幅度和发射声压级SPL的同时，不仅可以降低总谐波失真，还可以降低MEMS各膜层材料由于热膨胀系数不一致造成的残余应力过大而引起的振膜偏移过大、膜层破裂等问题，大大提高了MEMS晶圆的良率和器件的可靠性。
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压电扬声器的剖面示意图；
图2为本申请实施例提供的另一种MEMS压电扬声器的剖面示意图；
图3为本申请实施例提供的一种MEMS压电扬声器的制备方法的流程图；
图4为本申请实施例提供的一种第一结构的剖面示意图；
图5为本申请实施例提供的一种第二结构的剖面示意图；
图6为本申请实施例提供的一种键合后结构的剖面示意图；
图7为本申请实施例提供的一种形成压电复合单元后的结构剖面示意图；
图8为本申请实施例提供的一种形成钝化层后的结构剖面示意图；
图9为本申请实施例提供的一种形成金属连线结构后的剖面示意图；
图10为本申请实施例提供的一种器件不同结构A与D中PZT薄膜热应力分布示意图。
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。
在增强音频体验方面微型扬声器发挥着重要作用，尤其是在消费电子声学产品应用中。平衡电枢(BA)和动态驱动器(DD)是目前声学器件中应用广泛的两个种类型的扬声器。DD由于其成熟的制备工艺而具有低成本的特点。洛伦兹力驱动实现了音频频带(20～20kHz)的宽带和稳定响应。然而，音圈的焦耳热问题导致功耗低，其庞大的膜尺寸也限制了其小型化的潜力，并且在音质方面高频响应相对较差。平衡电枢也是由洛伦兹力驱动，相对较小的尺寸和较高的刚度，具有更好的高音(高频)带性能。然而，它的缺点是带宽窄，需要多个器件组合才能覆盖整个音频频带，设计形状单一和需要手工组装。
相较传统微型扬声器,压电式MEMS扬声器没有线圈的扬声器的弹簧和悬架，压电MEMS微型扬声器由于其卓越的输出效率和体积小，目前是BA的一种合适的替代品。器件的批量制备可以通过可靠的半导体MEMS加工技术制备出来,它能够实现低功耗，厚度很薄、能效出色、机械响应快速，同时具有耐回流焊、可与其他电子器件集成、成本低等优点。因此，压电式MEMS扬声在实现轻薄化微型高性能方面有更大优势。
为了使MEMS扬声器如MEMS麦克风一样得到更广泛的应用，业界致力于设小尺寸、高性能的MEMS扬声器。但由于基于硅衬底和压电薄膜材料构成的器件在小尺寸与高性能两方面往往难以兼顾，比如在微型扬声器的应用中，MEMS器件尺寸小则有效驱动振膜面积小，难以输出较大的声压级SPL。因此，在小尺寸、低驱动下，如何在全频范围(20Hz～20KHz)内甚至超过20KHz获高的平坦的SPL频率响应以及较低的THD，满足有限耳机、TWS、助听器等领域应用是当前MEMS微扬声器的关键设计问题。
现有的一种MEMS压电扬声器包括：用于起到支撑作用的底板；设置在该底板上的压电单元，该压电单元形成有沿其轴线方向贯穿的第一空腔；设置在压电单元背向底板一侧的由金属薄膜制成的振膜，该振膜覆盖第一空腔。这种结构由于膜层材料热膨胀系数差异很大，并且MEMS加工工艺过程中温度较高会导各层结构的残余应力很大，膜层破裂，器件可靠性差；而且工艺实现困难。
基于此，本申请实施例提供一种MEMS压电扬声器，在设计上采用刚-柔-刚三明治形式的刚柔性相结合的振膜结构，在驱动作用下，使得器件振膜在提高振动幅度和发射声压级SPL的同时，不仅可以降低总谐波失真，还可以降低MEMS各膜层材料由于热膨胀系数不一致造成的残余应力过大而引起的振膜偏移过大、膜层破裂等问题，大大提高了MEMS晶圆的良率和器件的可靠性。
本申请实施例提供的一种MEMS压电扬声器，MEMS压电扬声器包括：衬底、设置于衬底上的振膜结构，设置于振膜结构上或者设置于振膜结构下的执行器单元，执行单元，包括一个或多个压电复合层单元；衬底内部呈空腔结构；振膜结构为由第一刚性薄膜、柔性薄膜以及第二刚性薄膜层叠构成的复合层结构。
在一种实施方式中，MEMS压电扬声器包括：从下到上依次设置的衬底、振膜结构、执行器单元；衬底内部呈空腔结构；振膜结构为由第一刚性薄膜、柔性薄膜以及第二刚性薄膜层叠构成的复合层结构。这种为执行器单元设置于振膜结构上的情况。
在另一种实施方式中，MEMS压电扬声器包括：从下到上依次设置的衬底、执行器单元、振膜结构中的第一刚性薄膜、振膜结构中的柔性薄膜以及第二刚性薄膜。这种为执行器单元设置于振膜结构下的情况。
上述衬底用于起支撑作用，可以通过DRIE工艺除去衬底中间部分而形成空腔结构。衬底为左右对称结构，左右对称结构呈方形、圆形、矩形或六边形。上述振膜结构与衬底的上表面平行，振膜结构的两侧固定于衬底上。上述衬底材料可以为硅、绝缘层上硅(SOI)、玻璃、蓝宝石、石英等。
进一步地，上述第一刚性薄膜和第二刚性薄膜均包括以下之一：二氧化硅薄膜、氮化硅薄膜、氧化铝薄膜、碳化硅薄膜；刚性薄膜的厚度为0.5um至15um之间。
上述柔性薄膜需要具备良好的机械性能、绝缘性能、防尘防水性能、耐热性能，可承受高温回流焊SMT；本申请实施例中，柔性材料要求是密度尽量低，保证器件较高的灵敏度，弹性模量尽量高，保证有较宽的频响范围，并且具备适当的内阻尼，减小扬声器的分割振动。柔性材料要求要与MEMS工艺相兼容，可以选择密度低，杨氏模量大的有机化合物，如：PVI-3、FleFiner 15 SA、聚酰亚胺PI、聚对苯二甲酸乙二酯PET等；柔性薄膜的厚度在5um至50um之间。
采用柔性材料构成的扬声器结构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THD。
进一步地，上述执行器单元包括至少一个压电复合单元；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。
即压电复合单元可以包括：单压电层结构：电极层/压电层/电极层三明治层叠结构体，或者双压电层结构：电极层/压电层/电极层/压电层/电极层，或者以及多压电层结构：电极层/压电层/电极层……/压电层/电极层。
进一步地，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，压电层的厚度为0.5至5um之间。上述电极层的材料包括以下之一：Mo、Au、Ag、Pt、Al、Cu，或者合金材料，电极层的厚度在0.05至2um之间。
进一步地，上述执行器单元包括多个间隔设置的压电复合单元，以降低膜层的残余热应力。具体的，可以通过MEMS工艺形成具有间隙结构的多个压电复合单元。间隙结构可以为弹簧结构，使得振膜在驱动下，振动一致。
通过设计不同尺寸的空腔结构，可以改变器件的谐振频率；衬底空腔尺寸不同，会导致压电扬声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，膜层厚度一定时，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刚度有关，还与器件振膜的质量相关。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，振膜厚度范围一般在5um-50um之间。器件以及器件空腔尺寸确定后，通过改变薄膜厚度调整谐振频率，此时薄膜越薄，器件振膜谐振频率低，刚度低，则在相同的压电驱动下，振膜发生偏转的位移越大，推出空气量越大进而导致输出声压级越高。
执行器单元收到驱动电压信号时，压电薄膜发生形变从而产生声音。驱动一般时直流加交流电压组合的电信号，一般情况交流电压大小不超过30V，直流电压一般不超过15V。本申请实施例中，MEMS压电扬声器工作在机械谐振点可以通过膜层厚度以及空腔的尺寸设计在音频范围以内，或者超出其范围20KHz以外，甚至在超声频段。
参见图1所示的一种MEMS压电扬声器的结构示意图，MEMS压电扬声器包括：衬底02，衬底的内部通过DRIE工艺除去硅形成的空腔结构03，衬底左右呈对称结构，其结构可以方形、圆形、矩形、六边形等其他形状的结构；设置在所述衬底之上的第一刚性薄膜04、有机柔性薄膜10以及第二刚性薄膜05构成刚-柔-刚三明治复合结构，其两侧固定在衬底上。刚性材料可以选择密度低，杨氏模量大的二氧化硅，氮化硅，氧化铝，碳化硅。这样可以降低振膜质量，在驱动力一定的情况下，增大振膜的振动加速度，从而提高器件的中高频性能。柔性膜材料10通过压膜工艺进行贴膜，柔性材料要求要与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。执行器单元，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：底电极层06、压电层07、上电极层08，对器件进行结构解耦，同时释放各膜层的工艺内应力，从而可以获得更大的驱动位移和声压级输出。09为压电复合层的顶电极层的钝化层，其作用主要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，同时起到电气绝缘、隔离保护作用；在外侧的压电复合单元中，如图1中左侧的压电复合单元中，最下面的电极层的长度大于上面层(压电层和另一电极层)的长度；在超出上面层的部分区域上设置金属连线结构11；在另一侧的压电复合单元中，在最上面的电极层上设置金属连线结构12；金属连线结构包括金属连线以及PAD焊接区域，金属焊盘为信号输入段的连接点，通过PAD与外部音频信号进行连接。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。
参见图2所示的另一种MEMS压电扬声器的结构示意图，MEMS压电扬声器从下到上包括：衬底02、衬底中的空腔结构03、绝缘层04、压电复合单元中的底电极层06、压电层07、顶电极层08、钝化层09(钝化层材料是刚性材料，它即可以起到钝化绝缘保护作用，也可以充当三明治结构中的刚性层薄膜，所以这里的钝化层09可看作第一刚性薄膜)、金属连线结构11与12、柔性薄膜10、第二刚性薄膜05。如图2所示，在一侧的压电复合单元中，最下面的电极层的长度大于上面层的长度；在超出上面层的部分区域上设置有金属连线结构11，在另一侧的压电复合单元中，在顶电极层上设置有金属连线结构12。
本申请实施例提供的MEMS压电扬声器，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，压电致动器发生形变带动振膜从而发出声音。MEMS压电扬声器在设计上采用刚-柔-刚三明治复合层结构，能够简化器件的结构，并且可降低器件在MEMS加工工艺残余应力过大的引起的膜层破裂、振膜偏移过大等问题，大大提高了MEMS晶圆的良率和器件的可靠性。
基于上述器件实施例，本申请实施例还提供一种MEMS压电扬声器的制备方法，参见图3所示，该方法包括以下步骤：
步骤S601，在第一基片上生成第一刚性薄膜；
步骤S602，在第一刚性薄膜上压制一层柔性薄膜，得到第一结构；如图4所示。
上述第一基片也就是晶圆衬底，比如，硅基底、SOI基底、玻璃、蓝宝石等晶圆衬底；在第一基片上沉积第一刚性薄膜，可以为二氧化硅、氮化硅、氧化铝、碳化硅等绝缘材料,厚度在0.1-5um之间，根据材料热膨胀系数以及刚度性能其膜层厚度设置不一致，本设计中采用二氧化硅SiO2,厚度为1um。
具体实施时，可以通过压膜机在第一刚性薄膜上压制一层柔性薄膜材料。柔性材料要求要与MEMS工艺相兼容，可以选择密度低，杨氏模量大的有机化合物，如PVI-3、FleFiner 15SA、PI、PET等，材料厚度为5um至50um。采用FleFiner 15SA干膜材料，厚度为10um。
步骤S603，在第二基片正反面生长电介质层；
步骤S604，在一侧的电介质层上制备压电复合层；
步骤S605，在压电复合层最上面的电极层上生成第二刚性薄膜，得到第二结构；如图5所示。
上述第二基片同样可以是硅基底、SOI基底、玻璃、蓝宝石等，以硅基底为例来说，首先在硅基底正反面双面热氧生长电介质层，厚度为0.1um；电介质层通常为SiO2层，厚度在0.1-5um之间，也可以为氮化硅、氧化铝等绝缘材料。
图5中所示的压电复合层为单压电层结构，包括电极层、压电层以及电极层三层结构。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,厚度介于0.01um-5um之间。其中，本设计优选Pt薄膜作为顶底电极层，顶电极层厚度为0.1um，底电极层为0.15um。
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,本设计采用PZT单晶压电薄膜，其厚度为2um。
第二刚性薄膜可以为SiO2层，厚度在1um之内，可以为氮化硅、氧化铝等绝缘材料,厚度在0.1um-5um之间，根据材料热膨胀系数以及刚度性能其膜层厚度设置不一致，从而调整各层薄膜的残余内应力，防止振膜由于残余内应力过大发生强烈的偏移，甚至破裂。
步骤S606，将第一结构与第二结构进行键合，以使第二刚性薄膜和柔性薄膜贴合，并去除第二结构中的第二基片和正反面上的电介质层，以露出压电复合层，整体结构如图6所示。
步骤S607，刻蚀压电复合层，以形成至少一个压电复合单元。如图7所示，示出了三个压电复合单元。
具体实施时，通过IBE干法刻蚀图形化顶电极层、压电层和底电极层，干法IBE刻蚀压电层&顶电极层，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&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，PZT压电层与钝化层之间无分层。
步骤S608，在压电复合单元上沉积钝化层，并进行图形化；
这一步为钝化层的沉积和图形化，钝化层材料可以为二氧化硅，厚度为0.5um。如图8所示。钝化层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，与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等。
步骤S609，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，得到第三结构；
该步骤为金属导线沉积和图形化，金属导线区域如图9所示。采用liftoff工艺，材料为AU，厚度为0.75um。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，以及连接各区域的压电复合单元。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S610，对第三结构中的第一基片进行减薄，并刻蚀背腔，以露出发声器振膜，得到MEMS压电扬声器，如图1所示。
具体实施时，可以首先对第一基片减薄，DRIE刻蚀背腔，对于SOI的基片，还需要刻蚀停留在BOX层。
本实施例中，将第一基片减薄，通过CMP研磨至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。采用键合胶将第一基片与载板基底进行临时键合将第一基片减薄，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。
本申请实施例还提供了另一种MEMS压电扬声器(如图2所示)的制备过程，具体如下：
(1)在第一基片上生长绝缘层；
(2)在绝缘层上制备压电复合层；
(3)刻蚀压电复合层，以形成至少一个压电复合单元；通过刻蚀工艺图形化压电复合层，以形成不同区域的压电复合单元。
(4)在压电复合单元上沉积钝化层，作为第一刚性薄膜，并进行图形化，以留出压电复合单元的电极连接区；
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，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。
(5)在电极连接区进行金属导线沉积和图形化，得到第一结构；
(6)在第二基片上沉积第二刚性薄膜以及柔性薄膜，得到第二结构；
(7)采用键合胶将第二结构转移至第一结构上，以使柔性薄膜与第一结构中的第一刚性薄膜侧贴合；
(8)通过MEMS工艺图形化第二刚性薄膜以及柔性薄膜；
(9)对第一基片进行减薄处理，并刻蚀背腔，以露出发声器振膜，得到MEMS压电扬声器。
本申请实施例提供的MEMS压电扬声器，为六边形对称结构，采用四分之一结构模型进行有限元仿真，器件对角线尺寸为：8mm，器件A/B/C/D膜层结构为：衬底/刚性层/柔性层/刚性层/电极层/压电层/电极层/钝化层，其中衬底为硅，刚性层材料为SiO2,CTE:0.5E-06(1/K)，器件A/B/C/D中SiO2薄膜厚度分别为0um/1um/3um/5um。柔性材料为干膜材料—Flexfiner SA，厚度为15um，CTE:3.25E-05(1/K)，压电PZT薄膜单层，厚度为1.5um，CTE:4E-06(1/K)。通过仿真比较刚-柔-刚性薄膜相结合的三明治结构，与刚-柔性相结合的结构器件在工艺过程温度由200℃到25℃变化造成的压电薄膜层受到的应力以及器件的受热发生的形变，以及相应结构器件的谐振频率和在压电电信号驱动下的振膜偏移。表1示出了不同结构器件的仿真结构对比结果。
表1
通过仿真比较可知，比较这四器件结构A、B、C、D,器件的谐振频率依次变大，这是因为刚性层SiO2的厚度变大，器件的刚度变大了，从而导致器件的谐振频率变大。在相同的驱动电压信号下，器件振膜的最大位移依次减少，这是因为刚性层SiO2层厚度增大，器件的刚度变大，从而导致器件的位移减少。在工艺过程温度由200℃到25℃变化造成的器件A、D各膜层内部存在很大的残余应力受到的热应力见图10中所示，图10中(a)示出了器件结构A中PZT薄膜热应力分布，(b)示出了器件结构D中PZT薄膜热应力分布。其中器件A中PZT压电薄膜中最大应力为415Mpa，PZT薄膜内应力很大，容易导致PZT薄膜发生破裂，而器件D中PZT压电薄膜中最大应力为190MPa，相对于器件A，薄膜受到应力降低很多，其可靠性大大提高了。从表1中“－”表示偏转方向向下，由于热效应，器件A振膜发生强烈的偏移，引起振膜下凹。有三明治结构的器件B、C、D由于刚性材料厚度不同引起振膜偏移量依次降低，其中器件D振膜凸起。
相较于现有技术中MEMS振膜采用刚性材料单一结构的方式，本申请实施例中的MEMS压电扬声器在设计上采用刚-柔-刚三明治刚柔性相结合的复合振膜结构，在保证在激励下器件振膜振动幅度和发射声压级SPL瞒住需求的同时，不仅可以降低总谐波失真THD，还可以降低器件在MEMS加工工艺过程由于柔性材料和刚性材料之间热膨胀系数的差异，导致加工后的MEMS器件各膜层内部残余应力过大而引起器件振膜翘曲、膜层破裂等问题，大大提高了MEMS晶圆的良率和器件的可靠性。
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 (13)
1.一种MEMS压电扬声器，其特征在于，所述MEMS压电扬声器包括：衬底、设置于所述衬底上的振膜结构，设置于所述振膜结构上或者设置于所述振膜结构下的执行器单元；所述执行器单元包括至少一个压电复合单元；所述衬底内部呈空腔结构；所述振膜结构为由第一刚性薄膜、柔性薄膜以及第二刚性薄膜层叠构成的复合层结构。
2.根据权利要求1所述的MEMS压电扬声器，其特征在于，所述刚性薄膜包括以下之一：二氧化硅薄膜、氮化硅薄膜、氧化铝薄膜、碳化硅薄膜、铝金属薄膜；所述刚性薄膜的厚度在0.5um至15um之间。
3.根据权利要求1所述的MEMS压电扬声器，其特征在于，所述柔性薄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；所述柔性薄膜的厚度在5um至50um之间。
4.根据权利要求1所述的MEMS压电扬声器，其特征在于，所述振膜结构与所述衬底的上表面平行，所述振膜结构的两侧固定于所述衬底上。
5.根据权利要求1所述的MEMS压电扬声器，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。
6.根据权利要求5所述的MEMS压电扬声器，其特征在于，所述压电层的材料包括以下之一：单晶AlN、掺杂AlN、单晶PZT、掺杂PZT、ZnO、聚四氟乙烯PVDF、钛酸钡、钛酸铅、KNN压电薄膜，所述压电层的厚度在0.5至5um之间。
7.根据权利要求5所述的MEMS压电扬声器，其特征在于，所述电极层的材料包括以下之一：Mo、Au、Ag、Pt、Al、Cu，或者合金材料，所述电极层的厚度在0.05至2um之间。
8.根据权利要求1所述的MEMS压电扬声器，其特征在于，所述执行器单元包括多个间隔设置的压电复合单元，以降低膜层的残余热应力。
9.根据权利要求1所述的MEMS压电扬声器，其特征在于，所述MEMS压电扬声器为左右对称结构，所述左右对称结构呈方形、圆形、矩形或六边形。
10.根据权利要求5所述的MEMS压电扬声器，其特征在于，在形成压电复合单元后的整个结构上，还设置有钝化层。
11.根据权利要求5所述的MEMS压电扬声器，其特征在于，在外侧的压电复合单元中，最下面的电极层的长度大于上面压电层的长度；在超出上面压电层的部分区域上设置金属连线结构；在另一侧的压电复合单元中，最上面电极层上设置金属连线结构。
12.一种MEMS压电扬声器的制备方法，其特征在于，所述MEMS压电扬声器中执行器单元设置于振膜结构上；所述方法包括：
在第一基片上生成第一刚性薄膜；
在所述第一刚性薄膜上压制一层柔性薄膜，得到第一结构；
在第二基片正反面生长电介质层；
在一侧的所述电介质层上制备压电复合层；
在所述压电复合层最上面的电极层上生成第二刚性薄膜，得到第二结构；
将所述第一结构与所述第二结构进行键合，以使所述第二刚性薄膜和所述柔性薄膜贴合，并去除所述第二结构中的第二基片和正反面上的电介质层，以露出所述压电复合层；
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；
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，得到第三结构；
对所述第三结构中的第一基片进行减薄，并刻蚀背腔，以露出发声器振膜，得到所述MEMS压电扬声器。
13.一种MEMS压电扬声器的制备方法，其特征在于，所述MEMS压电扬声器中执行器单元设置于振膜结构内；所述方法包括：
在第一基片上生长绝缘层；
在所述绝缘层上制备压电复合层；
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，作为第一刚性薄膜，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，得到第一结构；
在第二基片上沉积第二刚性薄膜以及柔性薄膜，得到第二结构；
采用键合胶将所述第二结构转移至所述第一结构上，以使所述柔性薄膜与所述第一结构中的第一刚性薄膜侧贴合；
通过MEMS工艺图形化所述第二刚性薄膜以及所述柔性薄膜；
对所述第一基片进行减薄处理，并刻蚀背腔，以露出发声器振膜，得到所述MEMS压电扬声器。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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