CN203027480U - 一种高灵敏度压电式硅麦克风 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种高灵敏度压电式硅麦克风,其压电式硅麦克风包括基底、弹性支撑层、压电薄膜部分和电极部分;所述基底中形成有穿孔,弹性支撑层覆盖于基底表面,压电薄膜部分位于弹性支撑层上,所属压电薄膜部分包括过渡层和压电功能层两部分,过渡层使得其上的压电功能层无裂缝,电极部分包括两电极、电极引线和电极端子,电极部分位于同一平面内,位于压电薄膜部分的上表面,两电极为双螺旋结构,所述两电极位于穿孔区域的正上方,电极端子和电极引线将电极上的信号引出,实现与放大电路的电连接。其优点是:本实用新型采用双螺旋电极设计,使得压电薄膜沿面内极化,利用压电薄膜的d33模式,提高了压电式硅麦克风的灵敏度。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种高灵敏度压电式硅麦克风,属于硅麦克风技术领域。
背景技术
麦克风能把人的语音信号转化为相应的电信号,广泛应用于手机,电脑,电话机,照相机及摄像机等。近三十年的MEMS(Microelectromechanical Systems)技术与工艺的发展,特别是基于硅芯片MEMS技术的发展,实现了许多传感器(如压力传感器,加速度计,陀螺仪等)的微型化和低成本。MEMS硅麦克风已开始产业化,在高端手机的应用上,逐渐取代传统的驻极体电容式麦克风。
MEMS麦克风主要分为电容式硅麦克风和压电式硅麦克风。电容式硅麦克风由一个振动薄膜和背极板组成,振动薄膜与背极板之间有一个几微米的间距,形成电容结构。高灵敏的振动薄膜感受到外部的音频声压信号后,改变振动薄膜与背极板间的距离,从而形成电容变化。麦克风后接CMOS放大器把电容变化转化成电压信号的变化,再放大后变成电输出。电容式硅麦克风制作工艺复杂,难度高,且需要专门的ASIC提供工作时的偏置电压。压电式硅麦克风由弹性支撑层、压电层和电极组成,制作工艺简单,当膜片感受到音频声压信号后,压电层的应变使电极产生电荷,后接CMOS放大器便可将将该电信号放大输出,不需要电容式硅麦克风的偏置电压。相对于电容式硅麦克风,压电式硅麦克风的加工工艺流程简单,没有较难控制的气隙,且所需的匹配放大电路简单,比电容式具有更好的实用价值,但其关键指标灵敏度还较低。
发明内容
本实用新型的目的是克服现有技术中存在的不足,提供一种压电式硅麦克风,以提高压电式微型硅麦克风的灵敏度。
按照本实用新型提供的技术方案,一种高灵敏度压电式硅麦克风,包括基底、弹性支撑层、第一电极、第二电极、压电薄膜部分,所述弹性支撑层覆盖在整个基底表面,压电薄膜部分覆盖在弹性支撑层上,压电薄膜部分自下而上包括过渡层和压电功能层;基底中刻蚀有孔,孔贯穿基底直通弹性支撑层,第一电极和第二电极成双螺旋结构,位于同一平面,制作于压电功能层的上表面且位于孔的正上方。
进一步的,所述弹性支撑层为热氧化氧化硅,厚度为0.5~1μm。所述过渡层的材质为ZrO2,压电功能层的材质为PZT。所述基底为硅基。
所述第一电极通过第一电极引线连接第一电极端子,所述第二电极通过第二电极引线连接第二电极端子,所述第一电极、第一电极引线、第一电极端子、第二电极、第二电极引线、第二电极端子均制作于压电功能层的上表面。
所述过渡层的材质为ZrO2,采用sol-gel法沉积,采用0.4mol/L的ZrO2溶液以3000rpm旋涂30s,后经450℃热解1分钟,在700℃快速退火1分钟,最后在700℃下退火3小时,所得过渡层的厚度为0.3μm。
所述压电功能层的材质为PZT,具有压电效应,有应变时在表面产生电荷,所述压电功能层采用sol-gel法沉积,采用0.75mol/L的PZT溶液以1500rpm旋涂30s,后经450℃热解1分钟,然后在700℃快速退火1分钟;重复以上sol-gel法沉积,最终所得压电功能层的厚度为1~2μm。
所述第一电极、第一电极引线、第一电极端子、第二电极、第二电极引线、第二电极端子材料为Cr/Au,所述第一电极、第一电极引线、第一电极端子、第二电极、第二电极引线、第二电极端子图案采用lift-off工艺生成,或先沉积一层金属电极材料层再用湿法刻蚀出所需图案。
本实用新型的优点:目前国内外研究的硅微压电式麦克风主要采用压电薄膜的d31模式,但压电材料的压电常数d33通常比d31大一倍左右,故本实用新型的压电式硅麦克风,采用双螺旋电极设计,使得压电薄膜沿面内极化,利用压电薄膜的d33模式,提高了压电式硅麦克风的灵敏度。
附图说明
图 1为本实用新型的正面三维结构示意图。
图 2为本实用新型的反面三维结构示意图。
图 3为本实用新型的俯视图。
图 4为图3的A-A向剖视图。
图 5~图10为本实用新型的具体工艺步骤实施图,其中:
图 5为提供的硅基作为基底;
图 6为在基底上生成弹性支撑层的的示意图;
图 7为在基底上生成压电薄膜部分的过渡层的示意图;
图 8为在基底上形成压电薄膜部分的压电功能层的示意图;
图 9为在基底上形成电极部分(包括电极、引线和端子)的示意图;
图 10为将基底刻蚀出穿孔释放出弹性支撑层的示意图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
本实用新型所述的压电式硅麦克风,包括基底、弹性支撑层、压电薄膜部分和电极部分。如图1~图4所示,本实用新型具体包括基底1、弹性支撑层2、第一电极4、第一电极引线5、第一电极端子6、第二电极7、第二电极引线8、第二电极端子9、压电薄膜部分10,其特征是:所述弹性支撑层2覆盖在整个基底1表面,压电薄膜部分10覆盖在弹性支撑层2上,压电薄膜部分10自下而上包括过渡层11和压电功能层12;基底1中刻蚀有孔3,孔3贯穿基底1直通弹性支撑层2,第一电极4和第二电极7成双螺旋结构,位于同一平面,制作于压电功能层12的上表面且位于孔3的正上方。
所述压电薄膜部分10包括过渡层11和压电功能层12两部分,过渡层11使得其上的压电功能层12无裂缝。电极部分包括一对电极、电极引线和电极端子,第一电极4通过第一电极引线5连接到第一电极端子6,所述第二电极7通过第二电极引线8连接到第二电极端子9,所述第一电极4、第一电极引线5、第一电极端子6、第二电极7、第二电极引线8、第二电极端子9均制作于压电功能层12的上表面,材料为Cr/Au。电极部分位于同一平面内,位于压电功能层12的上表面,第一电极4和第二电极7成双螺旋结构,位于孔3的正上方,第一电极引线5、第一电极端子6、第二电极引线8、第二电极端子9将第一电极4和第二电极7上的电信号引出到外接放大电路中。
本实用新型基底中形成有孔3,用于释放弹性支撑层2,使得感受到声压信号时,弹性支撑层2能在纵向产生大的应变,进而该应变会传递给压电薄膜部分10;本实用新型弹性支撑层2为氧化硅;本实用新型压电薄膜部分10包括过渡层11和压电功能层12,压电功能层12的材质为PZT,过渡层11的材质为ZrO2,过渡层11的作用为阻挡作用,同时也使沉积的压电功能层12无裂缝。
如图5~图10所示:上述结构的压电式硅麦克风,通过以下工艺步骤实现。
a、 提供硅基板做为基底1,如图5所示。
b、 在基底1上生成弹性支撑层2。
如图6所示,所述弹性支撑层2为热氧化氧化硅,厚度约为0.5~1μm。
c、在上述基底1上生成压电薄膜部分10的过渡层11。
如图7所示,所述过渡层11的材质为ZrO2,采用sol-gel法沉积,采用0.4mol/L 的ZrO2溶液以3000rpm旋涂30s,后经450℃热解1分钟,在700℃快速退火1分钟,最后在700℃下退火3小时,所得过渡层11的厚度约为0.3μm。
d、在基底1上生成压电薄膜部分10的压电功能层12。
如图8所示,所述压电功能层12的材质为PZT,具有压电效应,有应变时可在表面产生电荷,所述压电功能层12采用sol-gel法沉积,采用0.75mol/L PZT溶液以1500rpm旋涂30s,后经450℃热解1分钟,然后在700℃快速退火1分钟。重复以上sol-gel法沉积十多次以上,最终所得压电功能层12的厚度约为1~2μm。
e、在基底1上生成第一电极4、第一电极引线5、第一电极端子6、第二电极7、第二电极引线8、第二电极端子9。
如图9所示,所述第一电极4、第一电极引线5、第一电极端子6、第二电极7、第二电极引线8、第二电极端子9材料为Cr/Au,所述第一电极4、第一电极引线5、第一电极端子6、第二电极7、第二电极引线8、第二电极端子9图案采用lift-off工艺生成或先沉积一层金属电极材料层再用湿法刻蚀出所需图案,第一电极4和第二电极7成双螺旋结构。
f、在基底1上刻蚀出孔3。
如图10所示,采用DRIE刻蚀孔3,孔3贯穿基底1,到达弹性支撑层2时刻蚀停止,孔3位于第一电极4和第二电极7的正下方,孔3释放出弹性支撑层2,使得受到声压作用时,弹性支撑层2产生挠曲变形。
g、 施加电压将压电薄膜部分10极化。
在第一电极4和第二电极7之间施加电压,使得压电薄膜部分10的压电功能层12面内极化。
麦克风工作时,声压作用于压电薄膜部分10的上表面,从而引起压电薄膜部分10和弹性支撑层2的应变变形,由于压电功能层12的压电效应,压电功能层12的表面产生电荷,从而电极感应到相应的电荷,再通过电极引线和电极端子将电信号输出到外接放大电路中,从而外接电路就可检测到对应的声音信号。
压电材料的压电常数d33通常比d31大一倍左右,本实用新型采用双螺旋电极结构,使压电功能层12面内极化,从而压电式硅麦克风工作时采用的是d33模式,从而可以大大提高麦克风的灵敏度。
Claims (5)
1.一种高灵敏度压电式硅麦克风,包括基底(1)、弹性支撑层(2)、第一电极(4)、第二电极(7)、压电薄膜部分(10),其特征是:所述弹性支撑层(2)覆盖在整个基底(1)表面,压电薄膜部分(10)覆盖在弹性支撑层(2)上,压电薄膜部分(10)自下而上包括过渡层(11)和压电功能层(12);基底(1)中刻蚀有孔(3),孔(3)贯穿基底(1)直通弹性支撑层(2),第一电极(4)和第二电极(7)成双螺旋结构,位于同一平面,制作于压电功能层(12)的上表面且位于孔(3)的正上方。
2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度压电式硅麦克风,其特征是:所述弹性支撑层(2)为热氧化氧化硅,厚度为0.5~1μm。
3.根据权利要求1所述的一种高灵敏度压电式硅麦克风,其特征是:所述过渡层(11)的材质为ZrO2,压电功能层(12)的材质为PZT。
4.根据权利要求1所述的一种高灵敏度压电式硅麦克风,其特征是:所述第一电极(4)通过第一电极引线(5)连接第一电极端子(6),所述第二电极(7)通过第二电极引线(8)连接第二电极端子(9),所述第一电极(4)、第一电极引线(5)、第一电极端子(6)、第二电极(7)、第二电极引线(8)、第二电极端子(9)均制作于压电功能层(12)的上表面。
5.根据权利要求1所述的一种高灵敏度压电式硅麦克风,其特征是:所述基底(1)为硅基。
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