一種高靈敏度壓電式矽麥克風的製作方法

2023-10-06 02:23:49

專利名稱：一種高靈敏度壓電式矽麥克風的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種高靈敏度壓電式矽麥克風，屬於矽麥克風技術領域。
背景技術：
麥克風能把人的語音信號轉化為相應的電信號，廣泛應用於手機，電腦，電話機，照相機及攝像機等。近三十年的MEMS (Microelectromechanical Systems)技術與工藝的發展，特別是基於矽晶片MEMS技術的發展，實現了許多傳感器(如壓力傳感器，加速度計，陀螺儀等)的微型化和低成本。MEMS矽麥克風已開始產業化，在高端手機的應用上，逐漸取代傳統的駐極體電容式麥克風。MEMS麥克風主要分為電容式矽麥克風和壓電式矽麥克風。電容式矽麥克風由一個振動薄膜和背極板組成，振動薄膜與背極板之間有一個幾微米的間距，形成電容結構。高靈敏的振動薄膜感受到外部的音頻聲壓信號後，改變振動薄膜與背極板間的距離，從而形成電容變化。麥克風后接CMOS放大器把電容變化轉化成電壓信號的變化,再放大後變成電輸出。電容式矽麥克風製作工藝複雜，難度高，且需要專門的ASIC提供工作時的偏置電壓。壓電式矽麥克風由彈性支撐層、壓電層和電極組成，製作工藝簡單，當膜片感受到音頻聲壓信號後，壓電層的應變使電極產生電荷，後接CMOS放大器便可將將該電信號放大輸出，不需要電容式娃麥克風的偏置電壓。相對於電容式娃麥克風，壓電式娃麥克風的加工工藝流程簡單，沒有較難控制的氣隙，且所需的匹配放大電路簡單，比電容式具有更好的實用價值，但其關鍵指標靈敏度還較低。
發明內容本實用新型的目的是克服現有技術中存在的不足，提供一種壓電式矽麥克風，以提高壓電式微型娃麥克風的靈敏度。按照本實用新型提供的技術方案，一種高靈敏度壓電式矽麥克風，包括基底、彈性支撐層、第一電極、第二電極、壓電薄膜部分，所述彈性支撐層覆蓋在整個基底表面，壓電薄膜部分覆蓋在彈性支撐層上，壓電薄膜部分自下而上包括過渡層和壓電功能層；基底中刻蝕有孔，孔貫穿基底直通彈性支撐層，第一電極和第二電極成雙螺旋結構，位於同一平面，製作於壓電功能層的上表面且位於孔的正上方。進一步的，所述彈性支撐層為熱氧化氧化矽，厚度為0.5 I μ m。所述過渡層的材質為Zr02，壓電功能層的材質為PZT。所述基底為矽基。所述第一電極通過第一電極引線連接第一電極端子，所述第二電極通過第二電極引線連接第二電極端子，所述第一電極、第一電極引線、第一電極端子、第二電極、第二電極引線、第二電極端子均製作於壓電功能層的上表面。所述過渡層的材質為Zr02，採用sol-gel法沉積，採用0.4mol/L的Zr02溶液以3000rpm旋塗30s，後經450°C熱解I分鐘，在700°C快速退火I分鐘，最後在700°C下退火3小時，所得過渡層的厚度為0.3μπι。[0009]所述壓電功能層的材質為PZT，具有壓電效應，有應變時在表面產生電荷，所述壓電功能層採用sol-gel法沉積，採用0.75mol/L的PZT溶液以1500rpm旋塗30s，後經450°C熱解I分鐘，然後在700°C快速退火I分鐘；重複以上sol-gel法沉積，最終所得壓電功能層的厚度為I 2 μ m。所述第一電極、第一電極引線、第一電極端子、第二電極、第二電極引線、第二電極端子材料為Cr/Au，所述第一電極、第一電極引線、第一電極端子、第二電極、第二電極引線、第二電極端子圖案採用lift-off工藝生成，或先沉積一層金屬電極材料層再用溼法刻蝕出所需圖案。本實用新型的優點:目前國內外研究的矽微壓電式麥克風主要採用壓電薄膜的d31模式，但壓電材料的壓電常數d33通常比d31大一倍左右，故本實用新型的壓電式矽麥克風，採用雙螺旋電極設計，使得壓電薄膜沿面內極化，利用壓電薄膜的d33模式，提高了壓電式娃麥克風的靈敏度。

圖1為本實用新型的正面三維結構示意圖。圖2為本實用新型的反面三維結構示意圖。圖3為本實用新型的俯視圖。圖4為圖3的A-A向剖視圖。圖5 圖10為本實用新型的具體工藝步驟實施圖，其中:圖5為提供的娃基作為基底；圖6為在基底上生成彈性支撐層的的示意圖；圖7為在基底上生成壓電薄膜部分的過渡層的示意圖；圖8為在基底上形成壓電薄膜部分的壓電功能層的示意圖；圖9為在基底上形成電極部分(包括電極、引線和端子)的示意圖；圖10為將基底刻蝕出穿孔釋放出彈性支撐層的示意圖。
具體實施方式
下面結合具體附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。本實用新型所述的壓電式矽麥克風，包括基底、彈性支撐層、壓電薄膜部分和電極部分。如圖1 圖4所示，本實用新型具體包括基底1、彈性支撐層2、第一電極4、第一電極引線5、第一電極端子6、第二電極7、第二電極引線8、第二電極端子9、壓電薄膜部分10，其特徵是:所述彈性支撐層2覆蓋在整個基底I表面，壓電薄膜部分10覆蓋在彈性支撐層2上，壓電薄膜部分10自下而上包括過渡層11和壓電功能層12 ;基底I中刻蝕有孔3，孔3貫穿基底I直通彈性支撐層2，第一電極4和第二電極7成雙螺旋結構，位於同一平面，製作於壓電功能層12的上表面且位於孔3的正上方。所述壓電薄膜部分10包括過渡層11和壓電功能層12兩部分，過渡層11使得其上的壓電功能層12無裂縫。電極部分包括一對電極、電極引線和電極端子，第一電極4通過第一電極引線5連接到第一電極端子6，所述第二電極7通過第二電極引線8連接到第二電極端子9，所述第一電極4、第一電極引線5、第一電極端子6、第二電極7、第二電極引線8、第二電極端子9均製作於壓電功能層12的上表面，材料為Cr/Au。電極部分位於同一平面內，位於壓電功能層12的上表面，第一電極4和第二電極7成雙螺旋結構，位於孔3的正上方，第一電極引線5、第一電極端子6、第二電極引線8、第二電極端子9將第一電極4和第二電極7上的電信號弓丨出到外接放大電路中。本實用新型基底中形成有孔3，用於釋放彈性支撐層2，使得感受到聲壓信號時，彈性支撐層2能在縱向產生大的應變，進而該應變會傳遞給壓電薄膜部分10 ;本實用新型彈性支撐層2為氧化矽；本實用新型壓電薄膜部分10包括過渡層11和壓電功能層12，壓電功能層12的材質為PZT，過渡層11的材質為ZrO2，過渡層11的作用為阻擋作用，同時也使沉積的壓電功能層12無裂縫。如圖5 圖10所示:上述結構的壓電式矽麥克風，通過以下工藝步驟實現。a、提供娃基板做為基底1，如圖5所不。b、在基底I上生成彈性支撐層2。如圖6所示，所述彈性支撐層2為熱氧化氧化矽，厚度約為0.5^1 μ m。C、在上述基底I上生成壓電薄膜部分10的過渡層11。如圖7所示，所述過渡層11的材質為ZrO2,採用sol-gel法沉積，採用0.4mol/L的ZrO2溶液以3000rpm旋塗30s，後經450°C熱解I分鐘，在700°C快速退火I分鐘，最後在700°C下退火3小時，所得過渡層11的厚度約為0.3μπι。d、在基底I上生成壓電薄膜部分10的壓電功能層12。如圖8所示，所述壓電功能層12的材質為PZT，具有壓電效應，有應變時可在表面產生電荷，所述壓電功能 層12採用sol-gel法沉積，採用0.75mol/L PZT溶液以1500rpm旋塗30s，後經450°C熱解I分鐘，然後在700°C快速退火I分鐘。重複以上sol-gel法沉積十多次以上，最終所得壓電功能層12的厚度約為1 2μπι。e、在基底I上生成第一電極4、第一電極引線5、第一電極端子6、第二電極7、第二電極引線8、第二電極端子9。如圖9所示，所述第一電極4、第一電極引線5、第一電極端子6、第二電極7、第二電極引線8、第二電極端子9材料為Cr/Au，所述第一電極4、第一電極引線5、第一電極端子
6、第二電極7、第二電極引線8、第二電極端子9圖案採用lift-off工藝生成或先沉積一層金屬電極材料層再用溼法刻蝕出所需圖案，第一電極4和第二電極7成雙螺旋結構。f、在基底I上刻蝕出孔3。如圖10所示，採用DRIE刻蝕孔3，孔3貫穿基底I，到達彈性支撐層2時刻蝕停止，孔3位於第一電極4和第二電極7的正下方，孔3釋放出彈性支撐層2，使得受到聲壓作用時，彈性支撐層2產生撓曲變形。g、施加電壓將壓電薄膜部分10極化。在第一電極4和第二電極7之間施加電壓，使得壓電薄膜部分10的壓電功能層12面內極化。麥克風工作時，聲壓作用於壓電薄膜部分10的上表面，從而引起壓電薄膜部分10和彈性支撐層2的應變變形，由於壓電功能層12的壓電效應，壓電功能層12的表面產生電荷，從而電極感應到相應的電荷，再通過電極引線和電極端子將電信號輸出到外接放大電路中，從而外接電路就可檢測到對應的聲音信號。[0042]壓電材料的壓電常數d33通常比d31大一倍左右，本實用新型採用雙螺旋電極結構，使壓電功能層12面內極化，從而壓電式矽麥克風工作時採用的是d33模式，從而可以大
大提1 麥克風的靈敏度 。
權利要求1.一種高靈敏度壓電式娃麥克風，包括基底(I)、彈性支撐層(2)、第一電極(4)、第二電極(7)、壓電薄膜部分(10)，其特徵是:所述彈性支撐層(2)覆蓋在整個基底(I)表面，壓電薄膜部分(10)覆蓋在彈性支撐層(2)上，壓電薄膜部分(10)自下而上包括過渡層(11)和壓電功能層(12 );基底(I)中刻蝕有孔(3 )，孔(3 )貫穿基底(I)直通彈性支撐層(2 )，第一電極(4)和第二電極(7)成雙螺旋結構，位於同一平面，製作於壓電功能層(12)的上表面且位於孔(3)的正上方。
2.根據權利要求1所述的一種高靈敏度壓電式矽麥克風，其特徵是:所述彈性支撐層(2)為熱氧化氧化矽,厚度為0.5 I μ m。
3.根據權利要求1所述的一種高靈敏度壓電式矽麥克風，其特徵是:所述過渡層(11)的材質為ZrO2，壓電功能層(12)的材質為PZT。
4.根據權利要求1所述的一種高靈敏度壓電式矽麥克風，其特徵是:所述第一電極(4)通過第一電極引線(5)連接第一電極端子(6)，所述第二電極(7)通過第二電極引線(8)連接第二電極端子(9)，所述第一電極(4)、第一電極引線(5)、第一電極端子(6)、第二電極(7)、第二電極引線(8)、第二電極端子(9)均製作於壓電功能層(12)的上表面。
5.根據權利要求1所述的一種高靈敏度壓電式矽麥克風，其特徵是:所述基底(I)為矽基。
專利摘要本實用新型公開了一種高靈敏度壓電式矽麥克風，其壓電式矽麥克風包括基底、彈性支撐層、壓電薄膜部分和電極部分；所述基底中形成有穿孔，彈性支撐層覆蓋於基底表面，壓電薄膜部分位於彈性支撐層上，所屬壓電薄膜部分包括過渡層和壓電功能層兩部分，過渡層使得其上的壓電功能層無裂縫，電極部分包括兩電極、電極引線和電極端子，電極部分位於同一平面內，位於壓電薄膜部分的上表面，兩電極為雙螺旋結構，所述兩電極位於穿孔區域的正上方，電極端子和電極引線將電極上的信號引出，實現與放大電路的電連接。其優點是本實用新型採用雙螺旋電極設計，使得壓電薄膜沿面內極化，利用壓電薄膜的d33模式，提高了壓電式矽麥克風的靈敏度。
文檔編號H04R17/00GK203027480SQ201220739069
公開日2013年6月26日 申請日期2012年12月28日 優先權日2012年12月28日
發明者繆建民 申請人:繆建民