壓電mems麥克風的製作方法

2023-10-06 02:16:54 1

專利名稱：壓電mems麥克風的製作方法
技術領域：
本發明大體上涉及壓電麥克風，並且更具體地涉及壓電MEMS麥克風及構造此類 麥克風以滿足特定最終使用應用需求的設計技術。
背景技術：
微機電系統(MEMS)技術的進步使用矽片沉積技術使得諸如麥克風之類的聲換能 器得到發展。通過這種方式製造的麥克風一般稱之為MEMS麥克風並可被製成各種形式，例 如使用諸如PZT、&iO、PVDF、PMN-PT或AlN之類的材料的壓電麥克風或電容性麥克風。MEMS 電容性麥克風及駐極體電容式麥克風(ECM)被用在消費電子器件中，並相對典型壓電MEMS 麥克風具備以下優勢它們具有更大的靈敏度和更低的底噪。然而，這些較普遍存在的技術 中的每一種都有自己的缺陷。對於標準ECM，它們通常不能使用典型的無鉛焊料工藝(一般 用於所有其它附著到印刷電路板的微晶片)被安裝到印刷電路板。常用於手機中的MEMS電 容性麥克風相對昂貴，其部分原因是使用了專用集成電路(ASIC)來提供用於麥克風的讀出 電路。MEMS電容性麥克風還具有比典型壓電MEMS麥克風更小的動態範圍。各種已知的壓電和電容性MEMS麥克風的底噪示於圖1。如通過麥克風的兩個環繞 組所指示的那樣，電容性MEMS麥克風(下面的一組)的底噪一般比類似尺寸的壓電MEMS麥 克風低約20 dB。已知的壓電MEMS麥克風已被製作為懸臂梁(beam)或隔板(diaphragm)，並且這些 麥克風包括電極和壓電材料這二者以及結構材料例如用作隔板或梁襯底材料的聚對二甲 苯或矽。用於懸臂設計的聚對二甲苯的優點在於其可被用來增加梁的厚度，從而增加了梁 帶寬(對於固定長度)和到壓電材料中性軸的距離這二者，後者似乎增加了靈敏度。例如，約 20 μ m的梁襯底是已知的，見Ledermarm [15]。對於使用聚對二甲苯隔板的壓電MEMS麥 克風，已使用了更薄的層。見例如美國專利第6，857，501號和Niu [10]。注意到的是本 文中屬於其它作者的各種參考文件是對說明書結尾指明的著作和期刊的引用，它們在此僅 提供用於對本文一些教導的非實質主題加以支持或作為背景技術。每個引用的文獻在此以 引用方式併入。

發明內容
根據本發明的一個方面，提供了一種壓電MEMS麥克風，包括襯底和多層聲傳感 器，該傳感器具有至少三層，包括第一電極層、沉積在第一電極層之上的壓電材料中間層、 以及沉積在壓電材料之上的第二電極層。該傳感器被尺寸定製(dimension)為使得多層傳 感器的輸出能量對傳感器面積之比率是對於給定輸入壓力、帶寬、及壓電材料而言可獲得 的最大比率的至少10%。根據本發明的另一個方面，提供了一種壓電MEMS麥克風，包括襯底和多層聲傳感 器，該傳感器具有至少三層，包括第一電極層、沉積在第一電極層之上的壓電材料中間層、 以及沉積在壓電材料之上的第二電極層。傳感器被尺寸定製為使得根據下述方程計算的最優化參數(optimization parameter)是對於該傳感器而言最大可獲得最優化參數的至少 10%,
V^c 2
Optimisation Parameter=-■ f
P1Atm(S)
其中VMt是傳感器的輸出電壓，C是傳感器電容，/^是輸入壓力d是傳感器面積， tan(S)是在傳感器的第一諧振頻率處傳感器的介電損耗角，並且是第一諧振頻率。根據本發明的另一個方面，提供了一種壓電MEMS麥克風，包括矽襯底和多個梁， 每個梁一端由襯底支撐，以使得每個梁是懸臂式的並在固定端和自由端之間延伸。每個梁 包括電極材料的沉積層和覆蓋電極材料的壓電材料的沉積層。梁中的至少一些被堆疊，以 使得堆疊的梁包括沉積電極材料和沉積壓電材料的交替層，在它們之間沒有額外的層。根據本發明的再一個方面，提供了一種壓電MEMS麥克風，包括襯底和在襯底上方 懸掛(suspend)的應力消除(stress-relieved)隔板。隔板包括多層聲傳感器，該傳感器具 有至少三層，包括第一電極層、沉積在第一電極層之上的壓電材料中間層、以及沉積在壓 電材料之上的第二電極層。能夠以任何合適的方式獲得應力消除隔板，例如通過沿隔板的 基本全部周邊(periphery)從襯底分離隔板，並允許根據需要使隔板膨脹或收縮以釋放殘 餘應力。然後，可通過任何合適技術使隔板在其周邊附近重新附著到襯底。


將結合附圖在下文中描述本發明的一個或多個優選示例性實施例，其中相同的附 圖標記指示相同的元件，並且在附圖中
圖1是各種已知MEMS麥克風的噪聲電平對傳感器面積的繪圖； 圖2是描繪隔板殘餘應力對壓電MEMS麥克風的輸出能量影響的繪圖； 圖3a是根據本發明一個方面構建的梁懸臂壓電MEMS麥克風傳感器的頂視圖； 圖北描述了來自圖3a的麥克風傳感器的兩對相對的梁的截面圖； 圖3c示出了交替梁層和它們的尺寸，用於為示於圖北中堆疊的梁的性能建模； 圖4描繪了連接到放大電路的圖3a的麥克風的示意圖，示出了該電路的阻抗建模； 圖5是用於壓電聲傳感器的典型噪聲曲線的繪圖； 圖6描繪了梁錐化(taper)對圖3a的傳感器的輸出能量的影響； 圖7描繪了包括一個或多個聚對二甲苯層的影響，其中示出了層厚度對壓電MEMS麥克 風傳感器的輸出能量的影響；
圖8是示出不同電極材料是如何對壓電MEMS麥克風傳感器的能量輸出產生影響的繪
圖9a-9d描繪了用於製作圖北的傳感器的處理步驟；
圖10是圖3a的製造的傳感器的顯微鏡圖片；
圖11是使用圖3a的傳感器的壓電MEMS麥克風的圖片；
圖12示出了圖11的麥克風的頻率響應的繪圖13是圖11的麥克風的梁撓度輪廓(deflection profile)的繪圖14是圖11的麥克風的測量和預測的靈敏度和底噪的繪圖；圖15是歸一化輸出能量的繪圖，歸一化輸出能量作為圖3a示出類型的懸臂梁的電極 長度的函數；
圖16是示出了係數 /33的退化(degradation)的繪圖，係數 /33來自AlN壓電材料的壓 電耦合係數矩陣；
圖17是示出了介電損耗角tan(S)的退化的繪圖； 圖18是示出了作為電極層厚度的函數的Mo電阻率的繪圖19是壓電層厚度和係數屯之間的關係的繪圖，係數J31來自AlN壓電材料的壓電耦 合係數矩陣；
圖20是示出了作為AlN層厚度的函數的介電損耗角的繪圖； 圖21描繪了計算的最優化參數，其作為用於單個(非堆疊)懸臂梁的Mo底部電極層厚 度的函數；
圖22描繪了計算的最優化參數，其作為用於單個(非堆疊)懸臂梁的AlN中間層厚度的 函數；
圖23描繪了計算的最優化參數，其作為用於單個(非堆疊)懸臂梁的Mo上部電極層厚 度的函數；
圖M描繪了計算的最優化參數，其作為用於5層(堆疊)懸臂梁的Mo底部和頂部電極 層厚度的函數；
圖25描繪了計算的最優化參數，其作為用於5層(堆疊)懸臂梁的AlN中間層厚度的函
數；
圖26描繪了計算的最優化參數，其作為用於5層(堆疊)懸臂梁的Mo中部電極層厚度 的函數；
圖27a是根據本發明一個方面構建的隔板壓電MEMS麥克風傳感器的頂視圖； 圖27b是沿圖27a的B-B線所截取的部分截面圖；以及
圖觀是根據本發明構建的壓電MEMS麥克風的預期底噪的繪圖，示出了它們與已知的 壓電和電容性MEMS麥克風比起來怎麼樣。
具體實施例方式下述說明書針對滿足最優化準則的壓電MEMS麥克風的各種實施例，所述最優化 準則可以下述不同方式中的一個或多個來確定。典型的壓電MEMS麥克風被設計為最優化麥克風的靈敏度，並且這至少部分地導 致上述這些裝置的所增加的底噪。如下文所述，通過對於給定輸入壓力、帶寬、及壓電材料 而言最優化輸出能量對傳感器面積之比率，壓電MEMS麥克風可被構建得對典型應用具有 足夠的靈敏度，還具有與電容性MEMS麥克風相近的底噪。這種方法對於高質量膜是有效 的。但是，當膜厚度減小時，膜質量將退化。在本文描述的替換性方法中將計入這個因素，該 替換性方法使用的計算的最優化參數仍然是傳感器能量對面積之比率，但還包括裝置的損 耗角、壓力、及固有頻率(其限制了帶寬)。通過在計算的比率中增加這些參數，該替換性方 法計入了這些參數的影響，而不是將它們視為常數。因此，如本領域技術人員將意識到的， 將結合兩種不同可用方法來描述下述實施例，兩種不同可用方法用於確定最優或接近最優 的傳感器設計1)對於給定(恆定)輸入壓力、帶寬、及壓電材料直接計算輸出能量對傳感器
6面積之比率，以及2)計入裝置的損耗角、壓力、固有頻率(其限制了帶寬)來計算最優化參 數。該最優化參數可以使用下式來確定。
權利要求
1.一種壓電MEMS麥克風，包括襯底；以及多層聲傳感器，其包括至少三層，所述至少三層包含第一電極層、沉積在所述第一電極 層之上的壓電材料中間層、以及沉積在所述壓電材料之上的第二電極層；其中，所述傳感器被尺寸定製為使得所述多層傳感器的輸出能量對傳感器面積之比率 是對於給定輸入壓力、帶寬、及壓電材料而言可獲得的最大比率的至少10%。
2.一種壓電MEMS麥克風，包括襯底；以及多層聲傳感器，其包括至少三層，所述至少三層包含第一電極層、沉積在所述第一電極 層之上的壓電材料中間層、以及沉積在所述壓電材料之上的第二電極層；其中，所述傳感器被尺寸定製為使得根據以下方程計算的最優化參數是對於所述傳感 器而言最大可獲得最優化參數的至少10%
3.根據權利要求2所述的壓電MEMS麥克風，其中所述第一和第二電極層及所述中間 層合起來具有不大於8 μm的厚度。
4.根據權利要求2所述的壓電MEMS麥克風，其中所述第一和第二電極層及所述中間 層合起來具有不大於2 μm的厚度。
5.根據權利要求2所述的壓電MEMS麥克風，其中所述中間層包括直接沉積到所述第 一電極層表面上的壓電材料層，並且所述第二電極層包括直接沉積到所述壓電材料表面上 的電極材料層。
6.根據權利要求2所述的壓電MEMS麥克風，進一步包括具有連接到所述電極層的控 制輸入的電晶體，以使得在所述控制輸入上接收到的來自所述傳感器的信號被所述電晶體 放大。
7.根據權利要求2所述的壓電MEMS麥克風，其中所述多層聲傳感器包括在所述襯底 上方懸掛的應力消除隔板。
8.根據權利要求7所述的壓電MEMS麥克風，其中所述隔板在所述隔板的周界附近附 著到所述襯底，並且使所述周界的第一部分附著到所述襯底作為所述層中至少一層到所述 襯底上的直接沉積，並且通過將所述周界的第二部分分離粘合到襯底上而使所述第二部分 附著到所述襯底。
9.根據權利要求8所述的壓電MEMS麥克風，其中所述第一和第二電極層包括相應的 第一和第二電極，它們居中地位於所述隔板上並包括在所述第一部分延伸到所述襯底的引 線軌跡。
10.根據權利要求9所述的壓電MEMS麥克風，其中所述傳感器還包括第三和第四電極，其中所述第三電極被布置在所述壓電材料之下，並具有包圍著所述第一電極的環狀或帶狀形 狀同時與所述第一電極電絕緣；並且所述第四電極被布置在所述壓電材料之上與所述第三 電極重疊的區域中，所述第四電極包圍著所述第二電極同時與所述第二電極電絕緣。
11.根據權利要求10所述的壓電MEMS麥克風，其中所述第一和第四電極電連接在一 起，並且所述第二和第三電極電連接在一起。
12.根據權利要求7所述的壓電MEMS麥克風，其中所述隔板覆蓋有絕緣層，並且其中 所述麥克風包括壓力均衡埠，由此所述麥克風包括水聽器。
13.根據權利要求2所述的壓電MEMS麥克風，其中所述傳感器包括多個梁，每個梁一 端由所述襯底支撐，以使得每個梁是懸臂式的並在固定端和自由端之間延伸，每個梁都包 括所述電極和中間層。
14.根據權利要求13所述的壓電MEMS麥克風，其中所述梁的至少兩個被定位為使得 每個梁的自由端彼此相對並且以不大於3 μm的間隙分隔開。
15.根據權利要求13所述的壓電MEMS麥克風，其中相鄰梁以不大於10ym的間隙分 隔開。
16.根據權利要求13所述的壓電MEMS麥克風，其中所述多個梁包括多個堆疊的梁集 合，每個堆疊的梁集合包括至少五個電極材料和壓電材料的交替層。
17.根據權利要求13所述的壓電MEMS麥克風，其中所述梁被朝向它們的自由端錐化， 以使得所述梁在其自由端的寬度窄於在其懸臂端的寬度。
18.根據權利要求13所述的壓電MEMS麥克風，其中所述梁覆蓋有絕緣材料，由此所述 麥克風包括水聽器。
19.一種壓電MEMS麥克風，包括矽襯底；多個梁，每個梁一端由所述襯底支撐，以使得每個梁是懸臂式的並在固定端和自由端 之間延伸，每個梁包括電極材料的沉積層和覆蓋所述電極材料的壓電材料的沉積層；其中所述梁中的至少一些被堆疊，以使得所堆疊的梁包括沉積電極材料和沉積壓電材 料的交替層，在它們之間沒有額外的層。
20.根據權利要求19所述的壓電MEMS麥克風，其中所述壓電材料層中的每一個都具 有不大於2 μ m的厚度。
21.根據權利要求19所述的壓電MEMS麥克風，其中所述壓電材料包括選自包括以下 項的組中的材料PZT、ZnO, PVDF, PNMPC,以及Α1Ν。
22.—種壓電MEMS麥克風，包括襯底；以及在所述襯底上方懸掛的應力消除隔板，所述隔板包括多層聲傳感器，所述多層聲傳感 器具有至少三層，包括第一電極層、沉積在所述第一電極層之上的壓電材料中間層、以及 沉積在所述壓電材料之上的第二電極層。
23.根據權利要求22所述的壓電MEMS麥克風，其中所述隔板在所述隔板的周界附近 附著到所述襯底，其中所述周界的第一部分被附著到所述襯底作為所述層中至少一層到所 述襯底上的直接沉積，並且所述周界的第二部分通過將所述第二部分分離粘合到襯底上而 被附著到所述襯底。
全文摘要
包括多層傳感器的壓電MEMS麥克風，該傳感器包括位於兩個電極層之間的至少一個壓電層，該傳感器被尺寸定製為使得其提供了接近最大化的輸出能量對傳感器面積之比率，最大化的輸出能量對傳感器面積之比率通過計入了輸入壓力、帶寬、及壓電和電極材料特徵的最優化參數來確定。該傳感器可由單獨的或以小間隙彼此分隔開的堆疊懸臂梁組成，或者可以是以下方式形成的應力消除隔板通過沉積到矽襯底上，然後通過將隔板基本與襯底分離來對隔板進行應力消除，並接下來重新附著現在的經應力消除的隔板。
文檔編號H04R17/00GK102138338SQ200980133397
公開日2011年7月27日 申請日期2009年6月30日 優先權日2008年6月30日
發明者K·格羅什, R·J·利特雷爾 申請人:密執安大學評議會