具有声能反射中间层的微机电声换能器制造技术

本发明专利技术涉及一种用于生成和/或检测可听波长谱中的声波的MEMS声换能器以及用其构造的芯片，具有：载体衬底(2)；构造在载体衬底(2)中的空腔(3)，所述空腔(3)具有至少一个开口(4)；以及多层压电隔膜结构(5)，其跨越空腔(3)的开口(4)并且在其边缘区域中与载体衬底(2)连接，使得其能够为了生成和/或检测声能而相对于载体衬底(2)振动；其中隔膜结构(5)至少局部地在横截面中包括第一压电层和与第一压电层间隔开布置的第二压电层(8，9)。根据本发明专利技术，在两个压电层(8，9)之间的区域中布置有中间层(19)，所述中间层(19)被构造为使得借助于所述中间层(19)，声能能够向隔膜结构(5)的与空气接界的至少一个交界面(17，18)的方向上反射。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于生成和/或检测可听波长谱中的声波的MEMS声换能器，其具有：载体衬底；构造在载体衬底中的空腔，所述空腔具有至少一个开口；以及多层压电隔膜结构，其跨越空腔的开口并且在其边缘区域中与载体衬底连接，使得其能够为了生成和/或检测声能而相对于载体衬底振动，其中隔膜结构至少局部地在横截面中包括第一和第二压电层。另外，本专利技术涉及一种用于生成和/或检测可听波长谱中的声波的芯片、尤其是硅芯片，其具有多个彼此阵列式布置和/或可彼此分开激励的MEMS声换能器。
技术介绍
术语MEMS表示微机电系统。MEMS声转换器可以被构造成麦克风和/或扬声器。声生成或声检测通过MEMS声换能器的以可振动方式被支承的隔膜来进行。该隔膜可以为了生成声波而通过压电执行器被置于振动中。这样的微扬声器通常必须生成高的空气体积位移，以便实现显著的声压级。这样的微扬声器例如从DE102012220819A1中公知。但是可替代地，MEMS声换能器也可以被构造成麦克风，其中在此，对隔膜的声激励通过压电元件被转换成电信号。这样的MEMS麦克风例如从DE102005008511A1中公知。
技术实现思路
本专利技术的任务是提供一种MEMS声换能器以及一种具有这样的MEMS声换能器的芯片，借助于它，可以增强压电效应。该任务通过具有独立权利要求的特征的MEMS声环能器以及备以及芯片来解决。根据本专利技术，提出了一种用于生成和/或检测可听波长谱中的声波的MEMS声换能器。因此，MEMS声换能器优选地被构造成MEMS扬声器和/或MEMS麦克风。MEMS声换能器包括具有空腔的载体衬底。该空腔具有至少一个开口。该空腔优选地具有两个尤其是彼此在载体衬底的两个相对侧处构造的开口。载体衬底尤其是被构造成优选闭合的框。MEMS声换能器还包括多层压电隔膜结构。在此，隔膜结构具有多个彼此固定连连接的层，所述层中的至少一个层具有压电特性。隔膜结构跨越空腔的开口。此外，隔膜结构在其边缘区域中与载体衬底连接，使得隔膜结构能够为了生成和/或检测声能而相对于载体衬底、尤其是框振动。隔膜结构包括至少局部地——即在俯视图中不必延伸到其整个面上——在横截面中具有第一压电层和尤其是在高度方向上与第一压电层间隔开布置的第二压电层。第二压电层在侧视图中优选地被布置在第一压电层之上，使得第二压电层相对于第一压电层而言优选地位于第一压电层的背向载体衬底的区域中。在两个压电层之间的区域中布置有中间层。这两个压电层至少之一可以直接与中间层贴合或者可替代地也可以通过另外的层与中间层间隔开。中间层被构造为使得借助于其之前由于声阻抗在隔膜结构与接界的空气之间构造的隔膜结构的交界面处已被反射的声能而能够再次向该交界面方向反射。由此增强了隔膜结构的压电效应。因此，中间层被构造为声能反射性的和/或增强隔膜结构的压电效应。在声能从第一介质、尤其是隔膜结构向第二介质、尤其是与隔膜结构接界的空气转移的情况下，尤其是在两种介质的声阻抗大不相同时出现阻抗问题。这在隔膜结构和接界的空气的情况下情况如此。由于该原因，声能中的一部分在这两种介质处、即在隔膜结构与同其接界的空气之间的交界面处被再次反射或反射回。由此在声生成和/或声检测时降低了隔膜结构的效率。为了例如在声生成时改善从隔膜结构到空气的声能传输，如前面提到的那样在两个压电层之间布置中间层。在此，中间层的声阻抗值相对于两个压电层至少之一被选择为使得在交界面处向空气反射的声能通过中间层再次向交界面的方向反射。由此，可以从隔膜结构将更大的声能传输到空气。有利的是，中间层或压电层至少之一彼此具有大的阻抗差。有利的是，中间层与两个压电层至少之一相比具有较小的厚度。由此，中间层与两个压电层至少之一之间的阻抗差有利地被扩大，使得更多声能可以被中间层反射。对隔膜结构的压电效应的增强尤其是可以在中间层由氧化硅、氮化硅和/或多晶硅制成时实现。这些材料与公知压电材料相比具有较小厚度，使得中间层的声能反射特性可以得到提高。为了能够实现中间层与两个压电层至少之一之间尽可能大的阻抗差，有利的是，两个压电层至少之一由锆钛酸铅和/或氮化铝制成。在本专利技术的一个有利的改进方案中，两个压电层分别被嵌入在下电极层与上电极层之间。因此，在横截面图中，隔膜结构有利地从载体衬底出发具有第一下电极层、第一压电层、第一上电极层、中间层、第二下电极层、第二压电层和第二上压电层。为了将具有自己的相应下电极层和/或上电极层的两个压电层彼此电去耦合，有利的是，中间层被构造为介电的。由此，可以节省附加的电绝缘层。为了保护隔膜结构免受外部影响，隔膜结构在其背向载体衬底的侧至少部分地被钝化层覆盖。由于载体衬底优选地由硅构成并且因此被构造为导电的，因此有利的是，在载体衬底与隔膜结构的下电极层之间的区域中布置尤其是由氧化硅制成的电绝缘层。隔膜结构有利地包括尤其是由多晶硅制成的隔膜层。隔膜层优选地延伸到构造在载体衬底中的空腔的整个开口上。在被构造成麦克风的MEMS声换能器的情况下，隔膜层通过从外部入射到隔膜层上的声能被置于振动。在被构造成扬声器的MEMS声换能器的情况下，隔膜层为了生成可听波长谱中的声波借助于可相应激励的压电层被置于振动。为了不负面地影响中间层的声能反射特性，有利的是，隔膜层优选地布置在第一压电层之下的区域中——即尤其是载体衬底与第一下电极层之间——或者第二压电层之下的区域中——即尤其是与第二压电层的最上面的电极层贴合——。有利的是，隔膜结构在其背向载体衬底的侧具有多个和/或被构造为彼此不一样深的接触凹陷。所述接触凹陷优选地在横截面图中从隔膜结构的上侧延伸直到分别不同的电极层中。由此，两个压电层可以通过相应的下电极层和上电极层被激励和/或电信号可以被分接。处于相同原因有利的是，在接触凹陷中布置电连接元件。所述电接线元件与它们延伸到的相应电极层电连接。附加地或可替代地，电连接元件在横截面图中从隔膜结构的上侧通过接触凹陷的两个侧壁至少之一延伸直到其底部。还有利的是，载体衬底在俯视图中形成尤其是闭合的框。载体衬底的空腔因此在两个相对的侧分别具有开口，由此形成载体衬底的框形状。附加地或可替代地，有利的是，隔膜结构尤其是在框的内部空间和/或在其背向载体衬底的侧具有至少一个缺口。在该缺口的区域中，优选至少两个压电层被去蚀。因此，隔膜结构在俯视图中具有至少一个压电有源区域以及至少一个尤其是由缺口形成的无源区域。因此，仅仅有源区域是可压电激励的。与之不同，无源区域仅仅无源地随着与其连接的有源区域一起运动。所述至少一个压电有源区域和所述至少一个无源区域优选地在隔膜结构的俯视图中形成尤其是曲折形、条形、n条形和/或螺旋形的图案。由此，隔膜结构可以在MEMS声换能器的z方向上执行更大冲程，由此可以生成更高声压。压电有源区域优选地被构造为使得其在被构造成扬声器的MEMS声换能器的情况下能够将隔膜结构激励为振动。而由于被去蚀的压电层而不再能够被压电激励的无源区域仅仅通过激励性压电有源区域一起运动。有利的是，缺口被构造为使得压电有源区域在俯视图中具有至少一个与框连接的锚定端部和/或至少一个可相对于其在z方向上振动的自由端部。自由端部因此可以相对于锚定端部在MEMS声换能器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于生成和/或检测可听波长谱中的声波的MEMS声换能器，具有：载体衬底(2)；构造在载体衬底(2)中的空腔(3)，所述空腔(3)具有至少一个开口(4)；以及多层压电隔膜结构(5)，其跨越空腔(3)的开口(4)并且在其边缘区域中与载体衬底(2)连接，使得其能够为了生成和/或检测声能而相对于载体衬底(2)振动；其中隔膜结构(5)至少局部地在横截面中包括第一压电层和与第一压电层间隔开布置的第二压电层(8，9)；其特征在于，在两个压电层(8，9)之间的区域中布置有中间层(19)，所述中间层(19)被构造为使得借助于所述中间层(19)，声能能够向隔膜结构(5)的与空气接界的至少一个交界面(17，18)的方向上反射。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.12.23 DE 102013114826.31.一种用于生成和/或检测可听波长谱中的声波的MEMS声换能器，具有：载体衬底(2)；构造在载体衬底(2)中的空腔(3)，所述空腔(3)具有至少一个开口(4)；以及多层压电隔膜结构(5)，其跨越空腔(3)的开口(4)并且在其边缘区域中与载体衬底(2)连接，使得其能够为了生成和/或检测声能而相对于载体衬底(2)振动；其中隔膜结构(5)至少局部地在横截面中包括第一压电层和与第一压电层间隔开布置的第二压电层(8，9)；其特征在于，在两个压电层(8，9)之间的区域中布置有中间层(19)，所述中间层(19)被构造为使得借助于所述中间层(19)，声能能够向隔膜结构(5)的与空气接界的至少一个交界面(17，18)的方向上反射。2.根据前一权利要求所述的MEMS声换能器，其特征在于，中间层(19)与两个压电层(8，9)至少之一相比具有较小的厚度。3.根据前述权利要求中的一个或多个所述的MEMS声换能器，其特征在于，中间层(19)由氧化硅、氮化硅和/或多晶硅制成。4.根据前述权利要求中的一个或多个所述的MEMS声换能器，其特征在于，两个压电层(8，9)至少之一由锆钛酸铅和/或氮化铝制成。5.根据前述权利要求中的一个或多个所述的MEMS声换能器，其特征在于，两个压电层(8，9)分别被嵌入在下电极层与上电极层(10，12；11，13)之间；中间层(19)与第一压电层(8)的上电极层(11)并且与第二压电层(9)的下电极层(12)直接贴合和/或中间层(19)被构造为介电的。6.根据前述权利要求中的一个或多个所述的MEMS声换能器，其特征在于，隔膜结构(5)具有尤其是由多晶硅制成的隔膜层(14)，所述隔膜层(14)优选布置在第一压电层(8)之下的区域中或者在第二压电层(9)之上的区域中。7.根据前述权利要求中的一个或多个所述的MEMS声换能器，其特征在于，隔膜结构(5)尤其是在被构造成框的载体衬底(2)的内部空间中和/或在其背向载体衬底(2)的侧具有至少一个缺口(24)，在所述缺口(24)的区域中，至少两个压电层(8，9)被去蚀，使得隔膜结构(8，9)在俯视图中具有至少一...

【专利技术属性】
技术研发人员：安德里亚·韦斯高尼·克莱里西，费鲁乔·博托尼，
申请(专利权)人：悠声股份有限公司，
类型：发明
国别省市：奥地利;AT