一种压电式MEMS声传感器制造技术

本发明专利技术提供的一种压电式MEMS声传感器，包括基底、内部电极区及外部电极区，外部电极区位于内部电极区的外围，所述内部电极区与外部电极区均包括由上至下层叠的顶电极、上压电层、中间电极、下压电层和底电极；内部电极区中的顶电极、中间电极和底电极与外部电极区中的顶电极、中间电极和底电极彼此间隔；在基底的顶部设置有下支撑层，内部电极区及外部电极区均位于下支撑层上，在内部电极区及外部电极区的顶面均设置有由硅基材料制成的上支撑层。本发明专利技术具有的灵敏度高，耐静水压能力增强：能使MEMS声传感器满足不同耐压及工作水深的应用需求。

A piezoelectric MEMS acoustic sensor

【技术实现步骤摘要】
一种压电式MEMS声传感器
本专利技术属于MEMS传感器领域，具体涉及一种压电式MEMS声传感器。
技术介绍
随着微电子技术、集成电路技术和加工工艺的发展，MEMS传感器凭借体积小、重量轻、功耗低、可靠性髙、灵敏度髙、易于集成以及耐恶劣工作环境等优势，极大地促进了传感器的微型化、智能化、多功能化和网络化发展。MEMS传感器正逐步占据传感器市场，并逐渐取代传统机械传感器的主导地位，已得到消费电子产品、汽车工业、航空航天、海洋装备、机械、化工及医药等各领域的青睐。而目前，现有灵敏度较高的压电式MEMS声传感器使用AlN材料制备其压电层，由于Mo/AlN/Mo/AlN/Mo，双电极双晶片结构的厚度受制于制造工艺，厚度存在一个约2um的极大值，不能在较高压力下工作。为提高传感器耐压能力，也有在传感器的压电层下加下支撑层，压电层为单层结构(即类似下支撑层+Mo/AlN/Mo结构)，相应的声压灵敏度较低，即不适用于较高压力环境下，需求较高灵敏度的场景。
技术实现思路
本专利技术针对上述现有技术中的不足，提供一种压电式MEMS声传感器，其结构简单设计合理，使用操作便捷，体积小，且能适用于较高压力的场景。为了达到上述目的，本专利技术提供一种压电式MEMS声传感器，包括基底、内部电极区及外部电极区，外部电极区位于内部电极区的外围，所述内部电极区与外部电极区均包括由上至下层叠的顶电极、上压电层、中间电极、下压电层和底电极；内部电极区中的顶电极、中间电极和底电极与外部电极区中的顶电极、中间电极和底电极彼此间隔；在基底的顶部设置有下支撑层，内部电极区及外部电极区均位于下支撑层上，在内部电极区及外部电极区的顶面均设置上支撑层。MEMS声传感器的结构主要以圆形薄板(半径为a)的受力情况为依据进行设计，由于Mo/ScxAl1-xN/Mo/ScxAl1-xN/Mo双电极双晶片结构的压电层的总厚度受制于制造工艺，存在一个极大值，一般不超过2um，当传感器受到的外部压力过大时，压电薄膜因为变形过大而破裂失效。通过上支撑层及下支撑层与顶电极、上压电层、中间电极、下压电层和底电极相结合的结构，使膜的厚度增加，耐静水压能力增强，能使MEMS声传感器满足不同耐压及工作水深的应用需求，上支撑层可以由硅基材料制成。优选的，内部电极区、外部电极区以及内部电极区、外部电极区所在区域的上支撑层和下支撑层均向同一方向产生向外凸起或内凹的应力形变。生成上支撑层时，会产生较大残余应力，发生形变，从而带动与上支撑层结合的其他部分发生形变，通过控制应力方向，可以形成向外凸起或内凹的应力形变，增加灵敏度。而内凹的应力形变，凹向基底，则与受到应力变形方向一致，会使耐水压能力有所降低，因此，优选向外凸起的形变，能增加MEMS声传感器灵敏度和耐水压能力，因为凸起与传感器所受的外部压力方向相反，凸起可以抵消掉部分由于外部压力产生的变形，从而增加传感器正常工作时的最大外部压力，有利于该结构在更深的水环境、或受更大外部压力的环境中工作。上述的上压电层与下压电层对称分布在中间电极两侧。中间电极为中性层，受力为零，上压电层与下压电层距中间电极距离相同处，所受应力大小相等，方向相反，所以上压电层的极化电荷分布与下压电层的相反，与中间电极平行的同一面上的压电层在内部电极区与外部电极区所受的应力方向相反，压电层采集内部电极区内的顶电极与中间电极、底电极与中间电极之间的电荷，可实现电荷的加权；采集外部电极区内的顶电极与中间电极、底电极与中间电极之间的电荷，可实现电荷的加权，通过将内部电极区的电荷与外部电极区的电荷进行差分处理，得到的总电荷值理论上是采用单压电层并且只测内部电极的情况下电荷值的4倍，进而大幅提高传感器的灵敏度。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：1.上支撑层及下支撑层与顶电极、上压电层、中间电极、下压电层和底电极相结合的结构，采用内部电极区、外部电极区及上、下支撑层相结合的结构，使膜的厚度增加，耐静水压能力增强，能使MEMS声传感器满足不同耐压及工作水深的应用需求。2.内部电极区、外部电极区及上、下支撑层所产生的同方向应力形变可改善传感器受压后的受力分布，增强传感器的灵敏度。附图说明图1为本专利技术的结构示意图；图2为本专利技术的俯视图；图3为第一实施例的横截面视图；图4为第二实施例的横截面视图。附图标记依次为：基底1、下支撑层2、下压电层3、上压电层4、上支撑层5、外部顶电极6、外部中间电极7、外部底电极8、内部顶电极9、内部中间电极10、内部底电极11、外部电极区12、内部电极区13。具体实施方式为了使本专利技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与作用更加清楚及易于了解，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步阐述：本专利技术所公开的一种压电式MEMS声传感器，如图1-4所示，包括基底1、内部电极区13及外部电极区12，外部电极区12位于内部电极区13的外围，所述内部电极区13与外部电极区12均包括由上至下层叠的顶电极、上压电层4、中间电极、下压电层3和底电极；内部电极区13中的顶电极、中间电极和底电极与外部电极区12中的顶电极、中间电极和底电极彼此间隔；在基底的顶部设置有下支撑层2，内部电极区13及外部电极区12均位于下支撑层2上，在内部电极区13及外部电极区12的顶面均设置有由硅基材料制成的上支撑层5。MEMS声传感器的结构主要以圆形薄板(半径为a)的受力情况为依据进行设计，由于Mo/ScxAl1-xN/Mo/ScxAl1-xN/Mo双电极双晶片结构的压电层的总厚度受制于制造工艺，存在一个极大值，一般不超过2um，当传感器受到的外部压力过大时，压电薄膜因为变形过大而破裂失效。通过上支撑层及下支撑层与顶电极、上压电层、中间电极、下压电层和底电极相结合的结构，使膜的厚度增加，耐静水压能力增强，能使MEMS声传感器满足不同耐压及工作水深的应用需求。本专利技术中的上支撑层5、下支撑层2可以采用Si或者Si3N4等材料。基底1内具有空腔。内部电极区13、外部电极区12以及内部电极区13、外部电极区12所在区域的上支撑层5和下支撑层2均向同一方向产生应力形变。为了增加灵敏度，应力形变可以是在支撑层顶面形成的内凹面，参照图4，内凹面凹向基底，与所受的外部压力P0方向一致，增加灵敏度；参照图3，应力形变也可以是在支撑层顶面形成的凸起，凸起呈弧形。优选向外呈弧形的凸起的形变，能增加MEMS声传感器灵敏度和耐水压能力，因为凸起与传感器所受的外部压力方向相反，凸起可以抵消掉部分由于外部压力产生的变形，从而增加传感器正常工作时的最大外部压力，有利于该结构在更深的水环境、或受更大外部压力的环境中工作。本专利技术中的下支撑层2与基底1可以采用相键合的方式结合，也可以采用其他方式结合，下支撑层2之上的所有结构包括上压电层4、下压电层3和上支撑层5可以通过生长的方式得到，则上压电层4、下压电层3和上支撑层5之间由应力形变，使得内部电极区、外部电极区以及内部电极区、外部电极区所占的上支撑层5本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种压电式MEMS声传感器，包括基底(1)、内部电极区(13)及外部电极区(12)，外部电极区(12)位于内部电极区(13)的外围，其特征在于，所述内部电极区(13)与外部电极区(12)均包括由上至下层叠的顶电极、上压电层(4)、中间电极、下压电层(3)和底电极；内部电极区(13)中的顶电极、中间电极和底电极与外部电极区(12)中的顶电极、中间电极和底电极彼此间隔；在基底的顶部设置有下支撑层(2)，内部电极区(13)及外部电极区(12)均位于下支撑层(2)上，在内部电极区(13)及外部电极区(12)的顶面均设置有上支撑层(5)。/n

【技术特征摘要】
1.一种压电式MEMS声传感器，包括基底(1)、内部电极区(13)及外部电极区(12)，外部电极区(12)位于内部电极区(13)的外围，其特征在于，所述内部电极区(13)与外部电极区(12)均包括由上至下层叠的顶电极、上压电层(4)、中间电极、下压电层(3)和底电极；内部电极区(13)中的顶电极、中间电极和底电极与外部电极区(12)中的顶电极、中间电极和底电极彼此间隔；在基底的顶部设置有下支撑层(2)，内部电极区(13)及外部电极区(12)均位于下支撑层(2)上，在内部电极区(13)及外部电极区(12)的顶面均设置有上支撑层(5)。


2.根据权利要求1所述的一种压电式MEMS声传感器，其特征在于：内部电极区(13)、外部电极区(12)以及内部电极区(13)、外部电极区(12)所在区域的上支撑层(5)和下支撑层(2)均向同一方向产生应力形变。


3.根据权利要求2所述的一种压电式MEMS声传感器，其特征在于：所述应力形变在支撑层顶面形成的凸起。


4.根据权利要求2所述的一种压电式MEMS声传感器，其特征在于：所述应力形变在支撑层顶面形成的内凹面。


5.根据权利要求3所述的一种压电式MEMS声传感器，其特征在于：所述凸起呈...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴鹏程，曾怀望，张永平，焦文龙，
申请(专利权)人：联合微电子中心有限责任公司，
类型：发明
国别省市：重庆;50