專利名稱：一種高靈敏度壓電式硅麥克風的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種高靈敏度壓電式硅麥克風，屬于硅麥克風技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
麥克風能把人的語音信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號，廣泛應(yīng)用于手機，電腦，電話機，照相機及攝像機等。近三十年的MEMS (Microelectromechanical Systems)技術(shù)與工藝的發(fā)展，特別是基于硅芯片MEMS技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)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硅麥克風已開始產(chǎn)業(yè)化，在高端手機的應(yīng)用上，逐漸取代傳統(tǒng)的駐極體電容式麥克風。MEMS麥克風主要分為電容式硅麥克風和壓電式硅麥克風。電容式硅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(jié)構(gòu)。高靈敏的振動薄膜感受到外部的音頻聲壓信號后，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(zhuǎn)化成電壓信號的變化,再放大后變成電輸出。電容式硅麥克風制作工藝復(fù)雜，難度高，且需要專門的ASIC提供工作時的偏置電壓。壓電式硅麥克風由彈性支撐層、壓電層和電極組成，制作工藝簡單，當膜片感受到音頻聲壓信號后，壓電層的應(yīng)變使電極產(chǎn)生電荷，后接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。相對于電容式娃麥克風，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(guān)鍵指標靈敏度還較低。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種壓電式硅麥克風，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(shù)方案，一種高靈敏度壓電式硅麥克風，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(jié)構(gòu)，位于同一平面，制作于壓電功能層的上表面且位于孔的正上方。進一步的，所述彈性支撐層為熱氧化氧化硅，厚度為0.5 I μ m。所述過渡層的材質(zhì)為Zr02，壓電功能層的材質(zhì)為PZT。所述基底為硅基。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、第二電極端子均制作于壓電功能層的上表面。所述過渡層的材質(zhì)為Zr02，采用sol-gel法沉積，采用0.4mol/L的Zr02溶液以3000rpm旋涂30s，后經(jīng)450°C熱解I分鐘，在700°C快速退火I分鐘，最后在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(zhì)為PZT，具有壓電效應(yīng)，有應(yīng)變時在表面產(chǎn)生電荷，所述壓電功能層采用sol-gel法沉積，采用0.75mol/L的PZT溶液以1500rpm旋涂30s，后經(jīng)450°C熱解I分鐘，然后在700°C快速退火I分鐘；重復(fù)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、第二電極端子圖案采用lift-off工藝生成，或先沉積一層金屬電極材料層再用濕法刻蝕出所需圖案。本實用新型的優(yōu)點:目前國內(nèi)外研究的硅微壓電式麥克風主要采用壓電薄膜的d31模式，但壓電材料的壓電常數(shù)d33通常比d31大一倍左右，故本實用新型的壓電式硅麥克風，采用雙螺旋電極設(shè)計，使得壓電薄膜沿面內(nèi)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(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實用新型的反面三維結(jié)構(gòu)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(jié)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硅麥克風，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，其特征是: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(jié)構(gòu)，位于同一平面，制作于壓電功能層12的上表面且位于孔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均制作于壓電功能層12的上表面，材料為Cr/Au。電極部分位于同一平面內(nèi)，位于壓電功能層12的上表面，第一電極4和第二電極7成雙螺旋結(jié)構(gòu)，位于孔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，用于釋放彈性支撐層2，使得感受到聲壓信號時，彈性支撐層2能在縱向產(chǎn)生大的應(yīng)變，進而該應(yīng)變會傳遞給壓電薄膜部分10 ;本實用新型彈性支撐層2為氧化硅；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(zhì)為PZT，過渡層11的材質(zhì)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(jié)構(gòu)的壓電式硅麥克風，通過以下工藝步驟實現(xiàn)。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為熱氧化氧化硅，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(zhì)為ZrO2,采用sol-gel法沉積，采用0.4mol/L的ZrO2溶液以3000rpm旋涂30s，后經(jīng)450°C熱解I分鐘，在700°C快速退火I分鐘，最后在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(zhì)為PZT，具有壓電效應(yīng)，有應(yīng)變時可在表面產(chǎn)生電荷，所述壓電功能 層12采用sol-gel法沉積，采用0.75mol/L PZT溶液以1500rpm旋涂30s，后經(jīng)450°C熱解I分鐘，然后在700°C快速退火I分鐘。重復(fù)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圖案采用lift-off工藝生成或先沉積一層金屬電極材料層再用濕法刻蝕出所需圖案，第一電極4和第二電極7成雙螺旋結(jié)構(gòu)。f、在基底I上刻蝕出孔3。如圖10所示，采用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位于第一電極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(chǎn)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(nèi)極化。麥克風工作時，聲壓作用于壓電薄膜部分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(yīng)變變形，由于壓電功能層12的壓電效應(yīng)，壓電功能層12的表面產(chǎn)生電荷，從而電極感應(yīng)到相應(yīng)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(yīng)的聲音信號。[0042]壓電材料的壓電常數(shù)d33通常比d31大一倍左右，本實用新型采用雙螺旋電極結(jié)構(gòu)，使壓電功能層12面內(nèi)極化，從而壓電式硅麥克風工作時采用的是d33模式，從而可以大
大提1 麥克風的靈敏度 。
權(quán)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)，其特征是: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(jié)構(gòu)，位于同一平面，制作于壓電功能層(12)的上表面且位于孔(3)的正上方。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高靈敏度壓電式硅麥克風，其特征是:所述彈性支撐層(2)為熱氧化氧化硅,厚度為0.5 I μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高靈敏度壓電式硅麥克風，其特征是:所述過渡層(11)的材質(zhì)為ZrO2，壓電功能層(12)的材質(zhì)為PZT。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高靈敏度壓電式硅麥克風，其特征是: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)均制作于壓電功能層(12)的上表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高靈敏度壓電式硅麥克風，其特征是:所述基底(I)為硅基。
專利摘要本實用新型公開了一種高靈敏度壓電式硅麥克風，其壓電式硅麥克風包括基底、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，彈性支撐層覆蓋于基底表面，壓電薄膜部分位于彈性支撐層上，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，電極部分位于同一平面內(nèi)，位于壓電薄膜部分的上表面，兩電極為雙螺旋結(jié)構(gòu)，所述兩電極位于穿孔區(qū)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(xiàn)與放大電路的電連接。其優(yōu)點是本實用新型采用雙螺旋電極設(shè)計，使得壓電薄膜沿面內(nèi)極化，利用壓電薄膜的d33模式，提高了壓電式硅麥克風的靈敏度。
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(yōu)先權(quán)日2012年12月28日
發(fā)明者繆建民 申請人:繆建民