[發明專利]一種高靈敏度壓電式硅麥克風及其制備方法

有效

• 申請號: 201210583725.9
• 申請日: 2012-12-28
• 公開（公告）號: CN103067838A
• 公開（公告）日: 2013-04-24
• 發明（設計）人: 繆建民
• 申請（專利權）人: 繆建民
• 主分類號: H04R17/00
• 分類號: H04R17/00;H04R31/00
• 代理公司: 無錫市大為專利商標事務所 32104
• 代理人: 殷紅梅

技術領域

本發明涉及一種高靈敏度壓電式硅麥克風及其制備方法，屬于硅麥克風技術領域。

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）技術與工藝的發展，特別是基于硅芯片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硅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，形成電容結構。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，壓電層的應變使電極產生電荷，后接CMOS放大器便可將將該電信號放大輸出，不需要電容式硅麥克風的偏置電壓。相對于電容式硅麥克風，壓電式硅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

本發明的目的是克服現有技術中存在的不足，提供一種壓電式硅麥克風及其制備方法，以提高壓電式微型硅麥克風的靈敏度。

按照本發明提供的技術方案，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構，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0.5～1μm。所述過渡層的材質為ZrO2，壓電功能層的材質為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。

所述的高靈敏度的壓電式硅麥克風的制備方法，包括如下步驟：

a、提供硅基基底；

b、在基底上生成一層彈性支撐層；

c、在基底上生成壓電薄膜部分的過渡層；

d、在基底上生成壓電薄膜部分的壓電功能層；

e、在基底上形成第一電極、第一電極引線、第一電極端子、第二電極、第二電極引線和第二電極端子，第一電極和第二電極成雙螺旋結構；

f、在基底底部刻蝕孔貫穿基底；

g、在第一電極和第二電極之間施加電壓，使得壓電薄膜部分的壓電功能層面內極化。

所述過渡層的材質為ZrO2，采用sol-gel法沉積，采用0.4mol/L的ZrO2溶液以3000rpm旋涂30s，后經450℃熱解1分鐘，在700℃快速退火1分鐘，最后在700℃下退火3小時，所得過渡層的厚度為0.3μm。

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，所述壓電功能層采用sol-gel法沉積，采用0.75mol/L的PZT溶液以1500rpm旋涂30s，后經450℃熱解1分鐘，然后在700℃快速退火1分鐘；重復以上sol-gel法沉積，最終所得壓電功能層的厚度為1～2μm。

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。

本發明的優點：目前國內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d33通常比d31大一倍左右，故本發明的壓電式硅麥克風，采用雙螺旋電極設計，使得壓電薄膜沿面內極化，利用壓電薄膜的d33模式，提高了壓電式硅麥克風的靈敏度。

附圖說明

圖?1為本發明的正面三維結構示意圖。

圖?2為本發明的反面三維結構示意圖。