CN110337056A - 一种高密度指向性压电电声换能器阵列的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高密度指向性压电电声换能器阵列的制作方法，其中一个单元制作方法为：硅片晶圆的上表面依次沉积下电极、下层压电、中间电极、上层压电、上电极薄膜形成双层压电薄膜层结构；将双层压电薄膜层结构进行纵向光刻将双层压电薄膜层结构分为左中右三个部分；左部分双层压电薄膜光刻并刻蚀至露出下电极薄膜；右部分双层压电薄膜光刻并刻蚀至露出下中间电极薄膜；生成的三个部分的上表面进行沉积金属电连接薄膜并图形化制作打线；将中间部分的硅片晶圆进行正面腐蚀释放形成带有倾角的空腔部分。本方法相对于背面刻蚀技术，单元两侧的最小间距可以缩的更小，从而增加了阵列微电声换能器的单元密度，从而增强了电声换能器的指向性。
Description
技术领域
本发明涉及电声换能器领域，具体涉及一种高密度指向性压电电声换能器阵列的制作方法。
背景技术
随着对诸如欣赏音乐、电影和参加电话、视频会议等声频需求的增长，电声设备变得越来越定位于娱乐化和商业化。传统的电声设备，如普通音箱、手机外放等，都具有一个共同点：直接传输，即通过直接激励空气分子运动，来产生可听声波。但在公共场所使用这些电声设备，会带来了一定的个人隐私和噪音污染问题。即使是用有线或无线耳机解决这些问题，然而佩戴耳机又会造成耳朵的不适感和行走不方便。
因此，发展一种能够实现声音定向传播的声频定向电声换能器，对保护人们隐私和防止噪音污染有很大帮助。与传统的电声设备相比，声频定向电声换能器则是采用完全不同的技术在空气中间接地产生可听声波。该技术发射经调制的定向超声波信号到空气中,通过在超声波波束方向上的空气分子和超声波的交互作用来产生低频可听声。因为产生低频可听声的交互作用仅存在于高指向性的超声波束中，即实现了可听声的定频传播。
声频定向型电声换能器可以安装在手机中，在驾驶汽车时，驾驶员不必手持手机或佩戴耳机就可以通话，有利于安全驾驶；在公共场合通过手机收听音频、视频节目的使用者，不必佩戴耳机就可以拥有良好的视听体验，而不会干扰到他人。这些使用需求使得声频定向微电声换能器有着非常广阔的应用前景。声频定向电声换能器系统主要由超声微电声换能器、前置放大器和数字信号处理(DSP)三部分组成。声频定向电声换能器的数字信号处理部分与普通声频定向电声换能器的差别不太大，前置放大器也部分得益于当今集成电路的发展，没有太多区别。而超声微电声换能器部分就完全不同了，因为电声换能器尺寸大大减小又要求具有可观的输出声压，所以需要借助微机电系统(micro-electromechanicalsystem，简称MEMS)技术来制备微电声换能器，本专利主要目的是使用MEMS技术提出一种高密度指向性压电电声换能器阵列及其制作方法。
发明内容
1.所要解决的技术问题：
针对上述的技术问题，本发明提出一种高密度指向性压电电声换能器阵列的制作方法，制作出的压电电声换能器能够提高电声换能器的输出声压以及减小电声换能器的尺寸。
2.技术方案：
一种高密度指向性压电电声换能器阵列的制作方法：所述高密度指向性压电电声换能器阵列由多个高密度指向性压电电声换能器单元组成的阵列，所述高密度指向性压电电声换能器单元制作方法包括以下步骤：
步骤一：选取硅片晶圆；
步骤二：在硅片晶圆的上表面依次沉积下电极薄膜、下层压电薄膜、中间电极薄膜、上层压电薄膜、上电极薄膜共5层薄膜，形成双层压电薄膜层结构；
步骤三：将步骤二中生成的双层压电薄膜层结构进行光刻并刻蚀；具体为将双层压电薄膜层结构纵向光刻并刻蚀至硅片晶圆上表面；将步骤二产生的双层压电薄膜层结构分为左中右三个部分，即左部分双层压电薄膜、中间部分双层压电薄膜以及右部分双层压电薄膜；步骤三中硅片晶圆不予光刻并刻蚀；
步骤四：对左部分双层压电薄膜进行水平方向的光刻并刻蚀至露出下电极薄膜；对右部分双层压电薄膜进行水平方向的光刻并刻蚀至露出下中间电极薄膜；
步骤五：将步骤四中生成的三个部分的上表面进行沉积金属电连接薄膜，并图形化制作打线PAD；
步骤六：将中间部分双层压电薄膜的底部的硅片晶圆进行正面腐蚀释放，形成带有倾角的空腔部分。
进一步地，所述硅片晶圆的尺寸为4寸或者6寸或者8寸或者12寸；所述晶圆为普通硅片或者SOI硅片。
进一步地，所述下电极薄膜、中间电极薄膜、上电极薄膜的材质为具备欧姆接触并可导电的金属、金属氧化物或者非金属导体。
进一步地，所述下电极薄膜、中间电极薄膜、上电极薄膜的材质为金属铂、金、铝。
进一步地，上层压电薄膜与下层压电薄膜的材质为具备压电效应的材料。
进一步地，上层压电薄膜与下层压电薄膜的材质为锆钛酸铅或氮化铝氧化锌或三元系或二元系掺杂的锆钛酸铅、石英。
3.有益效果：
(1)本发明的电声换能器仅采用普通硅片，利用双层压电薄膜互为弹性体，同时又可以作为双层敏感层使用。通过正面释放技术形成空腔，相对于背面刻蚀技术，单元两侧的最小间距可以缩的更小，从而增加了阵列微电声换能器的单元密度，从而增强了电声换能器的指向性。
(2)本发明的电声换能器采用的双层压电薄膜能够增强微电声换能器的灵敏度。
(3)本发明的电声换能器并能够采用普通硅片作为衬底，节省了芯片的制造成本。
附图说明
图1为传统MEMS压电微电声换能器结构示意图；
图2为一种高密度指向性压电电声换能器阵列中的一个单元的正视图；
图3为一种高密度指向性压电电声换能器阵列一个单元的制作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体的说明。
人耳能听到的声音频率范围在20Hz至20kHz，声压范围在20uPa至100kPa，最低的声压限制在1kHz下的20uPa。对于器件设计要求，在1kHz频率和1m距离下声压级要达到40dB。例如对于一个拥有255个单元的MEMS压电微电声换能器来说，我们需要首先计算出单个单元所需要达到的声压级，从而得到需要达到的声压，再推算出单元所需要的振幅。
根据心理声学，如果最小互调失真在20kHz，就需要采样率达到40kHz。对于不同声音频率下的声压级有，
SPLf＝20000＝SPLf＝1000+20lg(f半采样率/f＝1000)
对于255个单元的MEMS压电微电声换能器，有
SPL255＝SPLf＝20000＝40dB+20lg(20000/10000)＝66Db
多个单元的SPL可以表达为，
SPLn＝20lg(P·n/P0)
其中，P为产生的声压，P0为最小声压20uPa。因此，单个单元的MEMS压电微电声换能器需要达到的声压级为，
SPL1＝SPL255-20lg255＝17.87dB
因此，单个MEMS压电微电声换能器所需要产生的声压P1是，
P1＝P0·10SPL1/20＝156.5uPa
MEMS压电微电声换能器采用压电悬臂梁驱动中心平板产生声压的方式，产生的声压和压电驱动悬臂梁振幅、平板面积和频率等因素有关，有
P＝√2·π·ρ·S·ε·f2/r
其中，ρ是空气密度，S是换能器平板面积，根据器件需要设置成半径为150um的圆形，ε是悬臂梁振幅，r是目标接收声音的距离。考虑单个MEMS压电微电声换能器所需要产生的声压，则可推算出压电驱动悬臂梁振幅，有
ε＝P·r/(√2·π·ρ·S)＝2.5um
因此，要使一个拥有255个单元的MEMS压电微电声换能器在1kHz频率和1m距离下声压级要达到40dB，在确定换能器发声圆形平板半径在150um的条件下，需要压电驱动悬臂梁振幅达到2.5um。通过该条件结合压电材料的压电系数d31设计多梁微结构，就可以满足器件的需求。
如附图1为传统MEMS压电微电声换能器的结构图，该电声换能器采用SOI硅片衬底A1作为压电弹性层，简单的单层压电薄膜结构作为敏感层以及背面刻蚀技术释放空腔形成薄膜，使传感器在电驱动下振动并工作。图1中，A1为SOI硅片的底硅层和顶硅层，A2为SOI硅片的BOX层，A3为上下电极层，A4为金属Pad层，A5为PZT压电材料。其工作原理为：整个结构加工在绝缘体上硅衬底(Silicon on Insulator，SOI)上，通过有中间层(即黏合层，adhensive layer)的接合技术使PZT(也可以是AlN或者是ZnO)与SOI衬底结合在一起。SOI是指在一绝缘衬底上再形成一层单晶硅薄膜，或者是单晶硅薄膜被一绝缘层(通常是SiO2)从支撑的硅衬底中分开这样结构的材料、这种材料结构可实现制造器件的薄膜材料完全与衬底材料的隔离，相比普通硅衬底SOI衬底具有寄生效应小、速度快、功耗低和集成度高等诸多优点。当在PZT层的上下电极加上电压后，根据逆压电效应，PZT会在横向(对d31横向振动模式而言)产生应变，发生一定的伸长或缩短，由于PZT受与其接合在一起的较厚的硅弹性层及边界的约束，使PZT带动硅弹性层一起发生弯曲，从而使薄膜产生纵向振动，在空气介质中，这种纵向振动就会产生(超)声波。
由图1中可以发现，传统MEMS压电微电声换能器结构背面空腔为倒梯形，形成电声换能器阵列时，两个单元的间距会受背腔结构影响而不可避免的增大，使得指向性较差。此外，单层压电薄膜灵敏度也较低，采用SOI硅片的成本也相对较高。
如附图3所示，一种高密度指向性压电电声换能器阵列的制作方法，所述高密度指向性压电电声换能器阵列由多个高密度指向性压电电声换能器单元组成的阵列；所述高密度指向性压电电声换能器单元制作方法包括以下步骤：
步骤一：选取硅片晶圆1；
步骤二：在硅片晶圆的上表面依次沉积下电极薄膜2、下层压电薄膜3、中间电极薄膜4、上层压电薄膜5、上电极薄膜6共5层薄膜，形成双层压电薄膜层结构；
步骤三：将步骤二中生成的双层压电薄膜层结构进行光刻并刻蚀；具体为将双层压电薄膜层结构纵向光刻并刻蚀至硅片晶圆上表面；将步骤二产生的双层压电薄膜层结构分为左中右三个部分，即左部分双层压电薄膜、中间部分双层压电薄膜以及右部分双层压电薄膜；步骤三中硅片晶圆1不予光刻并刻蚀；
步骤四：对左部分双层压电薄膜进行水平方向的光刻并刻蚀至露出下电极薄膜2；对右部分双层压电薄膜进行水平方向的光刻并刻蚀至露出下中间电极薄膜4；
步骤五：将步骤四中生成的三个部分的上表面进行沉积金属电连接薄膜，并图形化制作打线PAD7；
步骤六：将中间部分双层压电薄膜的底部的硅片晶圆进行正面腐蚀释放，形成带有倾角的空腔部分。
进一步地，所述硅片晶圆的尺寸为4寸或者6寸或者8寸或者12寸；所述晶圆为普通硅片或者SOI硅片。
进一步地，所述下电极薄膜2、中间电极薄膜4、上电极薄膜6的材质为具备欧姆接触并可导电的金属、金属氧化物或者非金属导体。
进一步地，所述下电极薄膜、中间电极薄膜、上电极薄膜的材质为金属铂、金、铝。
进一步地，所述下层压电薄膜的材质为具备压电效应的材料。
进一步地，所述下层压电薄膜的材质为锆钛酸铅或氮化铝氧化锌或三元系或二元系掺杂的锆钛酸铅、石英。
如附图2所示为采用本发明提供的方法加工出的电声换能器的一个单元的结构图。其中1为硅片晶圆；2为下电极薄膜；3为下层压电薄膜；4为中间电极薄膜；5为上层压电薄膜；6为上电极薄膜；7为上电极薄膜。当对PZT层的上下电极施加交变电压后，根据逆压电效应，PZT会在横向(d31横向振动模式)和纵向(d33纵向振动模式)产生周期的应变，调节交变电压的频率，使其接近于PZT的固有频率，就能使PZT层产生较大幅度的振动，进而在空气介质中产生(超)声波。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。
Claims (6)
1.一种高密度指向性压电电声换能器阵列的制作方法，所述高密度指向性压电电声换能器阵列由多个高密度指向性压电电声换能器单元组成的阵列；其特征在于：所述高密度指向性压电电声换能器单元制作方法具体包括以下步骤：
步骤一：选取硅片晶圆；
步骤二：在硅片晶圆的上表面依次沉积下电极薄膜、下层压电薄膜、中间电极薄膜、上层压电薄膜、上电极薄膜共5层薄膜，形成双层压电薄膜层结构；
步骤三：将步骤二中生成的双层压电薄膜层结构进行光刻并刻蚀；具体为将双层压电薄膜层结构纵向光刻并刻蚀至硅片晶圆上表面；将步骤二产生的双层压电薄膜层结构分为左中右三个部分，即左部分双层压电薄膜、中间部分双层压电薄膜以及右部分双层压电薄膜；步骤三中硅片晶圆不予光刻并刻蚀；
步骤四：对左部分双层压电薄膜进行水平方向的光刻并刻蚀至露出下电极薄膜；对右部分双层压电薄膜进行水平方向的光刻并刻蚀至露出下中间电极薄膜；
步骤五：将步骤四中生成的三个部分的上表面进行沉积金属电连接薄膜，并图形化制作打线PAD；
步骤六：将中间部分双层压电薄膜的底部的硅片晶圆进行正面腐蚀释放，形成带有倾角的空腔部分。
2.根据权利要求1所述的一种高密度指向性压电电声换能器阵列的制作方法，其特征在于：所述硅片晶圆的尺寸为4寸或者6寸或者8寸或者12寸；所述晶圆为普通硅片或者SOI硅片。
3.根据权利要求1所述的一种高密度指向性压电电声换能器阵列的制作方法，其特征在于：所述下电极薄膜、中间电极薄膜、上电极薄膜的材质为具备欧姆接触并可导电的金属、金属氧化物或者非金属导体。
4.根据权利要求1所述的一种高密度指向性压电电声换能器阵列的制作方法，其特征在于：所述下电极薄膜、中间电极薄膜、上电极薄膜的材质为金属铂、金、铝。
5.根据权利要求1所述的一种高密度指向性压电电声换能器阵列的制作方法，其特征在于：上层压电薄膜与下层压电薄膜的材质为具备压电效应的材料。
6.根据权利要求1所述的一种高密度指向性压电电声换能器阵列的制作方法，其特征在于：上层压电薄膜与下层压电薄膜的材质为锆钛酸铅或氮化铝氧化锌或三元系或二元系掺杂的锆钛酸铅、石英。
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