TWI850161B

TWI850161B - 積層壓電元件及應用其之微機電揚聲器

Info

Publication number: TWI850161B
Application number: TW112147106A
Authority: TW
Inventors: 朱聖緣; 李承穎; 蔡震哲; 何翊甄
Original assignee: 國立成功大學
Priority date: 2023-12-04
Filing date: 2023-12-04
Publication date: 2024-07-21
Also published as: TW202525123A

Abstract

一種積層壓電元件，包含半導體基板、積層壓電結構、第一連接電極及第二連接電極。積層壓電結構包含複數個依序堆疊的壓電積層膜。各壓電積層膜包含第一電極層、第一壓電層、第二電極層及第二壓電層。第一電極層與第二電極層分別包含第一連接圖案及第二連接圖案，第一連接圖案與第二連接圖案的垂直投影不重疊。積層壓電結構包含第一開孔及第二開孔，分別曝露出各壓電積層膜之第一連接圖案、第二連接圖案的一部分。第一連接電極及第二連接電極分別位於第一開孔及第二開孔中，連接各第一電極層及第二電極層。

Description

積層壓電元件及應用其之微機電揚聲器

本揭露涉及壓電材料領域，尤其是一種積層壓電元件及應用其之微機電揚聲器。

現今技術透過半導體製程，能夠將許多元件微小化。現有以半導體技術製作壓電元件，可以應用在感測器、微機電揚聲器等，可以感測微小的震動，並將震動轉換成電信號。

然而，相較於傳統塊材製作的壓電元件，現有以半導體技術製作壓電元件考量後續的接線，採用階梯狀的結構，已露出部分的正極、負極，但也因此使得整體向上堆疊的厚度受到限制。但也因為受限於厚度，難以增加較大的驅動電壓，在使用上較為受限，尤其在應用在揚聲器時，在聲壓增益，尤其在高頻段的音頻上表現不佳。

在此，本揭露提供一種積層壓電元件。在一些實施例中，積層壓電元件包含半導體基板、積層壓電結構、第一連接電極、以及第二連接電極。積層壓電結構位於半導體基板上，且包含複數個壓電積層膜。各壓電積層膜依序堆疊，且各壓電積層膜由下至上依序包含第一電極層、第一壓電層、第二電極層及第二壓電層。

第一電極層包含第一電極線路圖案及第一連接圖案，第一連接圖案連接第一電極線路圖案。第一壓電層覆蓋第一電極層。第二電極層位在第一壓電層上，且包含第二電極圖案及第二連接圖案，第二連接圖案連接第二電極圖案。第二壓電層覆蓋第二電極層。壓電積層膜最下方的一者，其第一電極層位於半導體基板上，其餘壓電積層膜的第一電極層位於第二壓電層上。壓電積層膜的第一連接圖案的垂直投影彼此重疊、第二連接圖案的垂直投影彼此重疊，第一連接圖案與第二連接圖案的垂直投影完全不重疊。積層壓電結構包含第一開孔及第二開孔，第一開孔及第二開孔分別曝露出各壓電積層膜之第一連接圖案的一部分，以及各壓電積層膜之第二連接圖案的一部分。

第一連接電極位於第一開孔中，連接各第一電極層，將各第一電極層並聯。第二連接電極位於第二開孔中，連接各第二電極層，將各第二電極層並聯。

在一些實施例中，壓電積層膜的面積相同。

在一些實施例中，壓電積層膜的數量大於五。更較佳地，在一些實施例中，壓電積層膜的數量大於八。

在一些實施例中，第一壓電層與第二壓電層係選自鋯鈦酸鉛(Pb(ZrTi)O ₃， PZT)、鈦酸鋇(BaTiO ₃)、鈦酸鉛(PbTiO ₃)及氮化鋁(AlN)所構成之群組。

在一些實施例中，半導體基板為矽基板。進一步地，矽基板與積層壓電結構之間更包含二氧化矽層。

在一些實施例中，第一電極層及第二電極層為鉑、銅、鋁所構成之群組。

進一步地，壓電積層膜最下方的一者的第一電極層與半導體基板之間，更包含鈦(Ti)層。

在此，還提供在一種微機電壓電揚聲器。一些實施例中，微機電壓電揚聲器包含前述實施例所述之積層壓電元件。

如同前述各實施例所示，透過設計第一連接圖案及第二連接圖案於不同側，透過鑽孔技術，在側邊透過第一連接電極將第一連接圖案彼此連接、透過第二連接電極將第二連接圖案彼此連接。如此，不必在積層堆疊時預留電極的開口，能夠達到多層堆疊的效果，而能在作為微機電揚聲器時，在聲壓增益上有更好的表現。

應當理解的是，元件被稱為「設置」於另一元件時，可以表示元件是直接位另一元件上，或者也可以存在中間元件，透過中間元件連接元件與另一元件。相反地，當元件被稱為「直接設置在另一元件上」或「直接設置到另一元件」時，可以理解的是，此時明確定義了不存在中間元件。

另外，術語「第一」、「第二」、「第三」這些術語僅用於將一個元件、部件、區域、層或部分與另一個元件、部件、區域、層或部分區分開，而非表示其必然的先後順序。此外，諸如「下」和「上」的相對術語可在本文中用於描述一個元件與另一元件的關係，應當理解，相對術語旨在包括除了圖中所示的方位之外的裝置的不同方位。例如，如果一個附圖中的裝置翻轉，則被描述為在其他元件的「下」側的元件將被定向在其他元件的「上」側。此僅表示相對的方位關係，而非絕對的方位關係。

圖1為積層壓電元件的爆炸分解圖。圖2為積層壓電元件的局部剖面放大圖。圖3為積層壓電元件的局部剖面圖。依據圖1至圖3的實施例所示，積層壓電元件1包含半導體基板10、積層壓電結構20、第一連接電極40、以及第二連接電極50。積層壓電結構20位於半導體基板10上，且包含複數個壓電積層膜30。各壓電積層膜30依序堆疊，且各壓電積層膜30由下至上依序包含第一電極層31、第一壓電層33、第二電極層35及第二壓電層37。為了更加清楚呈現所欲強調的連接關係，圖2及圖3省略部分的元件。

第一電極層31包含第一電極線路圖案311及第一連接圖案313，第一連接圖案313連接第一電極線路圖案311。換言之，第一電極線路圖案311與第一連接圖案313是在顯影、蝕刻階段共同製作。第一壓電層33覆蓋第一電極層31。第二電極層35位在第一壓電層33上，且包含第二電極圖案351及第二連接圖案353，第二連接圖案353連接第二電極圖案351。第二壓電層37覆蓋第二電極層35。在此，第一壓電層33與第二壓電層37阻絕第一電極層31與第二電極層35之間的電氣導通，通常採用的材料是第一壓電層與第二壓電層係選自鋯鈦酸鉛(Pb(ZrTi)O ₃， PZT)、鈦酸鋇(BaTiO ₃)、鈦酸鉛(PbTiO ₃)及氮化鋁(AlN)。

壓電積層膜30最下方的一者，其第一電極層31位於半導體基板10上，其餘壓電積層膜30的第一電極層31位於下方之壓電積層膜30第二壓電層37上。在此，壓電積層膜30中的第一連接圖案313的垂直投影彼此重疊、第二連接圖案353的垂直投影彼此重疊，第一連接圖案313與第二連接圖案353的垂直投影完全不重疊。

積層壓電結構20包含第一開孔21及第二開孔23，由積層壓電結構20的頂部貫穿至底部。第一開孔21及第二開孔23分別曝露出各壓電積層膜30之第一連接圖案313的一部分，以及各壓電積層膜30之第二連接圖案353的一部分。第一連接電極40位於第一開孔21中，連接各第一電極層31的第一連接圖案313，以將各第一電極層31並聯。第二連接電極50位於第二開孔23中，連接各第二電極層35的第二連接圖案353，將各第二電極層35並聯。換言之，透過第一連接圖案313及第二連接圖案353引線到不同側，透過鑽孔技術，在側邊透過第一連接電極40將第一連接圖案313彼此連接、透過第二連接電極50將第二連接圖案353彼此連接。如此，不必在每一個積層壓電結構20預留電極的開口，能夠達到多層堆疊的效果。

基於上述實施例的結構，各壓電積層膜30的面積相同。如此，在製作的光罩設計可以更加簡便。另外，在一些實施例中，壓電積層膜30的數量大於五，較佳地，壓電積層膜30的數量大於八。如此，對於製作微機電壓電揚聲器可以達到更佳的聲壓增益。

在此參見圖1及圖2，半導體基板10為矽基板。進一步地，為了晶格的匹配，半導體基板10與積層壓電結構20之間更包含二氧化矽層11。

在一些實施例中，第一電極層31及第二電極層35為鉑、銅、或鋁。進一步地，為了晶格匹配，減少缺陷，壓電積層膜30最下方的一者的第一電極層31與半導體基板10之間，更包含鈦層60。

圖4為應用積層壓電元件之微機電壓電揚聲器與傳統微機電壓電揚聲器在自由音場下的波頻比較圖。圖5為應用積層壓電元件之微機電壓電揚聲器與傳統微機電壓電揚聲器在壓力音場下的波頻比較圖。

在此，實驗例是在本案圖1所示，堆疊五層壓電積層膜30的結構，作為微機電揚聲器。比較例是傳統的微機電揚聲器。圖4及圖5是在自由音場及壓力音場下，對100 Hz至20kHz的頻率範圍內進行實際的量測，對實驗例所施加的驅動電壓為5 Vrms的交流電壓，而對比較力施加的電壓是15 Vrms的交流電壓。在此，是預期應用積層壓電元件之微機電壓電揚聲器中的積層結構的電極並聯的貢獻，能提供更低的驅動電壓。

在此，在波頻譜圖中，可見應用積層壓電元件之微機電壓電揚聲器的高頻表現較佳，同時，無論是在自由音場或是壓力音場下，應用積層壓電元件之微機電壓電揚聲器都有較佳的聲學表現。積層結構在自由音場下最高可達69.9 dB，而比較例僅能達到38.7 dB，聲壓增益約30倍。另外，應用積層壓電元件之微機電壓電揚聲器在壓力音場下最高可達91.5 dB，單層結構最高可達72.6 dB，聲壓增益約10倍。

綜上所述，在一些實施例中，透過設計第一連接圖案313及第二連接圖案353於不同側，透過鑽孔技術，在側邊透過第一連接電極40將第一連接圖案313彼此連接、透過第二連接電極50將第二連接圖案353彼此連接。如此，不必在每一個積層堆疊時預留電極的開口，能夠達到多層堆疊的效果，而能在作為微機電揚聲器時，在聲壓增益上有更好的表現。

雖然本揭露的技術內容已經以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭露之精神所作些許之更動與潤飾，皆應涵蓋於本揭露的範疇內，因此本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1:積層壓電元件 10:半導體基板 11:二氧化矽層 20:積層壓電結構 21:第一開孔 23:第二開孔 30:壓電積層膜 31:第一電極層 311:第一電極線路圖案 313:第一連接圖案 33:第一壓電層 35:第二電極層 351:第二電極圖案 353:第二連接圖案 37:第二壓電層 40:第一連接電極 50:第二連接電極 60:鈦層

圖1為積層壓電元件的爆炸分解圖。圖2為積層壓電元件的局部剖面放大圖。圖3為積層壓電元件的局部剖面圖。圖4為應用積層壓電元件之微機電壓電揚聲器與傳統微機電壓電揚聲器在自由音場下的波頻比較圖。圖5為應用積層壓電元件之微機電壓電揚聲器與傳統微機電壓電揚聲器在壓力音場下的波頻比較圖。

1:積層壓電元件

10:半導體基板

11:二氧化矽層

20:積層壓電結構

21:第一開孔

23:第二開孔

30:壓電積層膜

31:第一電極層

311:第一電極線路圖案

313:第一連接圖案

33:第一壓電層

35:第二電極層

351:第二電極圖案

353:第二連接圖案

37:第二壓電層

40:第一連接電極

50:第二連接電極

60:鈦層

Claims

一種積層壓電元件，包含：一半導體基板；一積層壓電結構，位於該半導體基板上，包含複數個壓電積層膜，各該壓電積層膜依序堆疊，且各該壓電積層膜由下至上依序包含：一第一電極層，包含一第一電極線路圖案及一第一連接圖案，該第一連接圖案連接該第一電極線路圖案；一第一壓電層，覆蓋該第一電極層；一第二電極層，位在該第一壓電層上，包含一第二電極圖案及一第二連接圖案，該第二連接圖案連接該第二電極圖案；以及一第二壓電層，覆蓋該第二電極層，其中該等壓電積層膜最下方的一者，其該第一電極層位於該半導體基板上，其餘之該等壓電積層膜的該第一電極層，位於該第二壓電層上，該等壓電積層膜的該第一連接圖案的垂直投影彼此重疊、該等壓電積層膜的該第二連接圖案的垂直投影彼此重疊，且該第一連接圖案與該第二連接圖案的垂直投影完全不重疊，該積層壓電結構包含一第一開孔及一第二開孔，該第一開孔及該第二開孔分別曝露出各該壓電積層膜之該第一連接圖案的一部分，以及各該壓電積層膜之該第二連接圖案的一部分；一第一連接電極，位於該第一開孔中，連接各該第一電極層，將各該第一電極層並聯；以及一第二連接電極，位於該第二開孔中，連接各該第二電極層，將各該第二電極層並聯。
如請求項1所述之積層壓電元件，其中該等壓電積層膜的面積相同。
如請求項1所述之積層壓電元件，其中該等壓電積層膜的數量大於五。
如請求項3所述之積層壓電元件，其中該等壓電積層膜的數量大於八。
如請求項1所述之積層壓電元件，其中該第一壓電層與該第二壓電層係選自鋯鈦酸鉛(Pb(ZrTi)O ₃， PZT)、鈦酸鋇(BaTiO ₃)、鈦酸鉛(PbTiO ₃)及氮化鋁(AlN)所構成之群組。
如請求項1所述之積層壓電元件，其中該半導體基板為一矽基板。
如請求項6所述之積層壓電元件，其中該矽基板與該積層壓電結構之間更包含一二氧化矽層。
如請求項6所述之積層壓電元件，其中該第一電極層及該第二電極層係選自鉑、銅、鋁所構成之群組。
如請求項8所述之積層壓電元件，其中在該等壓電積層膜最下方的一者的該第一電極層與該半導體基板之間，更包含一鈦(Ti)層。
一種微機電壓電揚聲器，包含如請求項1至9任一項所述之積層壓電元件。