专利名称：压电声换能器及其制造方法
技术领域：
—个或多个实施例涉及一种压电声换能器(piezoelectric acoustictransducer)以及制造该压电声换能器的方法。
背景技术：
压电声换能器利用压电现象在声能和电能之间进行转换。压电声换能器的例子包 括将电能转换为声能的微型扬声器以及将声能转换为电能的麦克风。 例如，压电声换能器包括振动板，在振动板中，第一电极、压电层和第二电极堆叠 在膜片(di即hragm)上，其中，压电声换能器通过将电压施加到第一和第二电极来使压电 层膨胀或收縮，以使振动板振动。这些压电声换能器可以使振动板振动，而不需要使用另外 的磁体或驱动线圈。因此，与诸如电动扬声器(electro-dynamic speaker)的音圈型声换 能器相比，压电声换能器的结构更简单。 随着诸如移动电话或个人数字助理(PDA)的小型电子装置的发展，用于使小型电 子装置中使用的声换能器小型化的技术也已发展。在这一方面，具有简单结构的压电声换 能器容易小型化。在利用微机电系统(MEMS)使硅晶片上的压电声换能器小型化的技术中， 可用半导体制造工艺来制造压电声换能器，因此制造成本可减少。此外，可在单个芯片中包 括多个电路，因此声器件可被小型化。 可以以相对简单的工艺来制造压电声换能器，并且压电声换能器会易于小型化。 然而，在这些压电声换能器中，声输出(acoustic output)或灵敏度比音圈型声换能器中的 低。
发明内容
—个或多个实施例可包括一种能够被小型化并且具有高声输出的压电声换能器 及其制造方法。 另外的方面将在下面的描述中被部分地阐述，并且部分地将通过描述而明显，或 者通过实施例的实践而了解。 —个或多个实施例可包括一种压电声换能器，包括基底，形成有穿孔区域；压电 部分，位于穿孔区域的中间部分中，并且包括压电层以及设置在压电层的两侧的第一电极 和第二电极；变形层，连接到压电部分的外周和基底，并且变形层是可弹性变形的，其中，压 电部分的平面变形被传递给变形层，或者变形层的变形被传递给压电部分，以使得变形层 与压电部分一起振动。另外，第一电极可形成在压电层的下侧比压电层小的区域中，第二电 极可形成在压电层的上侧比压电层小的区域中，变形层可从基底的外边缘延伸超过第二电 极的边缘。 —个或多个实施例可包括一种压电声换能器，包括基底，形成有穿孔区域；变形 层，位于穿孔区域的中间部分中，并且变形层可以是可弹性变形的；压电部分，连接变形层 的外周与基底，使得压电部分的平面变形可被传递给变形层，或者变形层的变形被传递给
4压电部分，以使得压电部分与变形层一起振动，压电部分可包括压电层以及设置在压电层 的两侧的第一电极和第二电极。此外，第一电极可形成在压电层的下侧比压电层小的区域 中，并且可延伸超过变形层的外周，第二电极可形成在压电层的上侧比压电层小的区域中， 压电部分可从基底的内边缘延伸至超过变形层的外边缘。 压电部分的几何中心面可位于与变形层的几何中心面不同的平面上。 所述压电声换能器还可包括压电部分绝缘层，设置在压电层与第一电极之间，或
者设置压电层与第二电极之间，或者设置压电层与第一电极之间以及压电层与第二电极之间。 所述压电声换能器还可包括第一电极端子和第二电极端子，通过第一电极端子 和第二电极端子将电压施加到第一电极和第二电极，第一电极端子和第二电极端子设置在 基底的上侧；第一引线和第二引线，分别将第一电极和第二电极连接到第一电极端子和第 二电极端子。 所述压电声换能器还可包括基底绝缘层，设置在基底的上侧与第一电极端子之
间以及基底的上侧与第二电极端子之间。
变形层可由聚对二甲苯或氧化硅形成。压电层可由Zn0、AlN、PZT、PbTi03或PLT形成。 第一电极和第二电极可由从由Cr、Au、Cu、Al、Mo、Ti和Pt及其任何混合物组成的 组中选择的至少一种金属形成。 压电声换能器可以是微型扬声器或麦克风。 —个或多个实施例可包括一种制造压电声换能器的方法，该方法包括在基底上 形成包括第一电极、第一引线和第一电极端子的第一电极部分；在第一电极上形成压电层； 在压电层上形成第二电极，并在基底上形成包括第二引线和第二电极端子的第二电极部 分；在基底的没有形成压电层的区域中形成变形层；对基底的形成有压电层和变形层的下 部进行蚀刻，以形成膜片。 压电层可形成在基底的预定区域中，变形层可部分地形成在基底的形成有压电层 的所述预定区域中，并部分地形成在基底的没有形成压电层的所述预定区域的外围区域 中。 变形层可形成在基底的预定区域中，压电层可部分地形成在基底的形成有变形层 的所述预定区域中，并部分地形成在基底的没有形成变形层的所述预定区域的外围区域 中。 所述方法还可包括在形成第一电极部分之前，在基底上形成绝缘层。
压电层的几何中心面可位于与变形层的几何中心面不同的平面上。
通过下面结合附图对实施例的描述，这些和/或其他方面将会变得清楚并更容易 理解，其中 图1示出根据实施例的压电声换能器的平面图； 图2A至图2C是根据其它实施例的分别沿线A-B、C-D和C_0_A截取的图1所示的 压电声换能器的剖视 图3A至图4B示出根据实施例的图1的压电声换能器的操作；
图5示出根据另一实施例的图1的压电声换能器的变形；
图6示意性地示出根据另一实施例的压电声换能器； 图7A至图7D是示出根据实施例的制造图1的压电声换能器的方法的示图。
具体实施例方式
现在将详细说明实施例，其示例示出于附图中，在附图中，相同的标号始终表示相
同的元件。在这一方面，实施例可以有不同的形式，并且不应被解释为限于这里所阐述的描
述。因此，以下在附图中参照并描述的实施例意在解释本发明的多个方面。 图1示出根据实施例的压电声换能器100的平面图，图2A至图2C是根据其它实
施例的分别沿线A-B、 C-D和C-0-A截取的图1所示的压电声换能器的剖视图。 参照图1以及图2A至图2C，根据当前实施例的压电声换能器100包括基底110，
形成有穿孔区域110a ;压电部分，位于穿孔区域110a的中心部分；变形层130，连接压电部
分的外周与基底IIO。 基底110可由一般材料，例如硅、玻璃等形成。基底110包括穿孔区域110a。穿孔 区域110a释放(release)压电部分和变形层130，以限定膜片(di即hragm)区域D，这将在 稍后进行描述。穿孔区域110a可以形成为例如圆形。图l所示的参考标号100-1表示膜 片区域D的边界。 压电部分位于穿孔区域110a的中间部分中。图1所示的参考标号100-3表示压 电部分的外周的边界。 压电部分具有压电电容结构，该结构包括压电层150以及设置在压电层150两侧 的第一电极171和第二电极181。 第一电极171连同第一引线172和第一电极端子173 —起形成第一电极部分170。 第一电极端子173被设置在压电部分的外周的外侧，第一引线172将第一电极171与第一 电极端子173电连接。第一电极部分170可由从下述组中选择的至少一种材料形成所述 组由Cr、Au、Cu、Al、Mo、Ti和Pt及其任何混合物组成。例如，第一电极部分170可形成为 单层或者多金属层，如Cr/Au、Au/Cu、Al、Mo和Ti/Pt。 压电层150可形成为覆盖第一电极171。换言之，压电层150可形成在第一电极 171上，且比第一电极171略宽，以使得第一电极171和第二电极181可以彼此绝缘。压电 层150可由一般压电声换能器中使用的压电材料，如ZnO、AlN、PZT、PbTi03或PLT形成。
第二电极181连同第二引线182和第二电极端子183 —起形成第二电极部分180。 第二电极端子183被设置在压电部分的外周的外侧，第二引线182将第二电极181与第二 电极端子183电连接。第二电极部分180可形成为单层或者多金属层，如Cr/Au、Au/Cu、Al、 Mo和Ti/Pt。第二电极181可以比压电层150略小。第一电极171和第二电极181可以关 于被置于第一电极171和第二电极181之间的压电层150彼此对称。图1所示的压电部分 的外周的边界100-3成为压电层150的外周的边界，标号100-4表示第一电极171和第二 电极181的外周的边界。 变形层130连接压电部分的外周与基底110，并且是可弹性变形的。变形层 130可从基底的外边缘延伸超过第二电极181的边缘。变形层130可由诸如聚对二甲苯(parylene)或低应力非化学计量氮化硅(SixNy)的材料形成。变形层130可由具有小弹性 模量和低残余应力的材料形成，从而可以改善低频音频带宽中的特性。
变形层130包括基底接合部分131、变形部分132和压电部分接合部分133。基底 接合部分131设置在基底110上。在图1中，膜片区域D的边界100-1成为基底接合部分 131的内边界。第一电极端子173和第二电极端子183所在的基底接合部分131的区域是 敞开的，以使得可以从外部与第一电极端子173和第二电极端子183电接触。变形部分132 和压电部分接合部分133设置在基底110的穿孔区域110a中。压电部分接合部分133与 压电层150的外周以及第二电极181的外周接触，并支撑释放的压电部分。图1中所示的 参考标号100-5表示压电部分接合部分133的内边缘。如上所述，第二电极181形成为略 小于压电层150，压电层150的外周和第二电极181的外周呈阶梯，以使得用于将压电部分 接合部分133与压电层150以及第二电极181结合的力可增大。变形部分132连接基底接 合部分131与压电部分接合部分133，并且可以自由地、弹性地变形。变形部分132不延伸 到压电部分接合部分133的内边缘100-5，因此第二电极181可被暴露于外部。
变形层130形成为相对于压电层150具有预定高度差H。在这一方面，所述高度 差H对应于变形层130的几何中心面P2与压电层150的几何中心面Pl之间的距离。换言 之，压电层150的平面变形力的中心线(见图3A的Fl或图4A的F3)形成在与变形层130 的几何中心面P2不同的平面上。以动态的观点来看变形层130，当以尺寸进行比较时，基底 接合部分131和压电部分接合部分133是可忽略的，因此变形部分132的几何中心面可被 定义为变形层130的几何中心面P2。同时，除了第一电极171和第二电极181之外，在压电 层150上没有堆叠其它层。当第一电极171和第二电极181关于它们之间的压电层150对 称时，压电层150膨胀或收縮，而不弯曲。此外，压电层150的横向尺寸远大于其纵向尺寸。 因此，压电层150的压电变形主要发生在压电层150沿平面方向膨胀或收縮时。换言之，当 电压被施加到第一电极171和第二电极181时，在压电层150中产生使压电层150膨胀或 收縮的平面变形力。压电层150的平面变形力的中心线所在的平面被定义为压电层150的 几何中心面Pl。第一电极171的厚度可形成为与变形层130的厚度相比不可忽略，以使得 变形层130相对于压电层150具有预定高度差H。 还可在第一电极171和第二电极181中的至少一个与压电层150之间设置压电部 分绝缘层。 可在第一电极端子173以及第二电极端子183与基底IIO之间设置基底绝缘层
120。例如，当基底110由导电材料(如硅)形成时，基底绝缘层120使基底IIO与第一电
极端子173以及第二电极端子183之间的部分电绝缘。图1所示的参考标号100-2表示基
底绝缘层120的内边界。如果基底110具有绝缘性质，则可省略基底绝缘层120。 接下来，将参照图3A至图4B描述根据当前实施例的压电声换能器100的操作。 图3A和图3B示出当预定电压被施加到压电层150时，由于压电层150的平面膨
胀导致的膜片的运动。 如上所述，由于变形层130的几何中心面P2与压电层150的几何中心面Pl彼此 不一致，所以在压电层150中产生的膨胀变形力Fl不与变形层130的反作用力F2产生在 同一条线上。这样，膨胀变形力Fl起到使变形部分132围绕中心点C逆时针Rl扭曲的扭 矩的作用。结果，如图3B所示，压电部分向下运动。
图4A和图4B示出当预定电压被施加到压电层150时，由于压电层150的平面收 縮导致的膜片的运动。 如上所述，由于变形层130的几何中心面P2与压电层150的几何中心面Pl彼此 不一致，所以在压电层150中产生的收縮变形力F3不与变形层130的反作用力F4产生在 同一条线上。这样，收縮变形力F2起到使变形部分132围绕中心点C顺时针R2扭曲的扭 矩的作用。结果，如图4B所示，压电部分向上运动。 如上所述，随着压电层150膨胀或收縮，变形部分132弯曲，从而包括压电部分的 膜片向上或向下振动。根据压电声换能器100的振动机制，变形层130仅在膜片的外周中 被使用，以使得结构刚性可减小，并且可期望低电压驱动下的上下振动。换言之，在根据当 前实施例的压电声换能器100中，压电部分的压电变形力不引起压电部分的直接弯曲，而 是用作关于变形层130的扭矩，从而可改善膜片的振动特性。 在上述实施例中，变形层130的几何中心面P2与压电层150的几何中心面P1彼此 不一致。然而，实施例不限于此。例如，即使变形层130的几何中心面P2与压电层150的 几何中心面P1彼此一致，当压电层150的残余应力和变形层130的残余应力不产生在同一 平面上时，变形层130的几何中心面P2与压电层150的几何中心面Pl的弯曲轴(bending axis)不一致，并且产生偏心压縮力或张力，变形层130也可弯曲。 已经在电压被施加到第一电极171和第二电极181时的情况下(即，微型扬声器 的情况下)解释了根据上述实施例的压电声换能器100的操作。然而，压电层150的电能 和压电变形能的转换可以被相反地执行。因此，本领域普通技术人员足以理解的是，根据当 前实施例的压电声换能器100可被用在将外部振动转换为电能的麦克风中。
图5示出根据另一实施例的图1的压电声换能器100的变形。参照图5，根据当前 实施例的压电声换能器101还包括设置在压电层150和第二电极181之间的压电部分绝缘 层185。因此，可防止在大功率的压电声换能器101的压电层150中可能发生的绝缘破坏。
图6示意性地示出根据另一实施例的压电声换能器200。 参照图6，根据当前实施例的压电声换能器200包括基底210，形成有穿孔区域 210a ;变形层230，位于穿孔区域210a的中间部分；压电部分，连接变形层230的外周与基 底210。 基底210的穿孔区域210a限定膜片，并且可形成为例如圆形。 变形层230包括变形部分231和压电部分接合部分233。变形部分231随着压电
部分的膨胀或收縮而弯曲。压电接合部分233将变形部分231与压电部分结合。 压电部分从基底210的内边缘开始向着变形层230的外周形成。压电部分可从基
底210的内边缘延伸至超过变形层230的外边缘。压电部分具有压电电容结构，该结构包
括压电层250以及设置在压电层250的两侧的第一电极271和第二电极281。变形层230
的几何中心面P2'和压电层250的几何中心面Pl'具有高度差H'。第一电极271连同第一
引线(未示出)和第一电极端子273 —起形成第一电极部分270，第二电极281连同第二引
线282和第二电极端子283 —起形成第二电极部分280。基底绝缘层220被置于基底210
与第一电极端子273以及第二电极端子283之间。 图6的压电声换能器200的振动机制与图1的压电声换能器100的振动机制基本 相同。换言之，如图1中一样，随着电压被施加到压电层250，在压电层250中产生使压电层
8250膨胀或收縮的平面变形力。在压电层250中产生使压电层250膨胀或收縮的平面变形 力，由于变形层230的几何中心面P2'和压电层250的几何中心面Pl'之间的高度差H'，该 平面变形力用作使变形部分231扭曲的扭矩，这样，构成膜片的变形层230和压电部分向上 或向下振动。 接下来，将描述根据实施例的制造压电声换能器的方法。图7A至图7D是示出根 据实施例的制造压电声换能器100的方法的示图。 参照图7A，首先，制备基底110。在基底110的预定区域中形成基底绝缘层120。 当硅基底用作基底110时，氧化硅(Si02)被沉积在基底110的整个表面上，然后被图案化， 从而在基底110的预定区域中形成基底绝缘层120。 接下来，参照图7B，利用沉积工艺(如溅射或蒸镀)形成单层或多金属层，如Cr/ Au、 Au/Cu、 Al、 Mo和Ti/Pt。然后，所述单层或多金属层被图案化，以形成第一电极171、第 一引线172和第一电极端子173，从而形成第一电极部分170。接着，在第一电极171上堆 叠压电层150。压电层150被形成为覆盖第一电极171，以使得压电层150比第一电极171 宽。由ZnO、AlN、PZT、PbTi03或PLT形成的压电层150可通过溅射或旋涂(spin coating) 被沉积，然后可被部分地蚀刻。接着，利用单层或多金属层(如Cr/Au、Au/Cu、Al、Mo和Ti/ Pt)来形成包括第二电极181、第二引线182 (见图2B)和第二电极端子183 (见图2B)的第 二电极部分180。可利用沉积和蚀刻工艺或者剥离(lift-off)工艺来形成第二电极部分 180。第二电极181形成为比压电层150小。 接下来，参照图7C，聚对二甲苯或氮化硅被沉积在压电层150以及第一电极部分 170和第二电极部分180上，聚对二甲苯或氮化硅薄层的部分区域130a和130b被选择性地 蚀刻，从而形成变形层130。例如，可通过使用光致抗蚀剂作为蚀刻掩模的02等离子体蚀刻 来选择性地蚀刻聚对二甲苯薄层。第一电极171可形成为与变形层130的厚度相比不可忽 略的厚度，以使得变形层130相对于压电层150具有预定高度差H。 接下来，参照图7D，通过以下方式在基底110的后表面形成膜片区域D :蚀刻基底 110的后表面，直到压电部分的底表面和变形层130的底表面的部分被暴露为止，从而在基 底110中形成穿孔区域110a。基底110(例如，硅基底)的后表面可通过Si深度感应耦合 等离子体反应离子蚀刻(inductivccoupled plasma reactive ion etching, ICP RIE)来 蚀刻。以这样的方式，变形层130和压电部分被释放，从而形成膜片。 如上所述，根据上述实施例中的一个或多个，仅在膜片的外周中使用低残余应力 的聚对二甲苯或低应力非化学计量氮化硅(SixNy)，以使得结构刚度可减小，并且可期望低 电压驱动下的大变形。 另外，根据上述实施例中的一个或多个，可提供能够小型化并且具有高声输出的 压电声换能器。另外，可实现低电压驱动型压电声换能器，并且可在低频音频带宽中提供足 够的语音压力(voice pressure)。 应该理解的是，这里描述的实施例应该被理解为仅是说明性目的，而非出于限制 性目的。每一实施例中的特征或方面的描述通常应该被认为是对其它实施例中的其它相似 特征或方面可用。
权利要求
一种压电声换能器，包括基底，在基底中形成有穿孔区域；压电部分，位于穿孔区域的中间部分中，该压电部分包括压电层，第一电极，设置在压电层的第一侧，第二电极，设置在压电层的第二侧；变形层，能够弹性变形，并且连接压电部分的外周与基底，其中，压电部分的平面变形被传递给变形层，或者变形层的变形被传递给压电部分，以使得变形层与压电部分一起振动。
2. 如权利要求1所述的压电声换能器，其中，第一电极形成在压电层的下侧并在比压 电层小的区域中，第二电极形成在压电层的上侧并在比压电层小的区域中，变形层从基底 的外边缘延伸超过第二电极的边缘。
3. —种压电声换能器，包括 基底，在基底中形成有穿孔区域；变形层，位于穿孔区域的中间部分中，并且能够弹性变形； 压电部分，连接变形层的外周与基底，其中，压电部分的平面变形被传递给变形层，或者变形层的变形被传递给压电部分，以 使得压电部分与变形层一起振动， 其中，压电部分包括 压电层；第一电极，设置在压电层的第一侧； 第二电极，设置在压电层的第二侧。
4. 如权利要求3所述的压电声换能器，其中，第一电极形成在压电层的下侧并在比压 电层小的区域中，并且延伸超过变形层的外周，第二电极形成在压电层的上侧并在比压电 层小的区域中，压电部分从基底的内边缘延伸至超过变形层的外边缘。
5. 如权利要求1至4中任一项所述的压电声换能器，其中，压电部分的几何中心面在与 变形层的几何中心面不同的平面上。
6. 如权利要求1至4中任一项所述的压电声换能器，所述压电声换能器还包括压电 部分绝缘层，设置在压电层与第一电极之间，或者设置压电层与第二电极之间，或者设置压 电层与第一电极之间以及压电层与第二电极之间。
7. 如权利要求1至4中任一项所述的压电声换能器，所述压电声换能器还包括 第一 电极端子和第二电极端子，通过第一 电极端子和第二电极端子将驱动电压施加到第一电极和第二电极，第一电极端子和第二电极端子设置在基底的上侧；第一引线和第二引线，分别将第一电极和第二电极连接到第一电极端子和第二电极端子。
8. 如权利要求7所述的压电声换能器，所述压电声换能器还包括基底绝缘层，设置在 基底的上侧与第一电极端子之间以及基底的上侧与第二电极端子之 间。
9. 如权利要求1至4中任一项所述的压电声换能器，其中，变形层由聚对二甲苯和氧化 硅中的至少一种形成。
10. 如权利要求1至4中任一项所述的压电声换能器，其中，压电层由Zn0、 A1N、 PZT、 PbTi03和PLT中的至少一种形成。
11. 如权利要求1至4中任一项所述的压电声换能器，其中，第一电极和第二电极由从 由Cr、 Au、 Cu、 Al、Mo、 Ti和Pt及其任何混合物组成的组中选择的至少一种金属形成。
12. 如权利要求1至4中任一项所述的压电声换能器，其中，压电声换能器是微型扬声 器或麦克风。
13. —种制造压电声换能器的方法，该方法包括 形成第一电极部分，包括 形成在基底上的第一电极， 形成在基底上的第一引线， 形成在基底上的第一电极端子； 在第一电极上形成压电层； 在压电层上形成第二电极；形成包括形成在基底上的第二引线和形成在基底上的第二电极端子的第二电极部分；在基底的没有形成压电层的区域中形成变形层； 对基底的形成有压电层和变形层的下部进行蚀刻，以形成膜片。
14. 如权利要求13所述的方法，其中，在基底的预定区域中形成压电层，部分地在基底 的形成有压电层的所述预定区域中并且部分地在基底的没有形成压电层的所述预定区域 的外围区域中形成变形层。
15. 如权利要求13所述的方法，其中，在基底的预定区域中形成变形层，部分地在基底 的形成有变形层的所述预定区域中并且部分地在基底的没有形成变形层的所述预定区域 的外围区域中形成压电层。
16. 如权利要求13所述的方法，所述方法还包括在形成第一电极部分之前，在基底上 形成绝缘层。
17. 如权利要求13至16中任一项所述的方法，其中，压电层的几何中心面在与变形层 的几何中心面不同的平面上。
全文摘要
本发明提供一种压电声换能器及其制造方法。在该压电声换能器中，压电部分形成在膜片的一部分中，变形层形成在膜片的另一部分中。压电部分的变形被传递给变形层，或者变形层的变形被传递给压电部分，以使得变形层与压电部分一起振动。
文档编号H04R17/00GK101754077SQ200910224400
公开日2010年6月23日 申请日期2009年12月2日 优先权日2008年12月19日
发明者郑秉吉, 郑锡焕, 金东均 申请人:三星电子株式会社