专利名称：压电mems麦克风的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及压电麦克风，并且更具体地涉及压电MEMS麦克风及构造此类 麦克风以满足特定最终使用应用需求的设计技术。
背景技术：
微机电系统(MEMS)技术的进步使用硅片沉积技术使得诸如麦克风之类的声换能 器得到发展。通过这种方式制造的麦克风一般称之为MEMS麦克风并可被制成各种形式，例 如使用诸如PZT、&iO、PVDF、PMN-PT或AlN之类的材料的压电麦克风或电容性麦克风。MEMS 电容性麦克风及驻极体电容式麦克风(ECM)被用在消费电子器件中，并相对典型压电MEMS 麦克风具备以下优势它们具有更大的灵敏度和更低的底噪。然而，这些较普遍存在的技术 中的每一种都有自己的缺陷。对于标准ECM，它们通常不能使用典型的无铅焊料工艺(一般 用于所有其它附着到印刷电路板的微芯片)被安装到印刷电路板。常用于手机中的MEMS电 容性麦克风相对昂贵，其部分原因是使用了专用集成电路(ASIC)来提供用于麦克风的读出 电路。MEMS电容性麦克风还具有比典型压电MEMS麦克风更小的动态范围。各种已知的压电和电容性MEMS麦克风的底噪示于图1。如通过麦克风的两个环绕 组所指示的那样，电容性MEMS麦克风(下面的一组)的底噪一般比类似尺寸的压电MEMS麦 克风低约20 dB。已知的压电MEMS麦克风已被制作为悬臂梁(beam)或隔板(diaphragm)，并且这些 麦克风包括电极和压电材料这二者以及结构材料例如用作隔板或梁衬底材料的聚对二甲 苯或硅。用于悬臂设计的聚对二甲苯的优点在于其可被用来增加梁的厚度，从而增加了梁 带宽(对于固定长度)和到压电材料中性轴的距离这二者，后者似乎增加了灵敏度。例如，约 20 μ m的梁衬底是已知的，见Ledermarm [15]。对于使用聚对二甲苯隔板的压电MEMS麦 克风，已使用了更薄的层。见例如美国专利第6，857，501号和Niu [10]。注意到的是本 文中属于其它作者的各种参考文件是对说明书结尾指明的著作和期刊的引用，它们在此仅 提供用于对本文一些教导的非实质主题加以支持或作为背景技术。每个引用的文献在此以 引用方式并入。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种压电MEMS麦克风，包括衬底和多层声传感 器，该传感器具有至少三层，包括第一电极层、沉积在第一电极层之上的压电材料中间层、 以及沉积在压电材料之上的第二电极层。该传感器被尺寸定制(dimension)为使得多层传 感器的输出能量对传感器面积之比率是对于给定输入压力、带宽、及压电材料而言可获得 的最大比率的至少10%。根据本发明的另一个方面，提供了一种压电MEMS麦克风，包括衬底和多层声传感 器，该传感器具有至少三层，包括第一电极层、沉积在第一电极层之上的压电材料中间层、 以及沉积在压电材料之上的第二电极层。传感器被尺寸定制为使得根据下述方程计算的最优化参数(optimization parameter)是对于该传感器而言最大可获得最优化参数的至少 10%,
V^c 2
Optimisation Parameter=-■ f
P1Atm(S)
其中VMt是传感器的输出电压，C是传感器电容，/^是输入压力d是传感器面积， tan(S)是在传感器的第一谐振频率处传感器的介电损耗角，并且是第一谐振频率。根据本发明的另一个方面，提供了一种压电MEMS麦克风，包括硅衬底和多个梁， 每个梁一端由衬底支撑，以使得每个梁是悬臂式的并在固定端和自由端之间延伸。每个梁 包括电极材料的沉积层和覆盖电极材料的压电材料的沉积层。梁中的至少一些被堆叠，以 使得堆叠的梁包括沉积电极材料和沉积压电材料的交替层，在它们之间没有额外的层。根据本发明的再一个方面，提供了一种压电MEMS麦克风，包括衬底和在衬底上方 悬挂(suspend)的应力消除(stress-relieved)隔板。隔板包括多层声传感器，该传感器具 有至少三层，包括第一电极层、沉积在第一电极层之上的压电材料中间层、以及沉积在压 电材料之上的第二电极层。能够以任何合适的方式获得应力消除隔板，例如通过沿隔板的 基本全部周边(periphery)从衬底分离隔板，并允许根据需要使隔板膨胀或收缩以释放残 余应力。然后，可通过任何合适技术使隔板在其周边附近重新附着到衬底。
将结合附图在下文中描述本发明的一个或多个优选示例性实施例，其中相同的附 图标记指示相同的元件，并且在附图中
图1是各种已知MEMS麦克风的噪声电平对传感器面积的绘图； 图2是描绘隔板残余应力对压电MEMS麦克风的输出能量影响的绘图； 图3a是根据本发明一个方面构建的梁悬臂压电MEMS麦克风传感器的顶视图； 图北描述了来自图3a的麦克风传感器的两对相对的梁的截面图； 图3c示出了交替梁层和它们的尺寸，用于为示于图北中堆叠的梁的性能建模； 图4描绘了连接到放大电路的图3a的麦克风的示意图，示出了该电路的阻抗建模； 图5是用于压电声传感器的典型噪声曲线的绘图； 图6描绘了梁锥化(taper)对图3a的传感器的输出能量的影响； 图7描绘了包括一个或多个聚对二甲苯层的影响，其中示出了层厚度对压电MEMS麦克 风传感器的输出能量的影响；
图8是示出不同电极材料是如何对压电MEMS麦克风传感器的能量输出产生影响的绘
图9a-9d描绘了用于制作图北的传感器的处理步骤；
图10是图3a的制造的传感器的显微镜图片；
图11是使用图3a的传感器的压电MEMS麦克风的图片；
图12示出了图11的麦克风的频率响应的绘图13是图11的麦克风的梁挠度轮廓(deflection profile)的绘图14是图11的麦克风的测量和预测的灵敏度和底噪的绘图；图15是归一化输出能量的绘图，归一化输出能量作为图3a示出类型的悬臂梁的电极 长度的函数；
图16是示出了系数 /33的退化(degradation)的绘图，系数 /33来自AlN压电材料的压 电耦合系数矩阵；
图17是示出了介电损耗角tan(S)的退化的绘图； 图18是示出了作为电极层厚度的函数的Mo电阻率的绘图19是压电层厚度和系数屯之间的关系的绘图，系数J31来自AlN压电材料的压电耦 合系数矩阵；
图20是示出了作为AlN层厚度的函数的介电损耗角的绘图； 图21描绘了计算的最优化参数，其作为用于单个(非堆叠)悬臂梁的Mo底部电极层厚 度的函数；
图22描绘了计算的最优化参数，其作为用于单个(非堆叠)悬臂梁的AlN中间层厚度的 函数；
图23描绘了计算的最优化参数，其作为用于单个(非堆叠)悬臂梁的Mo上部电极层厚 度的函数；
图M描绘了计算的最优化参数，其作为用于5层(堆叠)悬臂梁的Mo底部和顶部电极 层厚度的函数；
图25描绘了计算的最优化参数，其作为用于5层(堆叠)悬臂梁的AlN中间层厚度的函
数；
图26描绘了计算的最优化参数，其作为用于5层(堆叠)悬臂梁的Mo中部电极层厚度 的函数；
图27a是根据本发明一个方面构建的隔板压电MEMS麦克风传感器的顶视图； 图27b是沿图27a的B-B线所截取的部分截面图；以及
图观是根据本发明构建的压电MEMS麦克风的预期底噪的绘图，示出了它们与已知的 压电和电容性MEMS麦克风比起来怎么样。
具体实施例方式下述说明书针对满足最优化准则的压电MEMS麦克风的各种实施例，所述最优化 准则可以下述不同方式中的一个或多个来确定。典型的压电MEMS麦克风被设计为最优化麦克风的灵敏度，并且这至少部分地导 致上述这些装置的所增加的底噪。如下文所述，通过对于给定输入压力、带宽、及压电材料 而言最优化输出能量对传感器面积之比率，压电MEMS麦克风可被构建得对典型应用具有 足够的灵敏度，还具有与电容性MEMS麦克风相近的底噪。这种方法对于高质量膜是有效 的。但是，当膜厚度减小时，膜质量将退化。在本文描述的替换性方法中将计入这个因素，该 替换性方法使用的计算的最优化参数仍然是传感器能量对面积之比率，但还包括装置的损 耗角、压力、及固有频率(其限制了带宽)。通过在计算的比率中增加这些参数，该替换性方 法计入了这些参数的影响，而不是将它们视为常数。因此，如本领域技术人员将意识到的， 将结合两种不同可用方法来描述下述实施例，两种不同可用方法用于确定最优或接近最优 的传感器设计1)对于给定(恒定)输入压力、带宽、及压电材料直接计算输出能量对传感器
6面积之比率，以及2)计入装置的损耗角、压力、固有频率(其限制了带宽)来计算最优化参 数。该最优化参数可以使用下式来确定。
权利要求
1.一种压电MEMS麦克风，包括衬底；以及多层声传感器，其包括至少三层，所述至少三层包含第一电极层、沉积在所述第一电极 层之上的压电材料中间层、以及沉积在所述压电材料之上的第二电极层；其中，所述传感器被尺寸定制为使得所述多层传感器的输出能量对传感器面积之比率 是对于给定输入压力、带宽、及压电材料而言可获得的最大比率的至少10%。
2.一种压电MEMS麦克风，包括衬底；以及多层声传感器，其包括至少三层，所述至少三层包含第一电极层、沉积在所述第一电极 层之上的压电材料中间层、以及沉积在所述压电材料之上的第二电极层；其中，所述传感器被尺寸定制为使得根据以下方程计算的最优化参数是对于所述传感 器而言最大可获得最优化参数的至少10%
3.根据权利要求2所述的压电MEMS麦克风，其中所述第一和第二电极层及所述中间 层合起来具有不大于8 μm的厚度。
4.根据权利要求2所述的压电MEMS麦克风，其中所述第一和第二电极层及所述中间 层合起来具有不大于2 μm的厚度。
5.根据权利要求2所述的压电MEMS麦克风，其中所述中间层包括直接沉积到所述第 一电极层表面上的压电材料层，并且所述第二电极层包括直接沉积到所述压电材料表面上 的电极材料层。
6.根据权利要求2所述的压电MEMS麦克风，进一步包括具有连接到所述电极层的控 制输入的晶体管，以使得在所述控制输入上接收到的来自所述传感器的信号被所述晶体管 放大。
7.根据权利要求2所述的压电MEMS麦克风，其中所述多层声传感器包括在所述衬底 上方悬挂的应力消除隔板。
8.根据权利要求7所述的压电MEMS麦克风，其中所述隔板在所述隔板的周界附近附 着到所述衬底，并且使所述周界的第一部分附着到所述衬底作为所述层中至少一层到所述 衬底上的直接沉积，并且通过将所述周界的第二部分分离粘合到衬底上而使所述第二部分 附着到所述衬底。
9.根据权利要求8所述的压电MEMS麦克风，其中所述第一和第二电极层包括相应的 第一和第二电极，它们居中地位于所述隔板上并包括在所述第一部分延伸到所述衬底的引 线轨迹。
10.根据权利要求9所述的压电MEMS麦克风，其中所述传感器还包括第三和第四电极，其中所述第三电极被布置在所述压电材料之下，并具有包围着所述第一电极的环状或带状形 状同时与所述第一电极电绝缘；并且所述第四电极被布置在所述压电材料之上与所述第三 电极重叠的区域中，所述第四电极包围着所述第二电极同时与所述第二电极电绝缘。
11.根据权利要求10所述的压电MEMS麦克风，其中所述第一和第四电极电连接在一 起，并且所述第二和第三电极电连接在一起。
12.根据权利要求7所述的压电MEMS麦克风，其中所述隔板覆盖有绝缘层，并且其中 所述麦克风包括压力均衡端口，由此所述麦克风包括水听器。
13.根据权利要求2所述的压电MEMS麦克风，其中所述传感器包括多个梁，每个梁一 端由所述衬底支撑，以使得每个梁是悬臂式的并在固定端和自由端之间延伸，每个梁都包 括所述电极和中间层。
14.根据权利要求13所述的压电MEMS麦克风，其中所述梁的至少两个被定位为使得 每个梁的自由端彼此相对并且以不大于3 μm的间隙分隔开。
15.根据权利要求13所述的压电MEMS麦克风，其中相邻梁以不大于10ym的间隙分 隔开。
16.根据权利要求13所述的压电MEMS麦克风，其中所述多个梁包括多个堆叠的梁集 合，每个堆叠的梁集合包括至少五个电极材料和压电材料的交替层。
17.根据权利要求13所述的压电MEMS麦克风，其中所述梁被朝向它们的自由端锥化， 以使得所述梁在其自由端的宽度窄于在其悬臂端的宽度。
18.根据权利要求13所述的压电MEMS麦克风，其中所述梁覆盖有绝缘材料，由此所述 麦克风包括水听器。
19.一种压电MEMS麦克风，包括硅衬底；多个梁，每个梁一端由所述衬底支撑，以使得每个梁是悬臂式的并在固定端和自由端 之间延伸，每个梁包括电极材料的沉积层和覆盖所述电极材料的压电材料的沉积层；其中所述梁中的至少一些被堆叠，以使得所堆叠的梁包括沉积电极材料和沉积压电材 料的交替层，在它们之间没有额外的层。
20.根据权利要求19所述的压电MEMS麦克风，其中所述压电材料层中的每一个都具 有不大于2 μ m的厚度。
21.根据权利要求19所述的压电MEMS麦克风，其中所述压电材料包括选自包括以下 项的组中的材料PZT、ZnO, PVDF, PNMPC,以及Α1Ν。
22.—种压电MEMS麦克风，包括衬底；以及在所述衬底上方悬挂的应力消除隔板，所述隔板包括多层声传感器，所述多层声传感 器具有至少三层，包括第一电极层、沉积在所述第一电极层之上的压电材料中间层、以及 沉积在所述压电材料之上的第二电极层。
23.根据权利要求22所述的压电MEMS麦克风，其中所述隔板在所述隔板的周界附近 附着到所述衬底，其中所述周界的第一部分被附着到所述衬底作为所述层中至少一层到所 述衬底上的直接沉积，并且所述周界的第二部分通过将所述第二部分分离粘合到衬底上而 被附着到所述衬底。
全文摘要
包括多层传感器的压电MEMS麦克风，该传感器包括位于两个电极层之间的至少一个压电层，该传感器被尺寸定制为使得其提供了接近最大化的输出能量对传感器面积之比率，最大化的输出能量对传感器面积之比率通过计入了输入压力、带宽、及压电和电极材料特征的最优化参数来确定。该传感器可由单独的或以小间隙彼此分隔开的堆叠悬臂梁组成，或者可以是以下方式形成的应力消除隔板通过沉积到硅衬底上，然后通过将隔板基本与衬底分离来对隔板进行应力消除，并接下来重新附着现在的经应力消除的隔板。
文档编号H04R17/00GK102138338SQ200980133397
公开日2011年7月27日 申请日期2009年6月30日 优先权日2008年6月30日
发明者K·格罗什, R·J·利特雷尔 申请人:密执安大学评议会