高振膜厚度与纹膜深度比的压电声学组件及制造方法与流程

本发明涉及压电声学组件，尤其涉及具高的振膜厚度与纹膜深度比的压电纹膜结构声学组件。微机电压电式声学组件，包含微机电压电式麦克风、微机电压电式扬声器及微机电压电式超音波感测器等。

背景技术：

1、常见压电声学组件原理有

2、扬声器原理：

3、电压—>电容变化—>压电材料产生应变输出—>振膜变形—>声压输出

4、麦克风原理：

5、声压—>振膜变形—>压电材料产生应力输出—>电容变化—>电压输出

6、较广泛使用在压电声学组件的硅芯片有二种，一是标准硅芯片，另一种则是绝缘体上硅(soi)芯片，在一般状况下会在标准硅芯片沉积一层衬垫牺牲氧化层后直接接堆叠所需的金属电极及压电材料层，而使用绝缘体上硅(soi)芯片时，会将其最上面上层硅层当作振膜的平面底层结构，无论是采用前述的何种芯片其堆叠方式皆是采用平面式的压电材料堆叠及定义，而另外使用在声学组件的压电材料，其厚度、杨氏模数及本质应力皆远比电容式麦克风的振膜高，因此振膜的刚性也会变得非常的高，因此不容易产生振膜挠曲变化，所以在绝缘体上硅芯片的上层硅层及压电材料本身的刚性都偏大的状况下，最后形成的压电振膜的柔度势必很差，所以压电材料在低频方面的转换输出就不足，因此现行的压电声学组件的研究及产品大都采用悬臂梁结构来试图改善这问题，但悬臂梁结构间的隙缝反而带着了低频压力泄漏的设计问题。总之，现有压电声学组件，无论是完全拘束的结构或是悬臂梁结构，无论是单层压电材料或者双层压电材料，皆采用传统的平面堆叠沉积方式，然后在压电层堆叠完成后，再由上而下分层定义或一次定义压电材料。

7、而悬臂梁结构间的间隙会造成先天性的低频泄漏问题，现今的压电声学组件之低频都在100hz以上，甚至大多免强仅能到200hz，完全达不到声学组件需求，遑论能达到电容式麦克风小于20hz的水准。

8、若使用完全拘束的结构，则振膜的刚性会变大，虽然可使用双层压电材料，并搭配上中下三层金属电极来并联双层压电材料作压电转换所产生的电容，但双层压电材料同样会造成结构刚性大幅上升，一来一往间可增加的效果就很有限了，只能增加振膜面积来增加振膜的柔度及有效的压电转换区域。

9、而本发明专利为了解决这个两难问题，除了使用振膜载体来承载上面堆叠的压电材料，如，多晶硅、无晶硅、氮化硅，氧化铝，金属等材料的振膜载体，所以无论是使用单层或双层压电材料，皆可在逐层压电材料上分层定义非连续的图形或局部大面积的蚀刻区域，此不仅同时利用双层压电并联电容来提高输出的优点，且同时因去除压电转换效率不佳的压电材料区域，可降低单层或双层厚压电振膜所带来的高刚性问题。同时，可依振膜受声压后的变形特性，选择最佳的应变-应力输出区域来定义压电材料及金属电极留存区域，除了可避免整片的压电振膜造成振膜刚性太大，变形量太差的问题，又可减少效率不高的区域也纳入计算，降低了灵敏度。此外，声学组件所需的静态压力平衡孔，或可称为振膜的声孔，可依低频截止频率的要求而另行定义一些适合的小面积开孔在振膜载体中，避免低频因设计产生过度的声压泄漏问题。最重要的是，在振膜载体形成前先定义纹膜结构，使后续形成的振膜，其整体柔度可以提高，又可避免使用悬臂梁结构。如前所述可以使用非压电材料来当振膜载体，但也可选择使用第一层压电材料本身来当载体，但先决条件为使用的振膜载体材料，无论是非压电材料或是压电材料皆不可以定义过大面积的开孔及不连续图形，前者会造成低频声压泄漏，后者将造成结构无任何承载而在释放后掉落。因振膜载体的使用，所以本发明采用立体纹膜结构，其金属与压电层依设计需求的不同，或依据不同的压电材料选择及限制，可弹性的选择由上往下逐层打开来分层定义或者是采用由下往上的传统半导体的分层定义方式，需额外需说明的，虽一般绝缘体上硅(soi)芯片的上层硅层在出厂时就已经成长好，所以无法使用绝缘体上硅芯片的上层硅层来形成所述的纹膜结构载体，除非是在出厂前就已经定义纹膜结构的特制化绝缘体上硅芯片。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有的微机电声学技术，包含电容式及压电式的缺陷和不足，降低低频截止频率、提升灵敏度及信噪比。所以主要目的为改善现行的悬臂梁结构式的压电声学振膜，其先天设计所存在的低频泄漏问题。而次要目的为改善因压电材料因厚度及初始应力皆较高，所以刚性太大，且材料先天特性倾向对高频有利，所以对低频不敏感，在避免悬臂梁结构先天的低频声压泄漏的前提下，利用纹膜结构来增加振膜的柔度，以使低频声压在推动声学振膜时所需的声压强度可大幅降低，提升振膜的变形量。此方法也可同时也进而改善低频灵敏度及信噪比。另外，当纹膜结构的声学振膜在声压作用时产生变形，所以在纹膜转折处附近产生较多的应力变化，因此利用此纹膜变形特性再搭配以适当的金属电极的配置，可提高声学组件的灵敏度及信噪比。而再次要目的为立体振膜结构存在所有转折处存在应力集中的破坏问题，所以本发明将底部牺牲层采特殊的分层沉积方式及分层定义的方式，来使得所有的振膜转折处由一般的蚀刻产生的锐角，皆能由底部的牺牲层转移大的转角弧度至振膜转折上。

2、高振膜厚度与纹膜深度比的压电纹膜结构声学组件，包括：利用纹膜结构，来增加振膜柔度及放大应变-应力输出，而振膜厚度与纹膜深度比的范围为1.5～6。

3、设计使用衬垫材料(多晶硅、非晶硅、氮化硅等)来当压电材料的载体，所以在其上面的压电材料因为下面有材料承载及封孔，因此可移除较低应变-应力输出处的压电材料，亦即可选择定义非连续的图形或局部大面积的蚀刻区域，以降低振膜的刚性再度提升振膜的应变-应力变化来增加压电转换输出。但此为充要条件而非必要条件，因也可直接使用第一层压电材料来当载体。纹膜深度将超过结构保护围栏的高度，并伸进硅空腔的内部。

4、结构保护围栏与振膜接合的转角处，依工艺设计可以形成大弧度来减少应力集中，增强振膜的可靠度。

5、利用增加纹膜结构，来增加振膜柔度及放大应变应力输出，并在结构保护围栏与振膜接合的转角处，形成大弧度；而再次要目的为立体振膜结构存在所有转折处存在应力集中的破坏问题，将底部牺牲层采特殊的分层沉积方式及分层定义的方式，来使得所有的振膜转折处由一般的蚀刻产生的锐角，皆能由底部的牺牲层转移大的转角弧度至振膜转折上。

6、其中，优选方案为：利用纹膜结构，且振膜厚度与纹膜深度比的范围在1.5～6之间，可以增加振膜柔度及放大应变-应力输出。

7、其中，优选方案为：目前压电麦克风多采用悬臂梁结构式的压电声学振膜来增加振膜的柔度，但其悬臂梁间隙缝造成了低频的泄漏问题，所以不管在学术研究或者是实务上低频截止频率依然远高于100hz，这完全不符合声学的要求。本发明采用纹膜设计，以使振膜产生较大的变形量来提升结构的柔度以改善低频效率不佳的问题，使低频截止频率可低于100hz，最佳低频截止频率低至20hz。

8、为完善以上所述高振膜厚度与纹膜深度比的压电声学组件可批量复制生产，变更原压电声学组件制造方法，增加纹膜结构，并在结构保护围栏与振膜接合的转角处，形成大弧度来减少应力集中，使振膜产生较大的变形量来提升结构的柔度以改善低频效率。

9、其中，优选方案为：增加纹膜结构，且振膜厚度与纹膜深度比的范围在1.5～6之间，可以增加振膜柔度及放大应变-应力输出。

10、其中，优选方案为：生产时衬垫材料包括多晶硅、非晶硅、氮化硅。

11、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

12、1.因为压电材料本身对声学组件而言，性质倾向对中高频有利，而压电声学组件本身就容易因材料的特性而随着低频频率往下而衰退，为了改善低频的效率，且压电材料的厚度及初始应力皆较高，造成振膜刚性太大，目前皆采用悬臂梁结构式的压电声学振膜来增加振膜的柔度，进而可产生较高的应变-应力输出，但其虽然增加了低频的压电转换输出，但其悬臂梁间隙缝反而在设计本身就造成了低频的泄漏问题，所以不管在学术研究或者是实务上低频截止频率依然远高于100hz，这完全不符合声学的要求。因此本发明采用纹膜设计，以使振膜产生较大的变形量来提升结构的柔度以改善低频效率不佳的问题。

13、2.而随着愈高的振膜厚度与纹膜深度比，对振膜结构的柔度提升愈有帮助，因此低频声压在推动声学振膜时所需的声压强度也可大幅降低，可进而提升愈多的压电声学组件之低频灵敏度及信噪比。但越高的振膜厚度与纹膜深度比在工艺上越难处理，因此需要在其间取得平衡。

14、3.现行的悬臂梁式的压电声学振膜，其悬臂梁间隙缝本身就会造成低频泄漏，所以不需再定义静态压力平衡孔，而本发明的振膜是属于封闭式振膜，因此需要在振膜上额外开设小比率的静态压力平衡孔或泄压孔，使振膜避免在环境中易受周遭环境低频的扰动而产生不必要的低频噪声，但同样若静态压力平衡孔或泄压孔的开设面积太高，则同样会产生低频声压泄漏而使低频效率变差。