一种压电式MEMS扬声器芯片及其制作方法与流程

本发明涉及一种电声换能器，尤其涉及一种压电式mems扬声器芯片及其制作方法，属于半导体应用。

背景技术：

1、mems芯片是指微机电系统（micro-electro-mechanical systems）芯片，也被称为微机电系统集成电路。它通过微纳制造技术将微小的机械部件制造在芯片表面上，并与电路元件相互连接。这些微小的机械结构可以实现感应、测量、控制和执行等功能。

2、mems芯片不仅包含微小的机械结构，还集成了相应的电子元件。例如，传感器可以将机械变量（如压力、温度、湿度等）转化为电信号，执行器可以根据电信号驱动机械结构的运动。芯片上的电路可以用于信号处理、控制和通信等功能。

3、mems芯片的应用非常广泛，涉及移动设备、汽车领域、医疗设备、工业控制、消费电子、环境监测等，其中mems声学器件也用于扬声器和麦克风等音频设备中，提供更好的音频体验。

4、压电式mems扬声器是一种电声换能器，通过压电执行器振动推动空气，将电能转换为声能而发出声音，其声压级的大小取决于振动结构的形变位移，而如图1所示，原顶硅振膜3与其上的压电驱动层4a所形成的复合膜层应力集中，通常为了提高振膜的形变位移，执行器一般做成悬臂梁结构或者在膜上开设不同形状的缝隙来释放应力，达到降低执行器刚度的目的。然而，振膜上存在的空隙会导致声泄露，即使在缝隙的对侧添加挡板，声泄露依然存在。此时，发声结构上下表面反相的声波会产生声短路现象，从而导致声压输出严重降低，尤其是低频段更明显，而低频段在相关应用当中又尤为重要。

技术实现思路

1、本发明的目的旨在提出一种压电式mems扬声器芯片及其制作方法，解决提高声压级输出的问题。

2、本发明实现上述一个目的的技术解决方案是，一种压电式mems扬声器芯片，其特征在于：所述mems扬声器芯片自硅基底表面向上依次设有氧化硅止档层，顶硅振膜、压电驱动层及引线pad，在芯片投影方向的中部处设有自下而上穿透硅基底和氧化硅止档层并外露顶硅振膜的腔体，所述顶硅振膜通过在腔体覆盖范围内开设缝隙成型为悬臂梁结构，所述压电驱动层的顶底两面成型有金属导电层，并从各金属导电层向mems扬声器芯片表侧设置引线pad，且在靠近缝隙位置去除压电驱动层和金属导电层的部分区域。

3、进一步地，在芯片投影方向上，所述缝隙呈工字型开设，包括靠近腔体一对边框的两条边缝和垂直连通两条边缝的一条中缝。

4、更进一步地，压电驱动层和金属导电层在靠近中缝处去除的面积大于靠近边缝处去除的面积。

5、进一步地，所述压电驱动层接电导通，且对应一种电极的第一引线pad成型于压电驱动层表面的金属导电层上；对应另一种电极的第二引线pad通过加工穿透压电驱动层的通孔成型于压电驱动层底面的金属导电层上，且第二引线pad的露头部分与压电驱动层表面的金属导电层隔空相对。

6、进一步地，所述压电驱动层表面包覆设有绝缘层。

7、进一步地，所述顶硅振膜、压电驱动层及引线pad构成mems扬声器芯片的执行器，且所述执行器表面覆盖有一层柔性薄膜。

8、本发明实现上述另一个目的的技术解决方案是，一种压电式mems扬声器芯片的制作方法，其特征在于包括：

9、s1、在soi片上依次沉积底层的金属导电层、压电驱动层和顶层的金属导电层，其中所述压电驱动层至少选为pzt、alscn或ain；

10、s2、对顶层的金属导电层进行刻蚀，形成局部外露压电驱动层的加电区域图形；

11、s3、在加电区域图形中，对压电驱动层的外露部分继续刻蚀至底层的金属导电层，形成通孔；

12、s4、在加电区域图形和通孔处进行表面沉积金属，并通过腐蚀或剥离所沉积的金属，制成用于压电驱动层接电导通的引线pad；

13、s5、对顶硅振膜上由金属导电层和压电驱动层的复合膜层进行光刻与刻蚀，形成执行器的驱动结构；

14、s6、对顶硅振膜进行光刻与刻蚀，形成悬臂梁的振膜图形；

15、s7、对soi片的背面硅基底和氧化硅止档层进行刻蚀，形成顶硅振膜呈悬空状的腔体。

16、进一步地，s5之后在执行器的驱动结构表面包覆一层氮化硅或氧化硅的绝缘层。

17、进一步地，s6之后在执行器表面包覆一层低杨氏模量的柔性薄膜。

18、应用本发明的mems扬声器芯片结构优化及其制作方法，所具备的技术效果为：

19、1、执行器通过部分缩小压电驱动层占幅，留出顶硅振膜更多的活动空间并释放膜层应力，有利于提高振膜的形变位移及产品灵敏度。

20、2、通过压电驱动层表面覆膜绝缘层，提高了在产品使用过程中压电性能的稳定性。

21、3、通过执行器上表面覆膜一层柔性薄膜，防止空气泄漏造成的声短路，提升了产品声学性能，同时提高了执行器的结构强度和产品的机械可靠性。

技术特征：

1.一种压电式mems扬声器芯片，其特征在于：所述mems扬声器芯片自硅基底表面向上依次设有氧化硅止档层，顶硅振膜、压电驱动层及引线pad，在芯片投影方向的中部处设有自下而上穿透硅基底和氧化硅止档层并外露顶硅振膜的腔体，所述顶硅振膜通过在腔体覆盖范围内开设缝隙成型为悬臂梁结构，所述压电驱动层的顶底两面成型有金属导电层，并从各金属导电层向mems扬声器芯片表侧设置引线pad，且在靠近缝隙位置去除压电驱动层和金属导电层的部分区域。

2.根据权利要求1所述压电式mems扬声器芯片，其特征在于：在芯片投影方向上，所述缝隙呈工字型开设，包括靠近腔体一对边框的两条边缝和垂直连通两条边缝的一条中缝。

3.根据权利要求2所述压电式mems扬声器芯片，其特征在于：压电驱动层和金属导电层在靠近中缝处去除的面积大于靠近边缝处去除的面积。

4.根据权利要求1所述压电式mems扬声器芯片，其特征在于：所述压电驱动层接电导通，且对应一种电极的第一引线pad成型于压电驱动层表面的金属导电层上；对应另一种电极的第二引线pad通过加工穿透压电驱动层的通孔成型于压电驱动层底面的金属导电层上，且第二引线pad的露头部分与压电驱动层表面的金属导电层隔空相对。

5.根据权利要求1所述压电式mems扬声器芯片，其特征在于：所述压电驱动层表面包覆设有绝缘层。

6.根据权利要求1所述压电式mems扬声器芯片，其特征在于：所述顶硅振膜、压电驱动层及引线pad构成mems扬声器芯片的执行器，且所述执行器表面覆盖有一层柔性薄膜。

7.一种压电式mems扬声器芯片的制作方法，其特征在于包括：

8.根据权利要求7所述压电式mems扬声器芯片的制作方法，其特征在于：s5之后在执行器的驱动结构表面包覆一层氮化硅或氧化硅的绝缘层。

9.根据权利要求7所述压电式mems扬声器芯片的制作方法，其特征在于：s6之后在执行器表面包覆一层低杨氏模量的柔性薄膜。

技术总结
本发明揭示了一种压电式MEMS扬声器芯片及其制作方法，自硅基底表面向上依次设有氧化硅止档层，顶硅振膜、压电驱动层及引线pad，在芯片投影方向的中部处设有自下而上穿透硅基底和氧化硅止档层并外露顶硅振膜的腔体，该顶硅振膜通过在腔体覆盖范围内开设缝隙成型为悬臂梁结构，该压电驱动层的顶底两面成型有金属导电层，并从各金属导电层向MEMS扬声器芯片表侧设置引线pad，且在靠近缝隙位置去除压电驱动层和金属导电层的部分区域。应用该MEMS扬声器芯片，执行器通过部分缩小压电驱动层占幅，留出顶硅振膜更多的活动空间并释放膜层应力，有利于提高振膜的形变位移及产品灵敏度，同时优化提高了产品使用过程中压电性能的稳定性和声学性能、机械可靠性。

技术研发人员：苏岩
受保护的技术使用者：苏州感测通信息科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16