CN111180574B - 一种十字形板状mems压电指向性传感芯片 - Google Patents
一种十字形板状mems压电指向性传感芯片 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111180574B CN111180574B CN202010012708.4A CN202010012708A CN111180574B CN 111180574 B CN111180574 B CN 111180574B CN 202010012708 A CN202010012708 A CN 202010012708A CN 111180574 B CN111180574 B CN 111180574B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- silicon
- cross
- piezoelectric
- thickness
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 44
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 43
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 43
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 33
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 23
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 9
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims description 7
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims description 6
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 6
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 6
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 5
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 3
- HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N lead zirconate titanate Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ti+4].[Zr+4].[Pb+2] HFGPZNIAWCZYJU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052451 lead zirconate titanate Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 claims description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 2
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 claims description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims 41
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims 2
- 239000002356 single layer Substances 0.000 claims 2
- 239000011358 absorbing material Substances 0.000 claims 1
- 239000006260 foam Substances 0.000 claims 1
- 239000005416 organic matter Substances 0.000 claims 1
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 6
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000009530 blood pressure measurement Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
- G01H11/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties
- G01H11/06—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means
- G01H11/08—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means using piezoelectric devices
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
- B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
- B81B7/02—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems containing distinct electrical or optical devices of particular relevance for their function, e.g. microelectro-mechanical systems [MEMS]
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/01—Manufacture or treatment
- H10N30/08—Shaping or machining of piezoelectric or electrostrictive bodies
- H10N30/082—Shaping or machining of piezoelectric or electrostrictive bodies by etching, e.g. lithography
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
- H10N30/302—Sensors
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
- B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
- B81B2201/02—Sensors
- B81B2201/0264—Pressure sensors
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Piezo-Electric Transducers For Audible Bands (AREA)
Abstract
本发明涉及一种十字形板状结构的MEMS压电指向性传感芯片。包括：8个压电弹性复合支撑结构(a)、十字形板状结构(b)、带有空腔的硅基底层(c)及支撑件(d)。每个压电弹性复合支撑结构(a)被设计在对应的位置。采用十字形板状结构的MEMS压电指向性传感芯片，实现了同一器件声源三维空间位置定位，提高了声源空间定位精度、减小了器件大小。
Description
技术领域
本发明属于传感技术领域，具体涉及一种十字形板状MEMS压电指向性传感芯片。
背景技术
声场中声信号的信息主要由声压与声源位置组成。因此，要完整的描述一个声场，将同时需要声压和声源位置两种参量。目前对于声场声压的测量技术已经非常成熟，如丹麦的B&K和G.R.A.S.等公司都有一系列商业化的声压传声器。
而对于声场声源位置的测量，目前主要有两种测量手段，一种是间接测量手段，通过两个具有一定距离的声压传感器，通过测量两者接收到信号的时间差来最终确定声源位置，该方法会受限于声压传声器之间的相位一致性和物理距离等条件，在低频测量时要求传声器的物理间距较大，这也就使得测量***尺寸难以实现小型化；另外一种则是直接测量手段，20世纪90年代，荷兰特温特大学H-E.de Bree博士等人提出了一种新的声学传感器一微流量传感器(Microflown)，即MEMS指向传声器。该传感器可以直接测量空气声场中信号的声源位置。但目前，MEMS指向传声器多为单方向的检测元件。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种十字形板状MEMS压电指向性传感芯片，包括N个压电弹性复合支撑结构(a)、十字形板状结构(b)、硅基底层(c)和支撑件(d)；所述的硅基底层(c)带有空腔，十字形板状结构(b)位于空腔上方，与硅基底层(c)固定连接；所述N个压电弹性复合支撑结构(a)置于十字形板状结构(b)4个臂的两侧；所述支撑件(d)置于十字形板状结构(b)的中心位置。
本发明的有益效果为：(1)本发明通过改进声压敏感区域图样设计，成功实现原本需要多个元件才能完成的三维定位任务；(2)本发明通过改进声压敏感区域结构、增加吸声材料，抑制了空间声源对敏感区域作用的缠扰；(3)本发明通过设计十字形板状结构、多孔或筋板结构、支撑结构，提高了器件的方向灵敏度，部分抑制了弯曲响应。
附图说明
图1为本发明的一种十字形压电MEMS指向传声器的结构示意图；
图2为压电弹性复合支撑结构多层结构的剖面图；
图3为十字形板状多层结构的剖面图
图4为支撑结构的结构示意图1。
图5为支撑结构的结构示意图2。
1：顶电极 2：压电料层
3：底电极 4：非压电弹性层
5：硅层 6：氮化硅层
具体实施方式
下面将参照附图对本发明进行详细说明。
图1给出了本发明的结构示意图。如图所示，一种十字形板状MEMS压电指向性传感芯片，包括8个压电弹性复合支撑结构a、十字形板状结构b、硅基底层c和支撑件d；所述的硅基底层c带有空腔，十字形板状结构b位于空腔上方，且十字形板状结构b的4个臂固定在硅基底层c上；所述压电弹性复合支撑结构a在十字形板状结构b每个臂的两侧各放置一个；所述支撑件d置于十字形板状结构b的中心位置。
如图4所示，支撑件位于十字形板状结构中心，是一种柱状结构，由硅、氮化硅、氧化硅、金属、组成的单一或复合材料构成。柱状结构的一端通过加强结构与硅基底层c连接，另一端与十字形板状结构b的中心连接。
如图1所示，带有空腔的硅基底层位于十字形板状结构周围，并同十字形板构成一个空腔。其中，带有空腔的硅基底层材料包括但不限于硅片、SOI硅片。
如图2所示，压电弹性复合支撑结构包括：底电极、压电层、顶电极及非压电弹性层。其中，底电极位于非压电弹性层之上，压电层位于底电极之上，顶电极位于压电层之上。底电极和顶电极材料包括但不限于铝、钛/铂复合层、金/铬复合层。压电层材料包括但不限于氧化锌膜、氮化铝膜、锆钛酸铅膜、钙钛矿膜以及压电有机物膜。
硅基底层c为硅基片或SOI基片；为SOI基片时，SOI硅层的厚度为0.1～50μm，SOI氧化层的厚度为0.01～5μm，SOI基底层的厚度为100～1000μm；为硅基片时，硅层的厚度为100～1000μm。
非压电弹性层包括绝缘氧化层和硅层，绝缘氧化层的厚度为0.1～10μm，硅层的厚度为0.5～10μm。
如图3所示，所述多层十字形板状结构包括硅层和氮化硅层，硅层的厚度为0.5～50μm，氮化硅层厚度为0.01～10μm。
所述氮化硅层还可用氧化硅层代替，此时，氧化硅层的厚度为0.01～10μm。
所述压电层的氧化锌膜还可用氮化铝膜、锆钛酸铅膜、钙钛矿膜或有机物膜代替，压电层的厚度为0.01～60μm。
所述底电极和顶电极的材料为铝时，厚度为0.01～1μm；为金/铬复合层时，金的厚度为0.05～1μm，铬的厚度为0.01～0.1μm；为铂/钛复合层时，铂的厚度为0.05～1μm，钛的厚度为0.01～0.1μm。
上述实施例详细展示了十字形板状MEMS压电指向性传感芯片的结构，更多的基于该结构的实施例都属于本发明保护范围。
Claims (7)
1.一种十字形板状MEMS压电指向性传感芯片，其特征在于，包括N个压电弹性复合支撑结构(a)、十字形板状结构(b)、硅基底层(c)和支撑件(d)；所述的硅基底层(c)带有空腔，十字形板状结构(b)位于空腔上方，与硅基底层(c)固定连接；所述N个压电弹性复合支撑结构(a)置于十字形板状结构(b)4个臂的两侧；所述支撑件(d)置于十字形板状结构(b)的中心位置；所述十字形板状结构(b)为对称或非对称结构，即其左右臂长、上下臂长相等或不相等，十字形板状结构(b)的中心区域还填充有吸声材料；所述十字形板状结构(b)为多孔结构或筋板结构；所述支撑件(d)为柱状结构，柱状结构的一端通过加强结构与硅基底层(c)相连，另一端与十字形板状结构(b)的中心相连。
2.一种如权利要求1所述的传感芯片，其特征在于，所述的吸声材料为吸声橡胶或吸声泡沫。
3.一种如权利要求1所述的传感芯片，其特征在于，所述十字形板状结构(b)为由硅层、氮化硅层或氧化硅层构成的单层结构；或由硅层、氮化硅层、氧化硅层任意两种或三种构成的多层结构。
4.一种如权利要求1所述的传感芯片，其特征在于，所述的十字形板状结构(b)为由硅层、氮化硅层或氧化硅层构成的单层硬质结构；或由硅层、氮化硅层、氧化硅层任意两种或三种构成的多层轻质硬结构。
5.一种如权利要求1所述的传感芯片，其特征在于，所述N＝8，在十字形板状结构(b)的每个臂的两侧各放置一个压电弹性复合支撑结构(a)；所述压电弹性复合支撑结构(a)包括底电极、压电层、顶电极及非压电弹性层；其中，底电极位于非压电弹性层之上，压电层位于底电极之上，顶电极位于压电层之上。
6.一种如权利要求5所述的传感芯片，其特征在于，所述底电极和顶电极的材料为铝、钛/铂复合层或金/铬复合层，当材料为铝时，铝的厚度为0.01～1μm；为金/铬复合层时，金的厚度为0.05～1μm，铬的厚度为0.01～0.1μm；为铂/钛复合层时，铂的厚度为0.05～1μm，钛的厚度为0.01～0.1μm；所述压电层材料为氧化锌膜、氮化铝膜、锆钛酸铅膜、钙钛矿膜或压电有机物膜，所述非压电弹性层包括绝缘氧化层和硅层，其中，绝缘氧化层的厚度为0.1～10μm，硅层的厚度为0.5～10μm。
7.一种如权利要求1所述的传感芯片，其特征在于，所述的硅基底层(c)为硅基片或SOI基片，当为SOI基片时，所述SOI基片包括SOI硅层、SOI氧化层和SOI基底层，SOI硅层的厚度为0.1～50μm，SOI氧化层的厚度为0.01～5μm，SOI基底层的厚度为100～1000μm；当为硅基片时，所述硅基片的硅层厚度为100～1000μm。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010012708.4A CN111180574B (zh) | 2020-01-07 | 2020-01-07 | 一种十字形板状mems压电指向性传感芯片 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010012708.4A CN111180574B (zh) | 2020-01-07 | 2020-01-07 | 一种十字形板状mems压电指向性传感芯片 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111180574A CN111180574A (zh) | 2020-05-19 |
| CN111180574B true CN111180574B (zh) | 2022-01-18 |
Family
ID=70649204
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010012708.4A Active CN111180574B (zh) | 2020-01-07 | 2020-01-07 | 一种十字形板状mems压电指向性传感芯片 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111180574B (zh) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102853898B (zh) * | 2012-08-11 | 2014-01-15 | 中北大学 | 三维mems单片集成矢量水声传感器 |
| CN104121984A (zh) * | 2014-08-16 | 2014-10-29 | 中北大学 | 一种高灵敏度谐振式mems矢量水听器结构 |
| CN110132395A (zh) * | 2019-06-27 | 2019-08-16 | 中国电子科技集团公司第五十四研究所 | 一种具备过载保护结构的mems矢量水听器 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5716827B2 (ja) * | 2011-07-04 | 2015-05-13 | 株式会社村田製作所 | 振動子および振動ジャイロ |
-
2020
- 2020-01-07 CN CN202010012708.4A patent/CN111180574B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102853898B (zh) * | 2012-08-11 | 2014-01-15 | 中北大学 | 三维mems单片集成矢量水声传感器 |
| CN104121984A (zh) * | 2014-08-16 | 2014-10-29 | 中北大学 | 一种高灵敏度谐振式mems矢量水听器结构 |
| CN110132395A (zh) * | 2019-06-27 | 2019-08-16 | 中国电子科技集团公司第五十四研究所 | 一种具备过载保护结构的mems矢量水听器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111180574A (zh) | 2020-05-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11665968B2 (en) | Piezoelectric MEMS microphone | |
| US10076772B2 (en) | Transducer and method for forming the same | |
| CN112004181B (zh) | 具有改进特性的压电微机电声学换能器及对应的制造工艺 | |
| KR20180080705A (ko) | 풍속계를 위한 시스템 및 방법 | |
| Choi et al. | A micro-machined piezoelectric hydrophone with hydrostatically balanced air backing | |
| JP2011124973A5 (zh) | ||
| CN105716705B (zh) | 多重应力集中式mems仿生水听器 | |
| CN105606201B (zh) | 复合式mems仿生水听器 | |
| CN103630274A (zh) | 一种基于微机电***的挠曲电式微压力传感器 | |
| US7600429B2 (en) | Vibration spectrum sensor array having differing sensors | |
| JP2017092097A (ja) | 圧電素子、超音波プローブ、超音波測定装置及び圧電素子の製造方法 | |
| WO2018040259A1 (zh) | 一种敏感膜及mems麦克风 | |
| CN103454345B (zh) | 基于cmut的海洋生化物质监测传感器及其制备与测量方法 | |
| JP2009133772A (ja) | 検出センサ、振動子 | |
| US10828013B2 (en) | Piezoelectric element, ultrasonic probe, ultrasonic measurement device, and manufacturing method of piezoelectric element | |
| CN111180574B (zh) | 一种十字形板状mems压电指向性传感芯片 | |
| CN113075726B (zh) | 水听器及其制造方法 | |
| CN108344496A (zh) | 压电式mems矢量振动传感器 | |
| Yamashita et al. | Buckling behavior of piezoelectric diaphragms for highly sensitive structures of ultrasonic microsensors controlled through intrinsic stress of PZT films | |
| KR20150001112A (ko) | 관성센서 | |
| US10623868B2 (en) | MEMS devices and processes | |
| WO2022091178A1 (ja) | 静電トランスデューサおよび静電トランスデューサの製造方法 | |
| Matsushima et al. | A highly sensitive Pb (Zr, Ti) O/sub 3/thin film ultrasonic micro-sensor with a grooved diaphragm | |
| Shi et al. | Design and Fabrication of Cross-Beam Integrated Microsphere Piezoelectric MEMS Vector Hydrophone | |
| CN117629389A (zh) | 一种标矢量复合感知的mems声波传感器及其制作方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |