CN111811638A - 一种压电式感应单元及其应用的水听器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电式感应单元及其应用的水听器，涉及到微电子机械传感器领域。本发明感应单元结构包括了真空振动腔体、支撑层、压电种子层、压电主层和电极层等，实现在半导体层面上构造出能将水声压力或振动转化为电荷变化的感应单元，为了增加感应单元的灵敏度和可靠性，把多个感应单元并联或者串联在一起，可以构成一个水听器，可根据水听器的性能需求连接不同数量的感应单元，保证了不同需求的水听器生产的一致性和灵活性；每个感应单元实现了小型化、轻量化、低功耗、可大规模生产并且能有效提高灵敏度，在支撑层的物理强度和耐电压性能上满足要求的条件下，简化了加工工艺，实现了生产成本的降低。

Description

一种压电式感应单元及其应用的水听器

技术领域

本发明涉及微电子机械（MEMS）传感器领域，具体为一种压电式感应单元及其应用的水听器。

背景技术

水听器，也称水声探测器或水下麦克风，是用于将水中的声信号转换成电信号的换能器。水听器广泛应用于水中通信、探测、目标定位、跟踪等，是声呐的重要部件。例如，在海洋地震勘探中，可以通过在其内部产生声源信号来定位含烃地层，然后检测该声信号，该声信号至少部分来自与水体下方的体层相互作用的声源信号，因此必须精度高的水听器感测该声源信号。MEMS是指使用改进的半导体器件制造技术制造用于小型化机械和机电元件的技术。

近年来水听器的发展方向主要光纤水听器和传统压电水听器两个方向。光纤水听器具有灵敏度高、抗干扰、体积小和重量轻等优点，但光纤水听器组成线阵的实现难度、规模化生产和制造成本等问题上，不如传统压电水听器。许多水听器包括压电材料，当声波的声压使压电材料变形时，压电材料将产生电信号，设置于压电材料两端的电极将接收该电信号。当所施加的声波压力越大，产生电信号将越强。

在许多情况下，由于大的传输损耗和水中高频信号的短传输距离的特征，水听器需要良好的低频性能。此外，大动态范围、低声阻抗和良好的线性也是水听器的理想设计标准。光纤水听器结构过于复杂。压电陶瓷水听器含有铅等重金属，对环境不友好。现有的水听器还存在生产升本高昂、体积重量偏高、运行消耗高和一致性较差等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明要实现基于MEMS半导体工艺生产，提供小型化、轻量化、低功耗、灵敏度高、可大规模生产及工艺简化的一种压电式感应单元及其应用的水听器。

本发明要解决的技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种压电式感应单元，包括：设置有孔结构的基底，设置于所述孔结构上的支撑层，设置于所述支撑层上的压电叠层；所述压电叠层包括第一电极层、压电种子层、压电主层和第二电极层，所述支撑层围闭所述孔结构而构成真空振动腔体。所述感应单元还包括保护层，所述保护层设置于压电叠层之上。

上述的压电式感应单元，优选的方案有，所述支撑层为硅层。硅层可通过较简单的工艺得到，并满足内电压和物理强度上的要求。

上述的压电式感应单元，优选的方案有，所述压电种子层设置于支撑层之上，所述第一电极层设置于压电种子层之上，所述压电主层设置于第一电极层之上，所述第二电极层设置于压电主层之上。所述压电种子层促进第一电极层和压电主层的生长，使压电叠层整体更加均匀。

上述的压电式感应单元，优选的方案有，所述压电种子层厚度小于50纳米，所述压电主层厚度小于10微米。该厚度的压电种子层无晶格状态，促使第一电极层和压电主层的生长。

上述的压电式感应单元，优选的方案有，所述孔结构的深度小于500微米。孔结构深度500微米为与压电叠层相配合的深度上限，过长的深度将使感应单元效能降低，一般性的深度为小于20微米。

上述的压电式感应单元，优选的方案有，所述支撑层的厚度小于50微米。支撑层的厚度50微米为与压电叠层相配合的厚度上限，过长的厚度将使感应单元的灵敏度降低，一般性的深度为小于10微米。

上述的压电式感应单元，优选的方案有，所述压电种子层和压电主层的材质是氮化铝，或者是氧化锌，或者是锆钛酸铅，机械振动转化为电荷变化的压电材料。

上述的压电式感应单元，优选的方案有，所述第一电极层的材质与压电种子层的材质的最大晶格尺寸差小于10%。所述第一电极层和压电种子层有相近尺寸的晶格便于生长。

上述的压电式感应单元，优选的方案有，所述支撑层的边界与所述孔结构的边缘为相似平面图形且位于同一中轴线，所述支撑层边界的面积大于或等于4倍所述孔结构边缘的面积。支撑层的物理强度获得增加。

一种水听器，包含多个上述的压电式感应单元，所述压电式感应单元以多个行和多个列的阵列布置，各所述第一电极层相互电连接，各所述第二电极层相互电连接。在半导体工艺层面连接多个所述感应单元，以增加采集的电荷和实现矢量洁厕的效应。

本发明与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）本发明基于微电子机械***构造压电式感应单元及水听器，包括了真空振动腔体，支撑层，压电叠层等，其中压电叠层又包括压电种子层、压电主层和电极层，实现在半导体层面上构造出能将水声压力或振动转化为电荷变化的感应单元，为了增加感应单元的灵敏度和可靠性，可以串联或者并联多个感应单元构成一个水听器，可根据水听器的性能需求串联或者并联不同数量的感应单元。

（2）本发明通过设置真空振动腔体的深度，支撑层的结构，以及压电叠的结构，在支撑层的物理强度和耐电压性能上满足要求的条件下，简化了感应单元的MEMS加工工艺，实现了生产成本的降低。

（3）本发明通过将未形成晶格状态的压电种子层设置于第一电极层和压电主层之下，使之生长均匀，提高了压电叠层的整体强度，使感应装置以至于水听器的良品率从80%左右上升达到95%及以上。

（4）本发明采用了半导体集成电路加工工艺，保证了水听器生产的一致性；每个感应单元在尺寸上为微米级别，实现了小型化；每个感应单元在重量上为毫克级别，实现了轻量化；每个感应单元功耗上在微瓦级别，实现了低功耗；每片硅晶片上可以制造出2000片以上的探测器，大规模生产能极大的降低生产成本；采用来了低介电常数的压电材料，能有效提高感应单元的灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所述压电式感应单元结构示意图；

图2是本发明所述水听器的结构示意图。

图示标记：感应单元100，基底110，孔结构111，支撑层120，压电叠层130，压电种子层131，第一电极层132，压电主层133，第二电极层134，保护层140，真空振动腔体150，键合160，水听器200。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例和附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1及2所示，展示了微电子机械***（MEMS）构成的感应单元100和水听器200的实施例。微电子机械***,即Micro-Electro-Mechanical System，是指使用改进的半导体器件制造技术制造的用于小型化机械和电子元件的技术。在实施例中，MEMS单元可以由尺寸在约1微米到1毫米之间的部件构成。MEMS在微电子技术（半导体制造技术）基础上发展起来的，融合了光刻、腐蚀、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件。MEMS的功能元件可以包括集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等。如图所示，一种压电式感应单元100，可以检测在水中的声音信号并转化为电信号以判定声音的来源。

如图1所示，在一个实施例中，压电式感应单元100，包括：设置有孔结构111的基底110，设置于所述孔结构111上的支撑层120，设置于所述支撑层120上的压电叠层130；所述压电叠层130包括第一电极层132、压电种子层131、压电主层133和第二电极层134，所述支撑层120围闭所述孔结构111而构成真空振动腔体150。在该实施例可以具体有，所述压电种子层131设置于支撑层120之上，所述第一电极层132设置于压电种子层131之上，所述压电主层133设置于第一电极层132之上，所述第二电极层134设置于压电主层133之上。在该实施例可以具体有，所述支撑层120为硅层。在该实施例可以具体有，所述压电种子层131和压电主层133的材质为氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅或其它合适的压电材料。在该实施例可以具体有，所述支撑层120的边界与所述孔结构111的边缘为相似平面图形且位于同一中轴线。在许多实施例中，所述保护层140设置于所述压电叠层130之上。

关于感应单元100整体结构，其中具体有，基底110是该感应单元100在半导体中成型的基础，压电叠层130用于将水声压力转化为电信号，电极层起到传导电信号的作用，支撑层120起到支撑和稳定压电叠层130的作用。支撑层120与基底110中的孔结构111形成真空振动腔体150，真空振动腔体150使压电叠层130的水声压力增大，提高感应水声压力的能力。同时，支撑层120将受到压电叠层130中生成电荷的电压，需要满足耐电压的要求，并且支撑层120也受到压电叠层130变形的机械压力，需要满足物理强度的需要。而压电种子层131和压电主层133的双层结构，提高了压电叠层130生成的均匀程度，一方面降低局部电压峰值对支撑层120的影响，另一方面增加了压电叠层130本身的物理强度并从整体上提高变形时感应单元100的耐机械压力性能。保护层140起到了保护该感应单元100的作用。最终，该感应单元100实现将水声压力，通过压电叠层130关于真空振动腔体150的振动，在稳定的条件下，转化为电信号，并经由将该电信号由电极引出，传导到外部。

在另一种实施例中，可以理解的是，压电叠层130也可以是，顺序由下至上依次设置为第一电极层132、压电种子层131、压电主层133、第二电极层134和保护层140。

关于感应单元100的材质，其中具体有，压电是指在变形时发电的材料。在一个实施例中，可以使用氮化铝（AlN）制成压电种子层131和压电主层133，这种压电材料可以将声波信号转化为电信号。在另外的实施例中，压电种子层131和压电主层133可以是氧化锌，或者锆钛酸铅等其他类型的，适应于半导体工艺的可将机械振动转化为电荷变化的压电材料。

关于感应单元100的材质，其中具体有，电极是指半导体工艺上应用的导电材料，可以使用各种类型的导体制造，第一电极层132和第二电极层134可以是金属（例如铝）、高掺杂硅、难熔金属（例如钨）、硅化物等，其起到的作用是传导电信号。

关于感应单元100的材质，其中具体有，基底110是用于形成孔结构111，并与支撑层120构成真空振动腔体150，是用于放置或者加工微单元或者半导体器件的物理材料。在各种实施例中，基底110是用于制造半导体器件的硅晶片。支撑层120是材料硅制成，起到支撑和稳定该感应单元100的作用。支撑层120可以通过薄膜工艺加工在孔结构111上形成，对加工环境条件调节为真空，可得到支撑层120和基底110的孔结构111之间形成真空振动腔体150。真空振动腔体150可降低该感应单元100的声阻抗和噪声，使得压电叠层130接收压力的衰减程度降低，也降低液体或气体中随机运动导致的轰击而产生的振动信号中的噪声。

关于压电叠层130的材质，所述第一电极层132的材质与压电种子层131的材质的最大晶格尺寸差小于10%。所述第一电极层132和压电种子层131有相近尺寸的晶格便于生长。具体有，压电种子层131为氮化铝，则第一电极层132则采用金属锰，由于氮化铝与金属锰具有相近的晶格尺寸，并且压电主层133同为氮化铝，则压电压叠层中依次连接的压电种子层131、第一电极层132和压电主层133之间的晶格结构保持均匀，使内应力降低，物料强度增加。

关于感应单元100的结构，其中具体有，支撑层120的边界形状为圆形，由于所述支撑层120的边界与所述孔结构111的边缘为相似平面图形，孔结构111的边缘形状也直径较小的圆形。在另外的实施例中，支撑层120的边界形状以及孔结构111的便捷形状为正方形、相似矩形或相似椭圆等。

在各种实施例中，具体的有，在基底110上设置深度小于20微米的孔结构111，以孔结构111的中轴上设置支撑层120，支撑层120边界的面积大于或等于4倍的孔结构111边缘的面积，支撑层120的厚度小于10微米，支撑层120上设置第一电极层132，第一电极层132上先沉积厚度小于50纳米的压电种子层131，再在压电种子层131上沉积厚度小于5微米的压电主层133，最后在压电主层133上设置第二电极层134和保护层140，保护层140与支撑层120的厚度小于10微米，以使压电叠层130的对振动的吸收保持一致，其中第一电极层132和第二电极层134的厚度根据具体的材质和形状。在一种实施例中，孔结构111的深度为15微米，支撑层120和保护层140的厚度为5微米，压电种子层131厚度为40至50，压电主层133为3至5微米。压电种子层131使的后续沉积的压电主层133可以更加均匀地生长，压电主层133控制了压电叠层130的整体厚度。压电叠层130的整体厚度与真空振动腔体150的深度相互作用，一方面增加支撑层120受电压击穿的难度，另一方面控制物理的形变量和该感应单元100整体的物理强度。

如图2所示，一种水听器200，包含多个上述压电式感应单元100，其特征在于，所述压电式感应单元100以多个行和多个列的阵列布置，各所述第一电极层132相互电连接，各所述第二电极层134电连接。具体有，感应单元100为4×4的阵列放置在一个硅晶片的单元中，各个感应单元100的第一电极层132之间以及第二电极层134之间通过引线键合160或者薄膜工艺连接，再统一通过引线与外部放大器等元件连接。尽管图2中的布置是正方形，但是该布置可以采用任何形式（例如，圆形，八边形）。具有多个行和列的阵列中，水听器200的这种布置允许累积由每个水听器200产生的单独电荷。累积的电荷导致可以由前置放大器检测的足够量的电荷。该水听器200在使用过程中，将每个感应单元100所感测到的电荷信号汇集，形成足够外置放大器接收的电信号。可以理解的是，通过选择局部的感应单元100连接，可以形成水声信号的矢量感应，如16×16的阵列，分别对其中四个4×4的阵列单独连接并引线引出，就可以检测到16×16的阵列中四个象限简单水声信号差别，再将水听器200安装在运动机构上，就可以使检测参数具有矢量的特点。

如受益于压电式感应单元100及水听器200的实施例公开，本领域技术人员应理解的，可使用各种制造技术来制造水听器200。在一个实施例中制造工艺流程：（1）以硅为基底110上刻蚀出孔结构111，在孔结构111上沉积出硅质的支撑层120，形成真空振动腔体150；（2）在支撑层120上依次沉积压电种子层131、第一电极层132、压电主层133、第二电极层134和硅质保护层140；（3）多个感应单元100能高效串联或者并联成一个水听器200；（4）可以根据性能需求串联或者并联不同数量的感应单元100。

在各个实施例中，压电式感应单元100及水听器200使基于微电子机械***构造，实现在半导体层面上构造出能将水声压力或振动转化为电荷变化的感应单元100，为了感应单元100的灵敏度和可靠性，可以把多个感应单元100串联或者并联构成一个水听器200，可根据水听器200的性能需求串联或者并联不同数量的感应单元100；采用了半导体集成电路加工工艺，保证了水听器200生产的一致性；每个感应单元100在尺寸上为微米级别，实现了小型化；每个感应单元100在重量上为毫克级别，实现了轻量化；每个感应单元100功耗上在微瓦级别，实现了低功耗；每片硅晶片上可以制造出2000片以上的探测器，大规模生产能极大的降低生产成本；采用来了低介电常数的压电材料，能有效提高感应单元100的灵敏度；通过设置真空振动腔体150的深度，支撑层120的结构，以及压电叠的结构，在支撑层120的物理强度和耐电压性能上满足要求的条件下，简化了感应单元100的MEMS加工工艺，实现了生产成本的降低；通过将未形成晶格状态的压电种子层131设置于第一电极层132和压电主层133之下，使之生长均匀，提高了压电叠层130的整体强度，使感应装置以至于水听器200的良品率从80%左右上升达到95%及以上。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例作各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会便宜本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管对本发明已做出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。

Claims (10)

1.一种压电式感应单元，其特征在于，包括：设置有孔结构（111）的基底（110），设置于所述孔结构（111）上的支撑层（120），设置于所述支撑层（120）上的压电叠层（130）；

所述压电叠层（130）包括第一电极层（132）、压电种子层（131）、压电主层（133）和第二电极层（134）；

所述支撑层（120）围闭所述孔结构（111）而构成真空振动腔体（150）。

2.根据权利要求1所述的一种压电式感应单元，其特征在于，所述支撑层（120）为硅层。

3.根据权利要求1所述的一种压电式感应单元，其特征在于，所述压电种子层（131）设置于支撑层（120）之上，所述第一电极层（132）设置于压电种子层（131）之上，所述压电主层（133）设置于第一电极层（132）之上，所述第二电极层（134）设置于压电主层（133）之上。

4.根据权利要求3所述的一种压电式感应单元，其特征在于，所述压电种子层（131）厚度小于50纳米，所述压电主层（133）厚度小于5微米。

5.根据权利要求4所述的一种压电式感应单元，其特征在于，所述孔结构（111）的深度小于500微米。

6.根据权利要求4所述的一种压电式感应单元，其特征在于，所述支撑层（120）的厚度小于50微米。

7.根据权利要求3所述的一种压电式感应单元，其特征在于，所述压电种子层（131）和压电主层（133）的材质是氮化铝，或者是氧化锌，或者是锆钛酸铅。

8.根据权利要求7所述的一种压电式感应单元，其特征在于，所述第一电极层（132）的材质与压电种子层（131）的材质的最大晶格尺寸差小于10%。

9.根据权利要求1所述的一种压电式感应单元，其特征在于，所述支撑层（120）的边界与所述孔结构（111）的边缘为相似平面图形且位于同一中轴线，所述支撑层（120）边界的面积大于或等于4倍所述孔结构（111）边缘的面积。

10.一种水听器，包含多个权利要求1至6任一权利要求所述的压电式感应单元，其特征在于，所述压电式感应单元（100）以多个行和多个列的阵列布置，各所述第一电极层（132）相互电连接，各所述第二电极层（134）相互电连接。

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