CN111901736A - 一种mems结构 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种MEMS结构，包括：衬底，具有空腔；第一电极层，悬置于所述空腔内；压电层的第一部分，形成于所述第一电极层上方，并且与所述衬底连接；第二电极层，形成于所述第一部分上方；所述压电层的第二部分，形成于所述第二电极层上方；第三电极层，形成于所述第二部分上方；其中，所述第一电极层和所述第一部分以所述第二电极层为中性面与所述第二部分和所述第三电极层对称。该MEMS结构中，膜片的中间区域的厚度大于膜片的***区域的厚度，从而有利于释放压电层与衬底连接处的应力，降低了***区域和中间区域处电荷中和导致的灵敏度降低的几率。
Description
技术领域
本申请涉及微电机械***技术领域，具体来说，涉及一种MEMS结构及其形成方法。
背景技术
MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems，即微电机械***)麦克风主要包括电容式和压电式两种。MEMS压电麦克风是利用微电机械***技术和压电薄膜技术制备的，由于采用半导体平面工艺和体硅加工等技术，所以其尺寸小、体积小、一致性好。同时相对于电容传声器还有不需要偏置电压、工作温度范围大、防尘、防水等优点，但其灵敏度比较低，制约着MEMS压电麦克风的发展。
针对相关技术中如何提高MEMS结构的灵敏度的问题，目前比较常见的解决方案是将电极层分割成多个部分，但是这种分割电极的方法对于提高灵敏度的范围有限。
发明内容
针对相关技术中如何提高MEMS结构的灵敏度的问题，本申请提出一种MEMS结构，能够有效提高灵敏度。
本申请的技术方案是这样实现的：
根据本申请的一个方面，提供了一种MEMS结构，包括：
衬底，具有空腔；
第一电极层，悬置于所述空腔内；
压电层的第一部分，形成于所述第一电极层上方，并且与所述衬底连接；
第二电极层，形成于所述第一部分上方；
所述压电层的第二部分，形成于所述第二电极层上方；
第三电极层，形成于所述第二部分上方；
其中，所述第一电极层和所述第一部分以所述第二电极层为中性面与所述第二部分和所述第三电极层对称。
本申请所提供的MEMS结构中，膜片的中间区域的厚度大于膜片的***区域的厚度，从而有利于释放压电层与衬底连接处的应力，降低了***区域和中间区域处电荷中和导致的灵敏度降低的几率。换句话说，本申请所提供的MEMS结构提高了灵敏度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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示出了根据一些实施例提供的MEMS结构的立体示意图；
图2示出了根据一些实施例提供的MEMS结构的剖面立体图；
图3示出了根据一些实施例提供的MEMS结构的俯视图；
图4示出了根据一些实施例提供的MEMS结构的电极层连接示意图；
图5示出了图1中的MEMS结构的灵敏度频响曲线。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
根据本申请的实施例，提供了一种MEMS结构，该MEMS结构可以用于传感器或执行器，例如麦克风、扬声器、水听器。在本申请的实施例中，该MEMS结构可以包括压电式MEMS麦克风，将声能转换成电能。
参见图1和图2，该MEMS结构包括层叠的衬底10、第一电极层20、压电层30的第一部分31、第二电极层40、压电层30的第二部分32和第三电极层50。
衬底10具有空腔11。第一电极层20悬置于空腔11内。压电层30的第一部分31形成于第一电极层20上方，并且与衬底10连接。第二电极层40形成于第一部分31上方。压电层30的第二部分32形成于第二电极层40上方。第三电极层50形成于第二部分32上方。其中，第一电极层20和第一部分31以第二电极层40为中性面与第二部分32和第三电极层50对称。换句话说，第一电极层20和第一部分31关于第二电极层40与第二部分32和第三电极层50在厚度方向上对称。通过这样的双晶片结构提高了MEMS结构的输出电压。
在一些实施例中，MEMS结构还包括隔离层(图中未示出)，隔离层形成于第二电极层40的上表面和下表面的位置处。在一些实施例中，隔离层形成于第一电极层20的上表面和第三电极层50的下表面的位置处。设置隔离层可以避免第一电极层20、第二电极层40和第三电极层50之间的短路。
在本申请的实施例中，第一电极层20的顶面位于衬底10的顶面下方，第二电极层40的底面位于衬底10的顶面的上方。第一电极层20的竖直方向投影区域位于空腔11内。第二部分32形成于第二电极层40和第一部分31上方。第二部分32的***区域的顶面低于第二部分32的中间区域的顶面，第二部分32的***区域与衬底10连接，第三电极层50形成于第二部分32的中间区域的上方。在整个MEMS结构中，膜片的中间区域的厚度大于膜片的***区域的厚度，从而有利于释放压电层30与衬底10连接处的应力，降低***区域和中间区域处电荷中和导致的灵敏度降低。换句话说，本申请所提供的MEMS结构提高了灵敏度。
参见图3，第一电极层20、第二电极层40和第三电极层50具有相对应的至少两个等分区。在一些实施例中，第一电极层20、第二电极层40和第三电极层50具有相对应的12个等分区。
参见图4，为了将MEMS结构的电信号传导出来，在一些实施例中，在第一等分区内，第二电极层40通过第一导线(图中未示出)引出作为MEMS结构的一个端子。第一电极层20和第三电极层50连接后与第二等分区内的第二电极层40相连，第一等分区与第二等分区相邻，依此重复连接多个相邻等分区。在第十二等分区内的第一电极层20和第三电极层50连接后作为MEMS结构的另一个端子。通过这种电极连接方式，可以在不改变输出电压的情况下，增大输出电荷，从而提高MEMS结构的输出能量。
衬底10的材料包括硅或任何合适的硅基化合物或衍生物(例如硅晶片、SOI、SiO2/Si上的多晶硅)的材料。衬底10可以具有各种形状，不限于五边形、六边形或其他规则或不规则形状。可以通过电子束蒸发、磁控溅射工艺形成第一电极层20。第一电极层20包括铝、金、铂、钼、钛、铬以及它们组成的复合膜或其他合适的材料。第二电极层40和第三电极层50的材料可以与第一电极层20的材料相同或不同。压电层30包括氧化锌、氮化铝、有机压电膜、锆钛酸铅(PZT)、钙钛矿型压电膜中的一层或多层，或其他合适的材料。可以通过CVD工艺或磁控溅射工艺或其他合适工艺形成压电层30。可以通过反应离子蚀刻等方式形成空腔11。
图5代表图1所示的结构的特定尺寸和参数下的灵敏度频响曲线。其中，衬底10的空腔11半径为500μm，压电层30中心部分和电极层半径450μm。其中电极层厚度为100nm，材料为铝(Al)。复合膜中心厚度1900nm，边缘厚度800nm。压电材料为氮化铝(AlN)。从灵敏度频响曲线可以看到，结构在100～20000Hz频率范围内，灵敏度都-42dB以上，并且在10kHz以内非常平坦。这只是给出了一种尺寸参数和材料参数，可以根据不同需要随意调节。
综上，借助于本申请的上述技术方案，本申请所提供的MEMS结构中，膜片的中间区域的厚度大于膜片的***区域的厚度，从而有利于释放压电层30与衬底10连接处的应力，降低了***区域和中间区域处电荷中和导致的灵敏度降低的几率。换句话说，本申请所提供的MEMS结构提高了灵敏度。
以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种MEMS结构，其特征在于，包括：
衬底，具有空腔；
第一电极层，悬置于所述空腔内；
压电层的第一部分，形成于所述第一电极层上方，并且与所述衬底连接；
第二电极层，形成于所述第一部分上方；
所述压电层的第二部分，形成于所述第二电极层上方；
第三电极层，形成于所述第二部分上方；
其中，所述第一电极层和所述第一部分以所述第二电极层为中性面与所述第二部分和所述第三电极层对称。
2.根据权利要求1所述的MEMS结构，其特征在于，所述第一电极层的顶面位于所述衬底的顶面下方，所述第二电极层的底面位于所述衬底的顶面的上方。
3.根据权利要求1所述的MEMS结构，其特征在于，所述第一电极层的竖直方向投影区域位于所述空腔内。
4.根据权利要求1所述的MEMS结构，其特征在于，所述第二部分形成于所述第二电极层和所述第一部分上方。
5.根据权利要求1所述的MEMS结构，其特征在于，所述第二部分的***区域的顶面低于所述第二部分的中间区域的顶面，所述第二部分的***区域与所述衬底连接，所述第三电极层形成于所述第二部分的中间区域的上方。
6.根据权利要求1所述的MEMS结构，其特征在于，所述第一电极层、所述第二电极层和所述第三电极层具有相对应的至少两个等分区。
7.根据权利要求6所述的MEMS结构，其特征在于，所述第一电极层、所述第二电极层和所述第三电极层具有相对应的12个等分区。
8.根据权利要求7所述的MEMS结构，其特征在于，
在第一等分区内，所述第二电极层通过第一导线引出作为所述MEMS结构的一个端子；
在所述第一等分区内的所述第一电极层和所述第三电极层连接后与第二等分区内的所述第二电极层相连，所述第一等分区与所述第二等分区相邻，依此重复连接多个相邻等分区；
在第十二等分区内的所述第一电极层和所述第三电极层连接后作为所述MEMS结构的另一个端子。
9.根据权利要求1所述的MEMS结构，其特征在于，所述MEMS结构还包括隔离层，所述隔离层形成于所述第二电极层的上下表面的位置处，或者所述隔离层形成于所述第一电极层的上表面和所述第三电极层的下表面的位置处。
10.根据权利要求1所述的MEMS结构，其特征在于，所述MEMS结构包括压电式MEMS麦克风。
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