CN114014254A - 一种mems结构 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种MEMS结构，包括经空腔分隔开的背板和压电复合振动层，所述背板与所述压电复合振动层构成电容结构，其中，所述压电复合振动层包括依次层叠的振动支撑层、第一电极层、压电层和第二电极层。该MEMS结构结合了压电式MEMS麦克风和电容式MEMS麦克风的特征，在接收相等的声能的条件下，该MEMS结构获得了更多的转换电能，从而提高了输出电能量,获得了较高的灵敏度。
Description
技术领域
本申请涉及声电转换装置的技术领域，具体来说，涉及一种MEMS(Micro-Electro-Mechanical System的简称，即微电子机械***)结构。
背景技术
MEMS传声器(即麦克风)主要包括电容式和压电式两种。MEMS电容传声器通过振膜和背板组成平板电容，振膜在声波作用下产生振动，导致振膜和背板之间的距离发生变化，导致平板电容的电容发生改变，从而将声波信号转化为电信号。MEMS压电传声器是利用微电子机械***技术和压电薄膜技术制备的传声器，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。
目前，电容式MEMS麦克风似乎达到了性能瓶颈，而且在最近几年也没有可观的改进；而压电式MEMS麦克风的灵敏度低，制约了其发展。
发明内容
针对相关技术中的问题，本申请提出了一种MEMS结构，能够获得较高的灵敏度并且提高输出能量。
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，包括经空腔分隔开的背板和压电复合振动层，所述背板与所述压电复合振动层构成电容结构，其中，所述压电复合振动层包括依次层叠的振动支撑层、第一电极层、压电层和第二电极层。
其中，所述背板形成在衬底上方，所述空腔形成在所述背板上方，所述压电复合振动层形成在所述空腔上方。
其中，所述MEMS结构包括所述衬底、形成在所述衬底上方的钝化层、形成在所述钝化层上方的所述背板、形成在所述钝化层上方并且与所述背板分隔开的第一间隔层、形成在所述第一间隔层上方的所述振动支撑层。
其中，所述压电复合振动层上具有第一通孔，所述第一通孔穿透所述振动支撑层、所述第一电极层、所述压电层和所述第二电极层，并且所述第一通孔与所述空腔连通。
其中，所述压电复合振动层形成在衬底上方，所述空腔形成在所述压电复合振动层上方，所述背板形成在所述空腔上方。
其中，所述MEMS结构包括形成在所述衬底上方的阻挡层、依次形成在所述阻挡层上方的所述振动支撑层、所述第一电极层、所述压电层和所述第二电极层、形成在所述阻挡层上方并且与第一电极层分隔开的第二间隔层、形成在所述第二间隔层上方的背板。
其中，所述背板包括支撑结构层和在所述支撑结构层上方的极板层。
其中，所述背板具有穿透所述支撑结构层和所述极板层的第三通孔。
其中，所述压电复合振动层上具有第二通孔，所述第二通孔穿透所述振动支撑层、所述第一电极层、所述压电层和所述第二电极层，并且所述第二通孔与所述空腔连通。
其中，所述MEMS结构还具有穿透所述衬底和所述阻挡层的背腔，所述第二通孔与所述背腔连通。所述第一电极层、所述压电层和所述第二电极层悬置在所述背腔上方。
以上本申请所提供的MEMS结构结合了压电式MEMS麦克风和电容式MEMS麦克风的特征，在接收相等的声能的条件下，该MEMS结构获得了更多的转换电能，从而提高了输出电能量,获得了较高的灵敏度。
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为本发明实施例1提供的MEMS结构的立体剖面图；
图2为本发明实施例1提供的MEMS结构的剖面图；
图3为本发明实施例2提供的MEMS结构的立体剖面图；
图4为本发明实施例2提供的MEMS结构的剖面图。
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，能够提高灵敏度并且提高输出能量。该MEMS结构可应用于传感器，如麦克风，也可以应用于执行器，如扬声器。以下将详细介绍该MEMS结构。
参见图1和图2，该MEMS结构包括经空腔14分隔开的背板13和压电复合振动层，背板13与压电复合振动层构成电容结构，其中，压电复合振动层包括依次层叠的振动支撑层15、第一电极层16、压电层17和第二电极层18。
由此可知，压电复合振动层在声波的作用下产生振动，并且基于压电效应将声能转换为电能。进一步的，将压电复合振动层当做电容的振膜，此时压电复合振动层与背板13构成平板电容，压电复合振动层的振动导致电容发生变化，从而进一步将声能转换成电能。由此，该MEMS结构结合了压电式MEMS麦克风和电容式MEMS麦克风的结构，在接收相等的声能的条件下，该MEMS结构获得了更多的转换电能，从而提高了输出电能量,获得了较高的灵敏度。
基于背板13和压电复合振动层相对于空腔14的位置不同，本申请提供了MEMS结构的两种实施例。
实施例1
衬底10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)。钝化层11形成在衬底10上方，钝化层11的材料包括二氧化硅、氮化硅。背板13形成在钝化层11上方。第一间隔层12形成在钝化层11上方并且与背板13分隔开，第一间隔层12的材料包括二氧化硅或PSG(phospho-silicate Glass，即磷硅玻璃)。
振动支撑层15形成在第一间隔层12上方，并且悬置在空腔14上方。振动支撑层15的材料包括氮化硅(Si3N4)、氧化硅、单晶硅、多晶硅构成的单层或者多层复合膜结构或其他合适的支撑材料。第一电极层16形成在振动支撑层15上方，压电层17形成在第一电极层16上方，第二电极层18形成在压电层17上方。第一压电层17可将施加的压力转换成电压，并且第一电极层16和第二电极层18可将所产生的电压传送至其他集成电路器件。压电层17包括氧化锌、氮化铝、有机压电膜、锆钛酸铅(PZT)、钙钛矿型压电膜或其他合适的材料。背板13、第一电极层16和第二电极层18的材料包括铝、金、铂、钼、钛、铬以及它们组成的复合膜或其他合适的材料。
基于以上的描述可知，背板13形成在衬底10上方，空腔14形成在背板13上方，压电复合振动层形成在空腔14上方。
优选的，在实施例1中，压电复合振动层上具有第一通孔19，第一通孔19穿透振动支撑层15、第一电极层16、压电层17和第二电极层18，并且第一通孔19与空腔14连通。该第一通孔19用于将保持空腔14和外界的气压平衡。
该压电式与电容式相结合的MEMS结构包括一组由平板电容输出的电信号和一组由压电复合振动层输出的电信号，因此能够提高MEMS结构的灵敏度。
实施例2
值得注意的是，相同的部件在实施例2和实施例1中采用相同的标号，所采用的材料也基本相同，在此不再赘述。
参见图3和图4，MEMS结构包括形成在衬底10上方的阻挡层21。阻挡层21的材料包括热氧化的二氧化硅。
MEMS结构还包括依次形成在阻挡层21上方的振动支撑层15、第一电极层16、压电层17和第二电极层18。
第二间隔层24形成在阻挡层21上方并且与第一电极层16分隔开。第二间隔层24的材料与第一间隔层12的材料可以相同。背板13形成在第二间隔层24上方。
由上述描述可知，压电复合振动层形成在衬底10上方，空腔14形成在压电复合振动层上方，背板13形成在空腔14上方。
优选的，背板13包括支撑结构层131和在支撑结构层131上方的极板层132。极板层132的材料与第一电极层16的材料可以相同。背板13具有穿透支撑结构层131和极板层132的第三通孔23。第三通孔23用于平衡气压和释放背板13上的应力。
优选的，压电复合振动层上具有第二通孔19，第二通孔19穿透振动支撑层15、第一电极层16、压电层17和第二电极层18，并且第二通孔19与空腔14连通。第二通孔19用于平衡气压和释放压电复合振动层的应力。
MEMS结构还具有穿透衬底10和阻挡层21的背腔22，第二通孔19与背腔22连通。第一电极层16、压电层17和第二电极层18悬置在背腔22上方。
综上，借助于本申请的上述技术方案，本申请所提供的MEMS结构结合了压电式MEMS麦克风和电容式MEMS麦克风的特征，在接收相等的声能的条件下，该MEMS结构获得了更多的转换电能，从而提高了输出电能量,获得了较高的灵敏度。
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，包括经空腔分隔开的背板和压电复合振动层，所述背板与所述压电复合振动层构成电容结构，其中，所述压电复合振动层包括依次层叠的振动支撑层、第一电极层、压电层和第二电极层。
2.根据权利要求1所述的MEMS结构，其特征在于，所述背板形成在衬底上方，所述空腔形成在所述背板上方，所述压电复合振动层形成在所述空腔上方。
3.根据权利要求2所述的MEMS结构，其特征在于，所述MEMS结构包括所述衬底、形成在所述衬底上方的钝化层、形成在所述钝化层上方的所述背板、形成在所述钝化层上方并且与所述背板分隔开的第一间隔层、形成在所述第一间隔层上方的所述振动支撑层。
4.根据权利要求3所述的MEMS结构，其特征在于，所述压电复合振动层上具有第一通孔，所述第一通孔穿透所述振动支撑层、所述第一电极层、所述压电层和所述第二电极层，并且所述第一通孔与所述空腔连通。
5.根据权利要求1所述的MEMS结构，其特征在于，所述压电复合振动层形成在衬底上方，所述空腔形成在所述压电复合振动层上方，所述背板形成在所述空腔上方。
6.根据权利要求5所述的MEMS结构，其特征在于，所述MEMS结构包括形成在所述衬底上方的阻挡层、依次形成在所述阻挡层上方的所述振动支撑层、所述第一电极层、所述压电层和所述第二电极层、形成在所述阻挡层上方并且与第一电极层分隔开的第二间隔层、形成在所述第二间隔层上方的背板。
7.根据权利要求6所述的MEMS结构，其特征在于，所述背板包括支撑结构层和在所述支撑结构层上方的极板层。
8.根据权利要求7所述的MEMS结构，其特征在于，所述背板具有穿透所述支撑结构层和所述极板层的第三通孔。
9.根据权利要求8所述的MEMS结构，其特征在于，所述压电复合振动层上具有第二通孔，所述第二通孔穿透所述振动支撑层、所述第一电极层、所述压电层和所述第二电极层，并且所述第二通孔与所述空腔连通。
10.根据权利要求9所述的MEMS结构，其特征在于，所述MEMS结构还具有穿透所述衬底和所述阻挡层的背腔，所述第二通孔与所述背腔连通。所述第一电极层、所述压电层和所述第二电极层悬置在所述背腔上方。
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| CN116193342A (zh) * | 2023-01-09 | 2023-05-30 | 武汉敏声新技术有限公司 | 一种电容-压电式耦合麦克风 |
| CN116193342B (zh) * | 2023-01-09 | 2023-11-24 | 武汉敏声新技术有限公司 | 一种电容-压电式耦合麦克风 |
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