[发明专利]一种压电式MEMS声传感器

说明书

本发明提供的一种压电式MEMS声传感器，包括基底、内部电极区及外部电极区，外部电极区位于内部电极区的外围，所述内部电极区与外部电极区均包括由上至下层叠的顶电极、上压电层、中间电极、下压电层和底电极；内部电极区中的顶电极、中间电极和底电极与外部电极区中的顶电极、中间电极和底电极彼此间隔；在基底的顶部设置有下支撑层，内部电极区及外部电极区均位于下支撑层上，在内部电极区及外部电极区的顶面均设置有由硅基材料制成的上支撑层。本发明具有的灵敏度高，耐静水压能力增强：能使MEMS声传感器满足不同耐压及工作水深的应用需求。

技术领域

本发明属于MEMS传感器领域，具体涉及一种压电式MEMS声传感器。

背景技术

随着微电子技术、集成电路技术和加工工艺的发展，MEMS传感器凭借体积小、重量轻、功耗低、可靠性髙、灵敏度髙、易于集成以及耐恶劣工作环境等优势，极大地促进了传感器的微型化、智能化、多功能化和网络化发展。MEMS传感器正逐步占据传感器市场，并逐渐取代传统机械传感器的主导地位，已得到消费电子产品、汽车工业、航空航天、海洋装备、机械、化工及医药等各领域的青睐。

而目前，现有灵敏度较高的压电式MEMS声传感器使用AlN材料制备其压电层，由于Mo/AlN/Mo/AlN/Mo，双电极双晶片结构的厚度受制于制造工艺，厚度存在一个约2um的极大值，不能在较高压力下工作。为提高传感器耐压能力，也有在传感器的压电层下加下支撑层，压电层为单层结构(即类似下支撑层+Mo/AlN/Mo结构)，相应的声压灵敏度较低，即不适用于较高压力环境下，需求较高灵敏度的场景。

发明内容

本发明针对上述现有技术中的不足，提供一种压电式MEMS声传感器，其结构简单设计合理，使用操作便捷，体积小，且能适用于较高压力的场景。

为了达到上述目的，本发明提供一种压电式MEMS声传感器，包括基底、内部电极区及外部电极区，外部电极区位于内部电极区的外围，所述内部电极区与外部电极区均包括由上至下层叠的顶电极、上压电层、中间电极、下压电层和底电极；内部电极区中的顶电极、中间电极和底电极与外部电极区中的顶电极、中间电极和底电极彼此间隔；在基底的顶部设置有下支撑层，内部电极区及外部电极区均位于下支撑层上，在内部电极区及外部电极区的顶面均设置上支撑层。

MEMS声传感器的结构主要以圆形薄板(半径为a)的受力情况为依据进行设计，由于Mo/Sc_xAl_1-xN/Mo/Sc_xAl_1-xN/Mo双电极双晶片结构的压电层的总厚度受制于制造工艺，存在一个极大值，一般不超过2um，当传感器受到的外部压力过大时，压电薄膜因为变形过大而破裂失效。通过上支撑层及下支撑层与顶电极、上压电层、中间电极、下压电层和底电极相结合的结构，使膜的厚度增加，耐静水压能力增强，能使MEMS声传感器满足不同耐压及工作水深的应用需求，上支撑层可以由硅基材料制成。

优选的，内部电极区、外部电极区以及内部电极区、外部电极区所在区域的上支撑层和下支撑层均向同一方向产生向外凸起或内凹的应力形变。生成上支撑层时，会产生较大残余应力，发生形变，从而带动与上支撑层结合的其他部分发生形变，通过控制应力方向，可以形成向外凸起或内凹的应力形变，增加灵敏度。而内凹的应力形变，凹向基底，则与受到应力变形方向一致，会使耐水压能力有所降低，因此，优选向外凸起的形变，能增加MEMS声传感器灵敏度和耐水压能力，因为凸起与传感器所受的外部压力方向相反，凸起可以抵消掉部分由于外部压力产生的变形，从而增加传感器正常工作时的最大外部压力，有利于该结构在更深的水环境、或受更大外部压力的环境中工作。