一种压电MEMS声学传感器的制作方法

本发明涉及声学传感器，尤其涉及一种压电mems声学传感器。

背景技术：

1、随着海洋资源勘探、海洋生态环境及海底地质活动监测等领域的快速发展，对甚低频、超低频水声信号的高灵敏度、高稳定性探测需求日益迫切，而传统的背腔结构压电mems声学传感器受振膜固有结构特性限制，将振膜下方基底完全镂空，形成全通透背腔结构，导致可动振膜等效质量较小、存在谐振频率偏高、低频段响应灵敏度不足的共性瓶颈，难以适配深海高静压、复杂噪声环境下对于低频信号的有效拾取。

2、现有的压电mems声学传感器的低频化研究方案多围绕增大振膜尺寸、改良振膜拓扑与支撑结构等方向展开，伴随器件体积增大、制备工艺复杂度提升、结构力学可靠性下降、自身热噪声增大等缺陷，无法真正实现在继续保持器件微型化的同时还能兼顾优异的低频响应性能。

3、因此，亟需开发一种无需增大器件体积、易制备的压电mems声学传感器。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中存在的不足之处，本发明提供了一种体积小、易制备的压电mems声学传感器。

2、本发明提供一种压电mems声学传感器，包括：

3、基底，所述基底形成有背腔；

4、振膜，设置于所述基底的上方并覆盖所述背腔，所述振膜在声压的作用下发生形变并产生压电响应；

5、至少一个质量块，设置于所述振膜的上表面和/或下表面；所述质量块的质心与所述振膜的质心的连线垂直于所述基底所在平面，所述质量块用于增大所述振膜的等效质量，以降低所述振膜的最终谐振频率。

6、在本申请的一些实施例中，所述质量块的质量与所述最终谐振频率满足如下关系式：

7、

8、其中，f为所述振膜加所述质量块后的最终谐振频率；

9、f0为所述振膜未加所述质量块的初始谐振频率；

10、meq为所述振膜的等效质量；

11、m为所述质量块的质量。

12、在本申请的一些实施例中，所述基底为底层硅衬底，所述底层硅衬底上依次设置有埋氧层、顶层硅器件层；

13、所述振膜包括支撑层和压电复合层，所述支撑层设置于所述压电复合层的下方，所述支撑层由所述埋氧层和所述顶层硅器件层组成，所述压电复合层自下而上包括下电极层、压电功能层和上电极层，所述下电极层设置于所述顶层硅器件层的上方；

14、所述质量块设置于所述埋氧层的下方、和/或所述上电极层的上方。

15、在本申请的一些实施例中，所述质量块的质量满足如下关系式：

16、

17、其中，m为所述质量块的质量，h为所述振膜的厚度，ν为所述振膜的材料泊松比，g为重力加速度，σallow为所述压电功能层的许用应力。

18、在本申请的一些实施例中，所述背腔贯穿所述底层硅衬底，并止于所述埋氧层的下表面；

19、当所述质量块设置于所述埋氧层下方时，所述质量块向所述背腔内延伸。

20、在本申请的一些实施例中，所述压电功能层为氮化铝压电薄膜、zno薄膜、锆钛酸铅薄膜和铌镁钛酸铅薄膜中的任意一种。

21、在本申请的一些实施例中，所述上电极层的上方还设置有绝缘保护层，用于隔离水汽、杂质，保护内部压电功能层，提高声学传感器的可靠性与环境适应性。

22、在本申请的一些实施例中，所述声学传感器采用金属封装，以适配深海高压极端环境。

23、在本申请的一些实施例中，当所述质量块设置于所述埋氧层下方时，所述质量块的材质为硅或陶瓷材质；

24、当所述质量块设置于所述上电极上方时，所述质量块的材质为金属或金属合金。

25、在本申请的一些实施例中，所述背腔为所述基底通过背腔刻蚀工艺制备形成，其中背腔光刻板的透光区内设置有遮光区，所述遮光区的中心与振膜质心的连线垂直于所述基底，以在刻蚀所述基底时，与所述遮光区对应的所述基底被保留，形成位于所述振膜下方的质量块，且所述质量块向所述背腔内延伸，所述质量块的质心与所述振膜的质心连线垂直于所述基底所在平面。

26、在本申请的一些实施例中，所述振膜的所述上电极层制备完成后，在所述上电极层的上方溅射制备所述质量块，所述质量块的质心与所述振膜的质心连线垂直于所述基底所在平面。

27、基于上述技术方案，质量块设置在振膜上，且其质心与振膜的质心连线垂直于基底，使得质量块能增加振膜的等效质量，显著降低其固有谐振频率，有效拓展器件低频响应带宽，从而大幅提升对低频声学水声信号的探测灵敏度；

28、质量块位于振膜上方时，可以选择与振膜的上电极层材质相同的材料，质量块位于振膜下方时可选择与背腔基底材质相同的材料，无需额外工艺步骤，保持了 mems工艺的兼容性与器件力学稳定性，尤其适配深海高压环境下mems水听器等低频探测器件的开发需求。

1.一种压电mems声学传感器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的压电mems声学传感器，其特征在于，所述质量块的质量与所述最终谐振频率满足如下关系式：

3.根据权利要求1所述的压电mems声学传感器，其特征在于，所述基底为底层硅衬底，所述底层硅衬底上依次设置有埋氧层、顶层硅器件层；

4.根据权利要求3所述的压电mems声学传感器，其特征在于，所述质量块的质量满足如下关系式：

5.根据权利要求3所述的压电mems声学传感器，其特征在于，所述背腔贯穿所述底层硅衬底，并止于所述埋氧层的下表面；

6.根据权利要求3所述的压电mems声学传感器，其特征在于，所述压电功能层为氮化铝压电薄膜、zno薄膜、锆钛酸铅薄膜和铌镁钛酸铅薄膜中的任意一种。

7.根据权利要求3所述的压电mems声学传感器，其特征在于，所述上电极层的上方还设置有绝缘保护层。

8.根据权利要求3所述的压电mems声学传感器，其特征在于，当所述质量块设置于所述埋氧层下方时，所述质量块的材质为硅或陶瓷材质；

9.根据权利要求3所述的压电mems声学传感器，其特征在于，所述背腔为所述基底通过背腔刻蚀工艺制备形成，其中背腔光刻板的透光区内设置有遮光区，所述遮光区的中心与振膜质心的连线垂直于所述基底，以在刻蚀所述基底时，与所述遮光区对应部分的所述基底被保留，形成位于所述振膜下方的质量块，且所述质量块向所述背腔内延伸，所述质量块的质心与所述振膜的质心连线垂直于所述基底所在平面。

10.根据权利要求9所述的压电mems声学传感器，其特征在于，所述振膜的所述上电极层制备完成后，在所述上电极层的上方溅射制备所述质量块，所述质量块的质心与所述振膜的质心连线垂直于所述基底所在平面。