一种MEMS压电芯片及MEMS器件的制作方法

一种mems压电芯片及mems器件
技术领域
1.本发明属于mems技术领域，特别涉及一种mems压电芯片及mems器件。


背景技术：

2.压电材料能够实现机械能与电能的相互转化，是进行能量转换和信号传递的重要载体。 相对于块体材料，压电薄膜具有体积小、成本低、制作简单、能量转换效率高、与半导体工 艺兼容等优点，在mems器件中得到广泛应用。
3.mems压电器件，如压力传感器、水听计、麦克风等，通常是将压电薄膜集成在具有腔 体的衬底上，其结构简单，不但具有优异的防污、防尘、防水性能，且无需偏置电压，功耗 低，启动速度快。然而，由于生长工艺的限制，压电薄膜的残余应力、强度和平整度存在较 大的问题，导致膜片容易发生翘曲和形变。
4.请参阅图1和图2，现有技术中通常选择在压电薄膜30的中心设置孔隙40，以达到减小 薄膜残余应力的目的。这种设计虽然有效，且一定程度上有利于提高器件的灵敏度，但会进 一步降低薄膜的强度和平整度，且孔隙的存在会使得器件在低频输入(如压力、低频声波) 时的信号下跌，影响器件的性能。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明提供了一种mems压电芯片及mems器件，在保证压电 芯片低频响应的同时，减小压电薄膜的残余应力，进一步提高压电芯片的灵敏度，并且可以 提高压电薄膜的机械强度和平整度。
6.为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
7.一种mems压电芯片，包括由下到上依次设置的衬底、绝缘层和压电薄膜，所述衬底中 设有腔体，所述压电薄膜包括位于腔体上方的活动部和均匀分布在活动部外周且与绝缘层连 接固定的多个悬臂梁；所述活动部上设有关于活动部中心对称的一条或多条振纹，所述活动 部、悬臂梁和振纹均为一体成型结构。
8.上述方案中，相邻的悬臂梁之间存在孔隙，所述孔隙在垂直方向上与腔体不连通，即， 孔隙在垂直方向上的投影位于衬底上。
9.上述方案中，所述振纹为向上弯曲或向下弯曲，多条振纹呈纵横交错排列或者倾斜交叉 排列或者平行排列。
10.上述方案中，所述振纹在剖面上的拐角为直角或非直角。
11.上述方案中，所述悬臂梁与活动部、绝缘层连接的边界为圆弧形，悬臂梁的侧边为与活 动部径向平行的直线、或者曲线、或者折线。
12.上述方案中，所述压电薄膜自下向上依次包括下电极层、压电层及上电极层；所述下电 极层和上电极层的材料为铝、钼、钛中的一种，所述压电层的材料为aln、zno、pzt中的 一种。上述方案中，所述衬底采用半导体衬底，选自硅衬底、锗衬底、soi衬底、geoi衬底、 碳化硅衬底中的一种。
13.上述方案中，所述腔体由所述衬底的下表面凹至所述衬底的上表面形成，所述腔体贯穿 所述衬底；或所述腔体由所述衬底的上表面凹入一定深度形成，所述腔体不贯穿所述衬底。
14.一种mems器件，包含上述的mems压电芯片。
15.进一步的技术方案中，所述mems器件包括压电式压力传感器或压电麦克风。
16.通过上述技术方案，本发明提供的一种mems压电芯片及mems器件，具有如下有效 效果：
17.1、本发明通过在压电薄膜外周设置多个孔隙以形成悬臂梁，有利于减小压电薄膜的残余 应力，提高芯片的可靠性，此外，多个悬臂梁的输出信号还可进行串联，有利于增大压电芯 片的灵敏度。
18.2、本发明通过在活动部设置纵横交错的振纹，不仅可以吸收压电薄膜的应力，加强压电 薄膜的机械强度，还可以起到“锚定”的作用，提高压电薄膜的平整度，增强压电性能。
19.3、本发明的孔隙设置与腔体在垂直方向上不连通，气流或者声压无法直接从孔隙通过， 而必须经过压电薄膜与衬底之间的间隙，从而增加了气流或者声压通过狭缝的阻尼，有利于 改善mems压电芯片的低频下跌问题。
附图说明
20.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地介绍。
21.图1为现有技术中mems压电芯片的剖面结构示意图；
22.图2为现有技术中mems压电芯片的压电薄膜的平面结构示意图；
23.图3为本发明实施例提供的mems压电芯片的平面结构示意图；
24.图4为图3中a
‑
a剖面示意图；
25.图5为本发明另一实施例提供的mems压电芯片的平面结构示意图；
26.图6为图5中a
‑
a剖面示意图。
27.图中，10、衬底；101、腔体；20、绝缘层；30、压电薄膜；301、活动部；302、悬臂梁； 303、振纹；40、孔隙。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描 述。
29.需要说明的是，本发明实施例中方向性指示(诸如上、下、左、右
……
)仅用于解释在 某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则 该方向性指示也相应地随之改变。
30.本发明提供一种mems压电芯片，如图3
‑
图6所示，包括由下到上依次设置的衬底10、 绝缘层20和压电薄膜30，衬底10中设有腔体101，压电薄膜30包括位于腔体101上方的活 动部301和均匀分布在活动部301外周且与绝缘层20连接固定的多个悬臂梁302；活动部301 上设有关于活动部301中心对称的振纹303。振纹303可以为统一向上弯曲或者统一向
下弯 曲或者部分向上弯曲、部分向下弯曲。图4所示为统一向下弯曲的振纹303，图6所示为统 一向上弯曲的振纹303。多条振纹303呈纵横交错排列或者倾斜交叉排列或者平行排列，优 选图3和图5所示的纵横交错的排列方式。振纹303在剖面上的拐角为直角(图4所示)或 非直角(图6所示)。活动部301、悬臂梁302和振纹303均为一体成型结构。
31.需要说明的是，相邻的悬臂梁302之间存在孔隙40，孔隙40在垂直方向上与腔体101 不连通，即，如图4和图6所示，孔隙40在垂直方向上的投影位于衬底10上，而非腔体101 上。图3和图5中孔隙40宽度仅为示意图，孔隙40的实际数量、形状和宽度可根据mems 工艺和应用需求进行调整。
32.具体地，悬臂梁302与活动部301、绝缘层20连接的边界为圆弧形，悬臂梁302的侧边 为与活动部301径向平行的直线、或者曲线、或者折线。当悬臂梁302的侧边为与活动部301 径向平行的直线时，即图3所示的情况，孔隙40为长条状；当悬臂梁302的侧边为与活动部 301径向平行的曲线、或者折线时，即图5所示的情况，此时，振纹303的两侧边为与活动 部301径向平行的直线，这样可以保证压电薄膜的振动为上下垂直振动。悬臂梁302的侧边 为与活动部301径向平行的曲线、或者折线时，有利于进一步释放压电薄膜30的残余应力， 减少压电薄膜30的翘曲或形变，提高压电芯片的可靠性。
33.具体地，压电薄膜30自下向上依次包括下电极层、压电层及上电极层；其中，下电极层、 上电极层的材料包括但不限于铝、钼、钛的一种，压电层的材料包括但不限于aln、zno、 pzt的一种；在本发明的实施例中，下电极层和上电极层的材料均为钼，压电层的材料为aln。
34.具体地，衬底10采用常见的半导体衬底，包括但不限于硅衬底、锗衬底、soi衬底、geoi 衬底、碳化硅衬底的一种；在本发明的实施例中，衬底10采用单晶硅衬底。
35.具体地，腔体101贯穿或不贯穿衬底10；在本发明的一实施例中，如图4所示，腔体101 由衬底101的下表面凹至衬底101的上表面形成，此时，腔体101贯穿衬底10；在本发明的 另一实施例中，如图6所示，腔体101由衬底10的上表面凹入一定深度形成，此时，腔体 101不贯穿衬底10。
36.需要说明的是，本发明通过在压电薄膜30外周设置多个孔隙40以形成悬臂梁302，有 利于减小压电薄膜30的残余应力，提高芯片的可靠性，此外，多个悬臂梁302的输出信号还 可进行串联，有利于增大压电芯片的灵敏度。
37.同时，本发明通过在活动部301设置纵横交错的振纹303，不仅可以吸收压电薄膜30的 应力，加强压电薄膜30的机械强度，还可以起到“锚定”的作用，提高压电薄膜30的平整 度，提高压电性能。
38.需要说明的是，相对于现有方案，本发明的孔隙40设置与腔体101在垂直方向上不连通， 气流或者声压无法直接从孔隙40通过，而必须经过压电薄膜30与衬底10之间的间隙，从而 增加了气流或者声压通过狭缝的阻尼，有利于改善mems压电芯片的低频下跌问题。
39.本发明还提供一种mems器件，包括上述的mems压电芯片。该mems器件包括但不 限于压电式压力传感器、压电麦克风。由于mems器件采用了上述所有实施例的全部技术方 案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
40.所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
41.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些 实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理 可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被 限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的 范围。