阅读说明：本技术 一种压电式麦克风及其制备工艺 (Piezoelectric microphone and preparation process thereof ) 是由 童贝 石正雨 沈宇 李杨 于 2020-07-10 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种压电式麦克风及其制备工艺,压电式麦克风包括具有背腔的基底和设于所述基底上的压电振膜,所述压电振膜包括固定于所述基底上的振膜层以及固定于所述振膜层上的压电单元,所述压电式麦克风还包括罩盖在所述振膜层上方的壳体,所述壳体和所述振膜层合围形成容置所述压电单元的收容腔,所述收容腔为真空环境。本发明可以增大压电单元的输出电压,提高压电式麦克风的灵敏度。(The invention provides a piezoelectric microphone and a preparation process thereof, wherein the piezoelectric microphone comprises a substrate with a back cavity and a piezoelectric diaphragm arranged on the substrate, the piezoelectric diaphragm comprises a diaphragm layer fixed on the substrate and a piezoelectric unit fixed on the diaphragm layer, the piezoelectric microphone also comprises a shell covered above the diaphragm layer, the shell and the diaphragm layer surround to form an accommodating cavity for accommodating the piezoelectric unit, and the accommodating cavity is in a vacuum environment. The invention can increase the output voltage of the piezoelectric unit and improve the sensitivity of the piezoelectric microphone.)

一种压电式麦克风及其制备工艺

【技术领域】

本发明属于麦克风技术领域，尤其涉及一种压电式麦克风及其制备工艺。

【背景技术】

MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)麦克风是一种利用微机械加工技术制作出来的电能换声器，其具有体积小、频响特性好、噪声低等特点。随着电子设备的小巧化、轻薄化发展，MEMS麦克风被越来越广泛地运用到这些设备上。压电式MEMS麦克风相比于传统的电容式MEMS麦克风具有很多优势，包括防尘性和防水性以及较高的最大输出声压(AOP)等。

相关技术中，压电式MEMS麦克风振膜由多个膜片组成，并且多个膜片通过弹性连接固定在开有背腔的基底上，振膜的上下部分都是空气。该压电式MEMS麦克风在进行封装后，密闭空气环境阻碍了振膜的运动，从而导致压电单元的输出电压减小，MEMS麦克风的灵敏度大幅下降。

【

发明内容

】

本发明的目的在于提供一种压电式麦克风及其制备工艺，旨在增大压电单元的输出电压，提高压电式麦克风的灵敏度。

本发明的技术方案如下：一种压电式麦克风，包括具有背腔的基底和设于所述基底上的压电振膜，所述压电振膜包括固定于所述基底上的振膜层以及固定于所述振膜层上的压电单元，其特征在于：所述压电式麦克风还包括罩盖在所述振膜层上方的壳体，所述壳体和所述振膜层合围形成容置所述压电单元的收容腔，所述收容腔为真空环境。

进一步地，所述壳体为硅、氮化硅、聚乙烯或玻璃材质。

进一步地，所述基底包括合围形成所述背腔的侧壁，所述压电单元沿所述振膜层的振动方向的正投影与所述侧壁沿所述振膜层的振动方向的正投影部分重叠。

进一步地，所述振膜层为整体连续结构。

进一步地，所述压电单元包括多个压电片，多个所述压电片中心对称设置，相邻两个所述压电片之间间隔设置。

进一步地，所述压电单元包括依次叠设于所述振膜层上的第一电极层、压电层以及第二电极层，所述第一电极层和所述第二电极层为铝、钼或钛材质，所述压电层为氮化铝、氧化锌、掺钪氮化铝或锆钛酸铅压电陶瓷材质。

进一步地，所述振膜层为氮化铝、多晶硅、二氧化硅或氮化硅材质。

本发明还提供了一种压电式麦克风的制备工艺，包括以下步骤：

步骤S1：提供基底，在所述基底的表面沉积第一氧化层；

步骤S2：在所述第一氧化层的表面沉积振膜层；

步骤S3：在所述振膜层的表面沉积压电单元；

步骤S4：对所述压电单元进行刻蚀；

步骤S5：在所述压电单元的表面沉积形成罩盖在所述振膜层上方的壳体，所述壳体和所述振膜层合围形成容置所述压电单元的收容腔；

步骤S6：对所述基底背离所述振膜层的另一表面进行刻蚀，形成背腔。

进一步地，步骤S5具体包括：

步骤S51：在所述压电单元的表面覆盖第二氧化层，并进行抛光和图案化处理；

步骤S52：在所述第二氧化层表面沉积第一密封层；

步骤S53：刻蚀所述第一密封层形成释放孔，释放所述第二氧化层形成所述收容腔；

步骤S54：密封所述释放孔。

进一步地，所述步骤S5具体包括：

步骤S501：在所述振膜层的边缘沉积周壁层，所述周壁层环绕所述压电单元；

步骤S502：提供第二密封层；

步骤S503：将所述周壁层和所述第二密封层进行键合形成所述壳体。

本发明的有益效果在于：通过在振膜层的上方设置壳体，壳体和振膜层合围形成容置压电单元的收容腔，且收容腔为真空环境，因此振膜层在振动时受到的空气阻尼大大减少，相同声压作用下压电单元的输出电压会增大，有效提高了麦克风的灵敏度。

【附图说明】

图1是本发明第一实施例提供的压电式麦克风的整体结构示意图；

图2是本发明第一实施例提供的压电式麦克风的分解结构示意图；

图3是图1的A-A方向断面示意图；

图4是本发明第二实施例提供的压电式麦克风的制备流程图；

图5～图13是本发明第二实施例提供的压电式麦克风的制备工艺示意图；

图14是本发明第三实施例在振膜层的边缘沉积周壁层的制备工艺示意图；

图15是本发明第三实施例在周壁层上提供第二密封层的制备工艺示意图。

【

具体实施方式

】

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

实施例：

请参阅图1至图2，为本发明第一实施例提供的一种压电式麦克风，包括具有背腔4的基底1和设于基底1上的压电振膜2，压电振膜2包括固定于基底1上的振膜层21以及固定于振膜层21上的压电单元22。压电单元22受压带动振膜层21在背腔4上方的空间产生形变，进而产生电压信号。

本实施例中，如图2所示，压电式麦克风还包括罩盖在振膜层21上方的壳体3，壳体3和振膜层21合围形成容置压电单元22的收容腔5，收容腔5为真空环境。通过设置罩盖在振膜层21上方的壳体3，壳体3和振膜层21合围形成容置压电单元22的收容腔5，且收容腔5为真空环境，因此振膜层21在振动时受到的空气阻尼大大减少，相较于相关技术，相同声压作用下压电单元22的输出电压会增大，有效提高了麦克风的灵敏度。

具体的，壳体3包括沿振膜层21的边缘周向设置的周壁31以及盖接在周壁31远离振膜层21一侧的顶壁32，周壁31与振膜层21固定且周壁31与振膜层21的边缘平齐。周壁31与振膜层21的边缘平齐，使得压电式麦克风整体均衡稳定，也更加美观。本实施例的振膜层21为整体连续结构，振膜层21不存在断层或空隙，因此能够保证在振膜层21的上方形成完全真空的真空腔5。

优选的，壳体3为硅、氮化硅、聚乙烯或玻璃材质，当然，壳体3也可以为氮化硅、聚乙烯或玻璃材料的组合。

进一步地，基底1包括合围形成背腔4的侧壁11，压电单元22沿振膜层21的振动方向的正投影与侧壁11沿振膜层21的振动方向的正投影部分重叠。也就是说，压电单元22的边沿至少部分横向超出背腔4的边缘，如此设置，当振膜层21发生振动时，压电单元22对应背腔4的边缘的部分会受到更大的应力，从而进一步增大压电单元22的输出电压。

本实施例的压电单元22包括依次叠设于振膜层21上的第一电极层222、压电层223以及第二电极层224，第一电极层222、压电层223以及第二电极层224的边缘相互平齐。基底1为微硅基片，振膜层21设置于基底1上，第一电极层222设置在振膜层21上，压电层223设置在第一电极层222上，第二电极层224设置在压电层223上。其中，第一电极层222和第二电极层224为铝、钼或钛材质，或者上述多种材料的组合，压电层223为氮化铝、掺钪氮化铝、氧化锌或锆钛酸铅压电陶瓷材质，或者上述多种材料的组合，振膜层21为氮化铝、多晶硅、二氧化硅或氮化硅材质，或者上述多种材料的组合。本实施例中压电单元22的层数为三层，在其它实施例中，压电单元22的层数还可以为四层、五层、六层或更多，本实施例对此不做限制。

压电单元22包括多个压电片221，多个压电片221中心对称设置，相邻两个压电片221之间间隔设置。优选的，压电单元22包括四个压电片221，四个压电片221均为三角形结构，且四个压电片221的大小相等，四个压电片221合围形成正方形结构。压电单元22由多个相互间隔设置的压电片221组成，并且每一压电片221自振膜层21的中央位置上方延伸至振膜层21的边缘上方，可以使得压电区的中心区域具有更大的形变量，从而提高压电式麦克风的灵敏度，提升了产品性能的均匀性，并且压电片221之间可以设置为具有相等的间隔以提升产品结构的一致性和均匀性。在其他可能的实施方式中，压电片221也可以为扇形结构，多个扇形的压电片221合围形成圆形结构。

请参阅图4，本发明第二实施例还提供了一种压电式麦克风的制备工艺，包括以下步骤：

步骤S1：提供基底1，在基底1的表面沉积第一氧化层6，如图5所示；

具体地，基底1为微硅基片，在沉积第一氧化层6之前，可先对基底1进行清洗处理。第一氧化层6可以为二氧化硅，采用低压力化学气相沉积法或等离子体增强化学气相沉积法等工艺形成。

步骤S2：在第一氧化层6的表面沉积振膜层21，如图6所示；

具体地，振膜层21为氮化铝、多晶硅、二氧化硅、聚合物或氮化硅材质，或者上述多种材料的组合。

步骤S3：在振膜层21的表面沉积压电单元22，如图7所示；

具体地，包括以下子步骤：

步骤S31：在振膜层21的表面沉积第一电极层222，第一电极层222为铝、钼或钛材质，或者上述多种材料的组合。

步骤S32：在第一电极层222的表面沉积压电层223，压电层223为氮化铝、掺钪氮化铝、氧化锌或锆钛酸铅压电陶瓷材质，或者上述多种材料的组合。

步骤S33：在压电层223的表面沉积第二电极层224，第二电极层224为铝、钼或钛材质，或者上述多种材料的组合。

步骤S4：对压电单元22进行刻蚀，如图8所示；

具体地，采用干法刻蚀，形成多个压电片221，多个压电片221中心对称设置，相邻两个压电片221之间间隔设置。

步骤S5：在压电单元22的表面沉积形成罩盖在振膜层21上方的壳体3，壳体3和振膜层21合围形成容置压电单元22的收容腔5；

需要说明的是，步骤S5是在真空环境中制备的，从而保证最终形成的收容腔5处于真空环境中。具体地，步骤S5包括以下子步骤：

步骤S51：在压电单元22的表面覆盖第二氧化层7，并进行抛光和图案化处理，如图9所示。具体地，第二氧化层7为二氧化硅。

步骤S52：在第二氧化层7表面沉积第一密封层8，如图10所示；第一密封层8为氮化硅或聚合物材质。

步骤S53：刻蚀第一密封层8形成释放孔81，释放第二氧化层7以形成收容腔5，如图11所示；

释放孔81用于去除第一密封层8和振膜层21之间的位于中央主体区域的第二氧化层7，直至露出振膜层21，形成容置压电单元22的收容腔5。

步骤S54：密封释放孔81，如图12所示。可以在释放孔81的区域沉积与第一密封层8相同的材料，以对释放孔81进行密封。

步骤S6：对基底1背离振膜层21的另一表面进行刻蚀，形成背腔4，如图13所示。具体地，先对基底1背离振膜层21的另一表面进行ICP深刻蚀，刻蚀停止于第一氧化层6，形成背腔4区域，接着采用BOE溶液或HF气相刻蚀技术对第一氧化层6进行释放，最终形成本发明实施例的压电式麦克风。

本发明第三实施例提供了一种压电式麦克风的制备工艺，第三实施例与第二实施例的唯一不同点在于，在压电单元22的表面沉积壳体3的方法不同。具体地，包括以下步骤：

步骤S11：提供基底1，在基底1的表面沉积第一氧化层6；

步骤S21：在第一氧化层6的表面沉积振膜层21；

步骤S31：在振膜层21的表面沉积压电单元22；

步骤S41：对压电单元22进行刻蚀；

步骤S51：在压电单元22的表面形成罩盖在振膜层21上方的壳体3，壳体3和振膜层21合围形成容置压电单元22的收容腔5；

步骤S51包括以下子步骤：

步骤S501：在振膜层21的边缘沉积周壁层70，周壁层70环绕压电单元22，如图14所示。

步骤S502：提供第二密封层80，如图15所示。

步骤S503：将周壁层70和第二密封层80进行键合，从而将周壁层70顶部和第二密封层80进行密封，形成容置压电单元22的收容腔5。具体的，所述周壁层70和第二密封层80可以通过共晶键合、阳极键合或低温焊料键合。

步骤S61：对基底1背离振膜层21的另一表面进行刻蚀，形成背腔4。

综上所述，本发明实施例提供的压电式麦克风，通过在振膜层21的上方设置壳体3，壳体3和振膜层21合围形成容置压电单元22的真空腔5，因此振膜层21在振动时受到的空气阻尼大大减少，相同声压作用下压电单元22的输出电压会增大，有效提高了麦克风的灵敏度。

以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。