硅基铁电微声学传感器畴极化区域控制和电极连接的方法.pdf

硅基铁电微声学传感器畴极化区域控制和电极连接的方法属于微声学传感器技术领域，其特征在于：上下电极对分为两类，分别位于微声学传感器振膜的中心区域和振膜的边缘区域，两个区域内的电极对分别串联，然后两个区域的串联电极对再串联，其中两个未连接端构成微声学传感器的输出端。在同一区域内，相邻且电学相连的串联电极对间的铁电薄膜的畴极化方向相反，而不同区域间，相邻且电学相连的串联电极对间的铁电薄膜的畴极化方向相同。采用这种可选择的铁电薄膜材料的畴极化方向的区域控制和电极连接的方法，可使微声学传感器的电压灵敏度得到成倍的提高。

1.  硅基铁电微声学传感器畴极化区域控制和电极连接的方法，其特征在于：在从上到下依次由金属键合层、隔离层、上电极、方形厚度模式极化的铁电薄膜、下电极、支撑层、硅衬底层叠而成的硅基铁电微声学传感器中，所述的畴极化区域控制和电极连接的方法依次含有以下步骤：
步骤1：把上、下电极构成的上下电极对分为两类，分别位于微声学传感器振膜的中心区域和振膜的边缘区域。所述的中心区域是指距离方形振膜中心为0.7L的区域，L为方形振膜的边长，除中心区域外的振膜其他部分为边缘区域。当有声波作用时，在中心区域和边缘区域的交界处，振膜面内应力的符号发生改变；
步骤2：把步骤1所述的两个区域内的电极对各自分别串联起来，然后两个区域内的两个串联电极对再进行一次串联；
步骤3：在对上下电极间的铁电薄膜进行极化操作时，当在同一区域的串联电极对上施加不同极性的极化电压时，使相邻且电学相连的串联电极对间的铁电薄膜的畴极化方向相反，则上述两个串联电极对的各自的悬空端构成上述微声学传感器的输出端，声波输入时，输出电压为上述两个串联电极对上的诱导电压之和；当在同一区域的串联电极对上施加相同极性的极化电压时，使相邻且电学相连的串联电极对间的铁电薄膜的畴极化方向相同，则上述两个串联电极对的悬空端和连接端之间构成上述微声学传感器的两对输出端，声波输入时，每一对输出端的输出电压为各自串联电极对上的诱导电压之和；当在不同区域的串联电极对上施加相同极性的极化电压时，使相邻且电学相连的串联电极对间的铁电薄膜的畴极化方向相同，则上述两个串联电极对的各自的悬空端构成上述微声学传感器的输出端，声波输入时，输出电压为上述两个串联电极对上的诱导电压之和；当在不同区域的串联电极对上施加不同极性的极化电压时，使相邻且电学相连的串联电极对间的铁电薄膜的畴极化方向相反，则上述两个串联电极对的悬空端和连接端之间构成上述微声学传感器的两对输出端，声波输入时，每一对输出端的输出电压为各自串联电极对上的诱导电压之和；

2.  根据权利要求1所述的硅基铁电微声学传感器畴极化区域控制和电极连接的方法，其特征在于：在工艺条件许可的情况下，对所述的上下电极对进行N等分(N≥2)。

硅基铁电微声学传感器畴极化区域控制和电极连接的方法
技术领域
本发明涉及硅基铁电微声学传感器技术领域，尤其涉及微声学传感器电压灵敏度提高方法的问题。
背景技术
微声学传感器在音频和超声频段都有着广泛的应用，包括手机麦克风、助听器、监听设备、测距设备、生物医学成像、无损检测以及在其他一些小型便携设备上的应用。因为采用了硅微机械加工技术，微声学传感器具有尺寸小、制作成本低和可与片上电路相集成的优点。现有文献对微声学传感器的工作原理有诸多报道，它们主要可分为两大类：电容式微声学传感器和压电式微声学传感器。相对于电容式微声学传感器而言，压电式微声学传感器在制作时不需要制备微小的空气间隙，在工作时不需要偏置电压，因而制作工艺相对简单，工作条件要求相对较低，而且具备器件可靠性较高的特点；但是，压电式微声学传感器的灵敏度较低成为其致命的缺点。
为了提高压电式声学传感器灵敏度，我们可以采用压电系数较高的压电材料。在早期的微声学传感器中，最常用的压电材料是氧化锌(ZnO)和聚偏二氟乙烯(PVDF)。我们知道，铁电材料锆钛酸铅(PZT)是最重要的压电陶瓷材料之一，它的压电系数要高出ZnO和PVDF一个数量级，随着PZT薄膜制备工艺的发展，采用PZT薄膜替代ZnO薄膜和PVDF薄膜可望提高微声学传感器的电荷灵敏度。然而，PZT同时具有较大的相对介电常数，微声学传感器的电压灵敏度并不能得到提高。
另一个提高声学传感器灵敏度的方法是使用双压电晶片结构代替单压电晶片结构，这种方法在压电陶瓷器件中已得到广泛的应用，但是对于微声学传感器而言，利用与微机械加工技术相兼容的工艺来制备双压电晶片的薄膜结构目前尚具有相当大的难度，而且在近期内也难以实现。
因而，我们不得不寻找另外一种新的方法来提高微声学传感器的电压灵敏度，并且这种方法要和硅基的微机械加工技术相兼容。
发明内容
本发明的目的在于寻找一种与现有硅基微机械加工技术相兼容的方法，来提高硅基铁电微声学传感器的电压灵敏度。
本发明的特征在于硅基铁电微声学传感器畴极化区域控制和电极连接的方法，其特征在于：在从上到下依次由金属键合层、隔离层、上电极、方形厚度模式极化的铁电薄膜、下电极、支撑层、硅衬底层叠而成的硅基铁电微声学传感器中，所述的畴极化区域控制和电极连接的方法依次含有以下步骤：
步骤1：把上、下电极构成的上下电极对分为两类，分别位于微声学传感器振膜的中心区域和振膜的边缘区域。所述的中心区域是指距离方形振膜中心为0.7L的区域，L为方形振膜的边长，除中心区域外的振膜其他部分为边缘区域。当有声波作用时，在中心区域和边缘区域的交界处，振膜面内应力的符号发生改变；
步骤2：把步骤1所述的两个区域内的电极对各自分别串联起来，然后两个区域内的两个串联电极对再进行一次串联；
步骤3：在对上下电极间的铁电薄膜进行极化操作时，当在同一区域的串联电极对上施加不同极性的极化电压时，使相邻且电学相连的串联电极对间的铁电薄膜的畴极化方向相反，则上述两个串联电极对的各自的悬空端构成上述微声学传感器的输出端，声波输入时，输出电压为上述两个串联电极对上的诱导电压之和；当在同一区域的串联电极对上施加相同极性的极化电压时，使相邻且电学相连的串联电极对间的铁电薄膜的畴极化方向相同，则上述两个串联电极对的悬空端和连接端之间构成上述微声学传感器的两对输出端，声波输入时，每一对输出端的输出电压为各自串联电极对上的诱导电压之和；当在不同区域的串联电极对上施加相同极性的极化电压时，使相邻且电学相连的串联电极对间的铁电薄膜的畴极化方向相同，则上述两个串联电极对的各自的悬空端构成上述微声学传感器的输出端，声波输入时，输出电压为上述两个串联电极对上的诱导电压之和；当在不同区域地串联电极对上施加不同极性的极化电压时，使相邻且电学相连的串联电极对间的铁电薄膜的畴极化方向相反，则上述两个串联电极对的悬空端和连接端之间构成上述微声学传感器的两对输出端，声波输入时，每一对输出端的输出电压为各自串联电极对上的诱导电压之和；
所述的硅基铁电微声学传感器畴极化区域控制和电极连接的方法，其特征在于：在工艺条件许可的情况下，可以对所述的上下电极对进行N等分(N≥2)。
本发明的优点是充分利用微机械加工技术易于实现小尺寸复杂图形的特点，制作线条尺寸小要求精度高的上下电极图形，并形成特定的连接方式，通过对不同区域内铁电薄膜的畴极化方向进行控制，避免了上下电极间的直接连接，降低了上下电极间互连的难度，最终达到提高微声学传感器电压灵敏度的目的。此方法与硅基微机械加工工艺相兼容，工艺简单，成本较低，重复性好，可靠性高，适合大批量生产。
附图说明
图1，硅基铁电微声学传感器振膜的横截面示意图；
图2，微声学传感器振膜的中心区域和边缘区域的顶视图；
图3-a，无畴极化区域控制的声学传感器的电极连接方式示意图；
图3-b，附图3-a声学传感器的极化方式示意图；
图4-a，无畴极化区域控制的声学传感器的另一电极连接方式示意图；
图4-b，附图4-a声学传感器的极化方式示意图；
图5-a，可选择畴极化区域控制的微声学传感器的电极连接方式示意图；
图5-b，附图5-a微声学传感器的极化方式示意图；
图5-c，附图5-a微声学传感器的另一极化方式示意图；
图6-a，可选择畴极化区域控制的微声学传感器的另一电极连接方式示意图；
图6-b，附图6-a微声学传感器的下电极连接方式示意图；
图6-c，附图6-a微声学传感器的上电极连接方式示意图；
图6-d，附图6-a微声学传感器的极化方式示意图。
具体完成方式
本发明在硅基铁电微声学传感器中采用可选择的畴极化区域控制和优化的电极连接方法，来提高微声学传感器的电压灵敏度。
硅基铁电微声学传感器由铁电薄膜、多组上下电极对、支撑层、隔离层、金属键合层和硅衬底组成，利用压电效应来完成电能和声能之间的能量转换。介于上下电极间的是铁电薄膜材料，对其进行厚度模式极化，利用其压电效应来实现能量转换。上下电极对分为两类，分别是位于微声学传感器振膜的中心区域和振膜的边缘区域，两个区域内的电极对分别串联起来，然后两个区域内的串联电极对再经过一次串联成为微声学传感器的输出端。在同一区域内，相邻的串联电极对间的铁电薄膜的畴极化方向相反，而不同区域内，相邻的串联电极对间的铁电薄膜的畴极化方向相同。采用这种可选择的铁电材料畴极化区域控制和电极连接方式，可使微声学传感器的电压灵敏度得到大幅的提高。
硅基铁电微声学传感器振膜的横截面示意图如附图1所示。硅衬底101可以是(100)晶向或者(111)晶向的单晶硅材料。支撑层102可以是氮化硅、氧化硅或者氮化硅和氧化硅的复合膜，支撑层102位于硅衬底101上方，并与硅衬底101固结在一起。通过湿法腐蚀或者干法腐蚀的方法在硅衬底101上制作一个开口100，开口100上表面与支撑层102相连。由于开口100的存在，微声学传感器的多层复合振膜容易在声压的作用产生机械振动。
下电极103淀积在支撑层102上面，下电极103是导电的金属材料，可以是金(Au)、铬/金(Cr/Au)、铂(Pt)或者钛/铂(Ti/Pt)。下电极103除了完成电连接以外，还使铁电薄膜在制备阶段的晶化过程中产生特定的取向。同时，下电极103也使铁电薄膜104与支撑层102紧密的结合在一起。而支撑层102的存在防止了下电极金属材料103向硅衬底101的扩散。
上电极105淀积在铁电薄膜104上面，上电极105是导电的金属材料，可以是金(Au)、铬/金(Cr/Au)、铂(Pt)或者钛/铂(Ti/Pt)。上电极105和下电极103分别位于在铁电薄膜104的上下表面，作为极化时的电压输入端和工作时的电压输出端。铁电薄膜104材料为铁电材料锆钛酸铅(PZT)，同时PZT中可选择元素镧(La)、锶(Sr)、锑(Sb)、镍(Ni)、锰(Mn)、铁(Fe)中的一种或者多种进行掺杂，以期得到特定的掺杂属性。
隔离层106淀积在上电极105上面，隔离层106可以是氧化硅、氮化硅或者其他的绝缘材料。金属键合层107淀积在隔离层106上面，金属键合层107通常为金属铝(Al)。隔离层106使得金属键合层107与上电极105相互绝缘，在需要连接的地方，金属键合层107通过接触孔108与上电极105相连接。同时，隔离层106还保护传感器在制作和使用的过程中不受潮气和灰尘等的污染。
尽管理论表明，相同条件下圆形振膜比方形振膜能使声学传感器具备更高的性能，但是在硅基的微机械加工工艺中，我们更容易通过各向异性的湿法腐蚀在(100)或者(111)取向的硅衬底上产生方形的图形。微声学传感器方形振膜对中心区域和边缘区域的界定如附图2所示。对于四周夹固的方形振膜，当有声波作用在其表面时，振膜将发生机械形变。由于发生了形变，振膜将产生面内的应力分布，面内应力的大小和符号与该点所处振膜的位置相关。理论计算表明，薄膜面内应力的符号改变发生在薄膜距离中心约0.7L(L为方形薄膜边长)处209，于是，我们界定距离方形振膜中心距离为0.7L的区域为中心区域210，除中心区域外的振膜其他部分为边缘区域211。
对于(001)取向的PZT铁电薄膜，假定其轴向为+z方向，在一定声压作用下，由压电效应，其电位移矢量D_z和面内应力σ_xy的关系可表示为
D_z(x，y，z)＝d₃₁(σ_x+σ_y)                                             (1)
在表达式(1)中，d₃₁为压电应力系数，σ_x和σ_y为面内应力σ_xy的x方向和y方向的分量。在一定声压作用下，上下电极间的诱导电荷可以通过对电位移矢量D_z在电极平面xy内进行积分得到
Q = ∫ A 0 ∫ z i z 0 D z ( x , y , z ) Z 0 - Z i dzd A 0 = ∫ A 0 ∫ z i z 0 d 31 ( σ x + σ y ) Z 0 - Z i dzd A 0 - - - ( 2 ) ]]>
上下电极对间的诱导电荷再对电极电容进行微分，可得到上下电极对间的诱导电压
v = ( z 0 - z i A 0 ϵ 33 ) ∫ A 0 ∫ z i z 0 d 31 ( σ x + σ y ) Z 0 - Z i dzd A 0 - - - ( 3 ) ]]>
在表达式(2)和(3)中，z₀和z_i分别为中性面到下电极和上电极的距离，A₀为电极对的面积，ε₃₃为铁电薄膜材料的相对介电常数在z方向的分量。
表达式(2)表明，为了使特定电极面积内的诱导电压得到最大，要保证在该电极内的面内应力符号必须保持一致，否则的话，符号相反的面内应力产生的符号相反的诱导电荷将相互抵消，从而降低传感器的电压灵敏度。因此，要求同一个上下电极对必须完全分布在薄膜的中心区域或者边缘区域，不允许同一上下电极对的一部分分布在中心区域而另一部分分布在边缘区域，也就是说同一个上下电极对不能跨越面内应力符号改变的区域209。而表达式(3)表明，存在声波作用时，上下电极对上诱导电压的符号与该电极对所处区域以及该电极对间铁电薄膜的畴极化方向有关。因而，可以通过适当的畴极化方向控制和电极连接方法，使得微声学传感器的输出电压为各串联电极对上的诱导电压之和，从而达到提高电压灵敏度的目的。
无畴极化区域控制的声学传感器的电极连接方式示意图如附图3-a所示。中心电极对312和303位于中心区域310。中心电极对312和303之间的铁电薄膜304的畴极化方向沿铁电薄膜304的厚度方向向上或者向下(附图3-a中中心电极对312和303之间的铁电薄膜304的畴极化方向沿铁电薄膜304的厚度方向向下)。中心电极对312和303作为极化时的电压输入端，如附图3-b所示。同时，中心电极对312和303作为工作时的电压输出端。
无畴极化区域控制的声学传感器的另一电极连接方式示意图如附图4-a所示。中心电极对412和403位于中心区域410。而边缘电极对413和403位于边缘区域411。中心电极对412和403之间的铁电薄膜404和边缘电极对413和403的铁电薄膜404的畴极化方向相同，均沿铁电薄膜404的厚度方向向上或者向下(附图4-a中中心电极对412和403与边缘电极对413和403之间的铁电薄膜404的畴极化方向均沿铁电薄膜404的厚度方向向下)。极化时，中心电极对412和403与边缘电极对413和403分别作为极化电压输入端，如附图4-b所示。而工作时，两个上电极412和413作为声学传感器的电压输出端。这时，可以看作将中心电容和边缘电容通过下电极相串联，其输出电压值为两个电容两端电压值之和，因而存在中心电极对和边缘电极对串联的声学传感器的电压灵敏度是只有中心电极对时的两倍。
可选择畴极化区域控制的微声学传感器的电极连接方式如附图5-a所示。中心电极对514和503以及中心电极对515和503都位于中心区域510。可以看作把附图3-a中的中心电极对312和303一分为二，每个电极对上诱导电荷变为原来的一半，同时每个电极对的电容值也变为原来的一半，所以每个电极对上的诱导电压保持不变。中心电极对514和503以及中心电极对515和503之间的铁电薄膜504的畴极化方向相反，即中心电极对514和503之间的铁电薄膜504的畴极化方向沿铁电薄膜504的厚度方向向上或者向下，而中心电极对515和503之间的铁电薄膜504的畴极化方向沿铁电薄膜504的厚度方向向下或者向上。(附图5-a中中心电极对514和503之间的铁电薄膜504的畴极化方向沿铁电薄膜504的厚度方向向下，而电极对515和503之间的铁电薄膜504的畴极化方向沿铁电薄膜504的厚度方向向上。)上电极514和515之间的间隙要尽可能的小，因为前面提到面内应力最大的地方在振膜的中心和边缘处，如果留的间隙过大，将会对提高传感器的灵敏度造成损失。对中心电极对514和503与中心电极对515和503之间的铁电薄膜504的极化可采取两种方式，见附图5-b和附图5-c所示，其中附图5-b中，极化电压为V_极化，需要单独对中心电极对514和503以及中心电极对515和503之间的铁电薄膜504进行极化，而附图5-c中，极化电压为2V_极化，但仅需一次极化，可以提高极化效率。两个上电极514和515作为工作时微声学传感器的输出端，可以看作两个电容通过下电极相串联，其输出电压值为两个电容两端电压值之和，因而相对于图3-a所示的情况而言，图5-a中所示微声学传感器的电压灵敏度可以提高近一倍。
可选择畴极化区域控制的微声学传感器的另一电极连接方式如附图6-a所示。中心电极对616和617、中心电极对618和619、中心电极对620和621以及中心电极对622和623都位于中心区域610。边缘电极对624和625、边缘电极对626和627、边缘电极对628和629以及边缘电极对630和631都位于边缘区域611。可以看作把附图4-a中的中心电极对412和403以及边缘电极对413和403各自一分为四，每个电极对上诱导电荷变为原来的四分之一，同时每个电极对的电容值也变为原来的四分之一，所以每个电极对上的诱导电压保持不变。下电极连接条632将相邻的中心电极对616和617与中心电极对618和619相连接，下电极连接条633将相邻的中心电极对620和621与中心电极对622和623相连接，下电极连接条634将相邻的边缘电极对624和625与边缘电极对626和627相连接，下电极连接条635将相邻的边缘电极对628和629与中心电极对630和631相连接。而上电极连接条636将相邻的中心电极对618和619与中心电极对619和620相连接，上电极连接条637将相邻的边缘电极对626和627与边缘电极对628和629相连接，上电极连接条638将相邻的中心电极对616和617与边缘电极对624和625相连接。中心电极对电极对616和617、中心电极对618和619、中心电极对620和621以及中心电极对622和623之间的铁电薄膜604的畴极化方向均沿铁电薄膜604的厚度方向向上或者向上，并且相邻两个中心电极对间的铁电薄膜604的畴极化方向相反。边缘电极对电极对624和625、边缘电极对626和627、边缘电极对628和629以及边缘电极对630和631之间的铁电薄膜604的畴极化方向均沿铁电薄膜604的厚度方向向上或者向上，并且相邻两个边缘电极对间的铁电薄膜604的畴极化方向相反。通过上电极连接条638连接的相邻的中心电极对616和617与边缘电极对624和625之间的铁电薄膜604的畴极化方向相同。(附图6中，中心电极对616和617之间的铁电薄膜604的畴极化方向沿铁电薄膜604的厚度方向向下，中心电极对618和619之间的铁电薄膜604的畴极化方向沿铁电薄膜604的厚度方向向上，中心电极对620和621之间的铁电薄膜604的畴极化方向沿铁电薄膜604的厚度方向向下，中心电极对622和623之间的铁电薄膜604的畴极化方向沿铁电薄膜604的厚度方向向上，边缘电极对624和625之间的铁电薄膜604的畴极化方向沿铁电薄膜604的厚度方向向下，边缘电极对626和627之间的铁电薄膜604的畴极化方向沿铁电薄膜604的厚度方向向上，边缘电极对628和629之间的铁电薄膜604的畴极化方向沿铁电薄膜604的厚度方向向下，边缘电极对630和631之间的铁电薄膜604的畴极化方向沿铁电薄膜604的厚度方向向上。)上电极616、618、620和622之间的间隙和下电极617、619、621和623之间的间隙要尽可能的小，因为前面提到面内应力最大的地方出现在振膜的中心和边缘处，如果留的间隙过大，将会对提高传感器的灵敏度造成损失。对中心电极对616和617、中心电极对618和619、中心电极对620和621与中心电极对622和623以及边缘电极对624和625、边缘电极对626和627、边缘电极对628和629与边缘电极对630和631之间的铁电薄膜604同样可采取两种极化方式，第一种方法是对每个电极对采取单独极化的方式，极化电压为+V_极化或者-V_极化，这种方法的特点是极化电压小，但是极化效率低；第二种方法是采用串联极化的方式，如附图6-b所示，极化端为上电极616和622以及上电极624和630，极化电压均为+4V_极化。值得注意的是，为了保证串联极化时，每个电极对上的电压均分为V_极化，要求各个电极对的面积，也即电容值相等。正常工作时，上电极622和630作为微声学传感器的输出端，其输出电压为8个电极对上诱导电压之和，因而相对于图4-a所示的情况而言，图6-a中所示微声学传感器的电压灵敏度可以提高到原来的近四倍。
可以预计在工艺条件允许的情况下，通过对电极对的更细划分(比如八等分、十六等分等)和电极对间的适当连接以及铁电薄膜的畴极化区域控制，将会进一步提高微声学传感器的电压灵敏度。