[发明专利]AlN双层薄膜的单电极水听器

说明书

本发明新型结构的压电水听器主要包括真空腔，位于真空腔上面的双层AlN薄膜的压电结构。位于真空腔上面的压电层接收到声波信号时，空腔上的薄膜会产生形变，由于AlN薄膜的压电效应，薄膜表面会产生极化电荷，从而产生微弱的电信号，通过外部的信号检测电路来检测声波信号。该水听器由于使用压电材料AlN薄膜，该压电薄膜具有声阻抗低，声学耦合高、耐高温高压、检测频带宽和化学性质稳定等优点。双层压电薄膜结构可以充分提高AlN薄膜的压电性能，基于金属钼作为单电极可以简化工艺，提高成品率。MEMS水听器声波信号监测频带宽、灵敏度高、与CMOS兼容、无毒，适用于深海领域的声信号检测、生物传感技术以及复杂工业环境中的过程控制等领域。

技术领域

本发明涉及水听器领域，具体为一种宽频带、耐高温高压、抗噪能力强和高灵敏度水听器。

背景技术

水听器是基于水声学原理制造的可以测量流体中声场的器件。但是，随着人们对海洋研究的深入和军事科技的发展，需要检测信号的频率不断降低，对于水声测量系统的线谱检测能力、抗干扰能力以及抗各向同性噪声的能力的要求越来越高。低频、小型化、阵列化、低功耗、低成本成为水听器发展的重要方向。传统水听器已经显现出很多不足的地方。传统的水听器有着比较大的体积，重量比较大，声学耦合低，灵敏度较低，抗噪声干扰能力弱等问题，而基于微细加工技术的微电子机械系统（MEMS）水听器能满足这些要求，MEMS水听器的声学阻抗低使得它有着很高的声学耦合，体积小重量轻，低功耗，信号检测频带宽，且易于与配套的电子产品集成。

MEMS水听器根据传感原理可以分为压电式水听器和压阻式水听器。压阻式MEMS矢量水听器采用的是压阻原理加工得到的微结构矢量水听器，它的优点在于结构设计和制备技术已经相当成熟。但其缺点也比较多，压阻式水听器是有源器件，需要外接电源，而且有着抗噪声比较差、灵敏度也比较低、温漂大、工程应用不方便等缺点。压电式水听器，比较有代表性的压电材料有PZT，ZnO还有AlN，PZT压电薄膜具有非常好的压电性能，压电系数很高，有较好的低频特性和比较高的灵敏度。但是，PZT压电薄膜加工成的水听器存在体积较大、成本高等缺点。

发明内容

本发明为了解决现有的水听器体积大、频带窄、灵敏度不高以及难以应用于深海探测的问题，提供一种基于AlN材料双层薄膜的单电极结构的宽频带、高灵敏度、耐高压水听器。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种AlN双层薄膜的单电极水听器，包括基底硅，所述基底硅表面刻蚀出悬空腔结构后与SOI片键合，形成密封悬空腔；所述SOI片刻蚀后剩余2.5μm埋氧层作为压电薄膜的衬底，所述衬底上依次溅射50nm的AlN缓冲层、100nm的下电极层、1.0μm的AlN压电薄膜层、0.5μm的SiO₂掩膜层，开孔即依次刻蚀SiO₂掩膜层和AlN压电薄膜层后引出下电极层，所述SiO₂掩膜层上溅射200nm的上电极层。

该高灵敏度、宽频带水听器的工作原理如下：

1、压电层结构基于AlN薄膜设计成双层薄膜结构，下层AlN薄膜缓冲层有助于底电极钼的110晶向择优生长，底电极110晶向生长的好有助于上层的AlN压电薄膜002晶向生长，提高压电性能。进而可充分发挥AlN薄膜优异的物理性能和化学性能，增强水听器抗噪能力、高灵敏度、耐高温高压等性能，可适用于深海探测，该结构设计是压电水听器领域的创新。

2、压电薄膜层下方的悬空腔结构，可以保障上层的压电薄膜层充分振动，提高灵敏度；底电极设置为单电极，简化工艺流程，提高集成度和成品率。

3、基于AlN薄膜的微型水听器的主要结构将会被设计为双层压电薄膜的单电极结构键合在硅支撑层上，硅支撑层下面设计为空腔结构，以氮化铝-钼作为压电功能薄膜，要使合成的中性轴结构位于硅支撑层，因此当薄膜上有入射信号时在顶部和底部的正负电极上由于AlN薄膜很敏感的压电效应会产生正负电荷。