[实用新型]压电微机电声学换能器和电子设备

说明书

本公开的实施例涉及压电微机电声学换能器和电子设备。一种压电微机电声学换能器，该压电微机电声学换能器具有：半导体衬底，该半导体衬底具有框架部分和由框架部分内部限定的通腔；主动膜，该主动膜悬置在通腔上方，并且通过锚固结构在其外围部分锚固到衬底的框架部分，由主动膜的前表面承载的多个压电传感元件用以检测主动膜的机械应力；被动膜，该被动膜悬置在通腔上方，在主动膜的下方，介于通腔和主动膜的后表面之间；以及柱元件，该柱元件固定地耦合主动膜和被动膜，并且被居中地插入在两者之间。通气孔穿过整个主动膜、被动膜和柱元件，使通腔与主动膜的前表面形成流体连通。

技术领域

本解决方案涉及一种采用MEMS(微机电系统)技术制造的压电微机电声学换能器；特别是，下文将提及一种用于检测声学压力或声波的、用作麦克风的MEMS换能器。

背景技术

众所周知，用于制造半导体器件的MEMS技术能够在在牺牲层上沉积的半导体材料层(例如，多晶硅层)或在牺牲层上生长的半导体材料层(例如，外延层)中提供微机电结构，其中牺牲层至少部分经由化学蚀刻去除。

特别地，MEMS电声换能器(麦克风)是已知的，其包括柔性膜，该柔性膜被集成在半导体材料的裸片中、被锚固到衬底、并适当地悬置在腔上方。该膜暴露于声学波(即，叠加在大气压上的扰动)，并经受由声学波施加的力所产生的机械应力。

所产生的膜的变形可以使用各种测量技术来测量。

例如，电容测量技术设想将膜耦合到裸片的、面向膜的不同导电区域，以形成传感电容器的电极；压电测量技术设想检测膜由在膜内或在膜上的适当的压电元件的集成而经受的机械应力(即，机械应力到电荷的转换)。在这两种情况下，测量由膜的变形或机械应力引起的电流信号的变化。

电容型MEMS麦克风广泛应用于各种电子设备，特别是移动型电子设备，诸如智能电话、平板计算机等。

然而，MEMS电容麦克风有一些缺点。特别是，这些麦克风可能会因受到来自外部的颗粒和/或其他污染物(例如液体或灰尘)的污染而出现可靠性问题。来自外部的颗粒可能仍然被困在传感电容器的电极之间(通常，在移动部分和固定部分之间)，在膜的变形中作为机械阻塞，并且产生漏电路径，导致MEMS麦克风的故障和性能下降。此外，传感电容器的电极之间存在污染物可能会对麦克风造成永久性损坏。

压电型MEMS麦克风通常允许克服这些限制，当浸入除空气以外的流体(例如，水和非导电液体)中时也能工作，并且不受污染物和颗粒引起的故障和/或性能下降的影响(假设它们的操作不基于两个面对的电极的存在)。

特别地，在压电型MEMS麦克风中，压电材料的敏感区域(诸如，例如，AlN(氮化铝)或PZT(锆钛酸铅))在膜上形成，优选地在机械应力最大集中的区附近形成。在引起膜的应力/位移的声学波存在的情况下，经受应力的敏感区域引起与所检测的声学波的强度相关的电检测信号(通常是电流信号)的变化。电子接口电路(通常以与 MEMS麦克风电耦合的ASIC(专用集成电路)的形式)处理和放大电检测信号，并在输出处提供模拟或数字信号，该模拟或数字信号随后可由使用麦克风的电子设备的控制单元处理。

US 8,896,184中描述了压电型MEMS麦克风的示例，并且在图1 中示意性地示出(其具体代表上述MEMS麦克风的机电结构的一部分)。

由1指定的MEMS麦克风包括：具有腔3的硅衬底2；以悬臂方式在腔3上方延伸的一对悬臂梁4a、4b，其中一个是另一个的延伸。梁4a、4b在相应第一端处被锚固到衬底2，并在它们之间在相应第二端处限定用于检测声学波的通气开口6。

每个梁4a、4b由层堆叠形成，例如，由多个压电层7(例如，氮化铝层)构成，与多个电极层8(例如，钼层)交替；介电层9将梁 4a、4b与衬底2电绝缘。

在操作期间，上述压电层和电极层7、8能够检测梁4a、4b由于入射声学波而经受的机械应力。