[发明专利]低噪声压电传感器

说明书

一种诸如压电声学换能器等低噪声压电传感器包括第一导电层、第二导电层以及在第一导电层与第二导电层之间的压电层。压电层包括钪含量大于15％的氮化铝钪(AlScN)，其中钪含量和铝含量构成100％的氮化铝钪。以这种方式，压电层(或包括压电层的传感器)实现了小于约0.1％的耗散因子。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年12月4日提交的美国临时专利申请号63/121,641的优先权和权益，该申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开总体上涉及具有改进的(例如，较低的)本底噪声的压电传感器。

背景技术

所有类型的传感器的一个关键度量是本底噪声，本底噪声有时称为最小可检测信号或信噪比(SNR)。一些压电微机电系统(MEMS)传感器的本底噪声受到压电膜的耗散因子以及膜耦合系数和机械设计的限制。耗散因子(也称为损耗角正切(tan(δ)))是施加到电容器的电压与电流之间的相位角相对于90度(无损膜的相位角)的差的正切。因此，耗散因子是衡量膜的能量损失的量度。

发明内容

本文中描述的技术提供了具有改进的(例如，较低的)本底噪声的压电传感器和其他器件。在一个示例中，本文中描述的技术包括膜叠层(例如，氮化铝钪(AlScN)膜叠层)，该膜叠层沉积在晶片(例如，硅(Si)晶片)上并且被释放以形成结构(例如，悬臂结构)，该结构可以用于创建若干类型的传感器和其他器件，包括麦克风、加速度计、声学换能器、致动器(例如，扬声器、超声波传输器、超声波接收器等)和压力传感器等。在一个示例中，用于生产传感器的膜叠层的(多个)压电层(或膜叠层本身)具有小于约0.0006(0.06％)或小于约0.001(0.1％)的耗散因子(例如，tan(δ))，用于生产传感器的膜叠层的(多个)压电层(或膜叠层本身)具有绝对值大于约3.68皮库仑/牛顿(pC/N)的d₃₁耦合系数。在一个示例中，用于生产传感器的膜叠层的(多个)压电层具有钪含量大于或等于约15％、大于或等于约20％、或大于或等于约30％的至少一个AlScN层，其中钪含量和铝含量构成100％的氮化铝钪。

通过使用具有上述性质和特性的膜叠层，本文中描述的压电传感器和其他器件实现了比其他传感器低的本底噪声和高的性能(例如，高的SNR和低的功耗)，这些其他传感器不能获取这样的耗散因子或耦合系数或这两者，诸如具有使用当前技术而溅射的压电膜的传感器。此外，相对于沉积在相对较厚的金属(不适合于高性能传感器)上的传感器而言，本文中描述的膜叠层允许在小的管芯尺寸上生产传感器，并且将传感器装配到小的封装中。本文中描述的膜叠层能够被均匀地沉积在大晶片(例如，200mm或更大的晶片)上，这使得由膜叠层生产的传感器相对于只能被均匀沉积在较小晶片或衬底上的叠层更容易制造。

总体上，在一个方面，一种器件包括第一导电层、第二导电层和在第一导电层与第二导电层之间的压电层，该压电层的耗散因子小于约0.1％。

上述方面的实现可以包括以下特征中的一个特征或者两个或更多个特征的组合。在一些示例中，压电层包括钪含量大于15％的氮化铝钪(AlScN)，其中钪含量和铝含量构成100％的氮化铝钪。在一些示例中，压电层包括钪含量大于30％的AlScN，其中钪含量和铝含量构成100％的氮化铝钪。在一些示例中，压电层具有绝对值大于约3.68pC/N的d₃₁耦合系数。在一些示例中，第一导电层或第二导电层中的至少一项是厚度小于100nm的金属层。在一些示例中，压电层是第一压电层，并且该器件还包括第三导电层和在第二导电层与第三导电层之间的第二压电层，第二压电层具有小于约0.1％的耗散因子。在一些示例中，该器件是麦克风、加速度计或压力传感器。在一些示例中，该器件是致动器，诸如扬声器、超声传输器或超声接收器。在一些示例中，该器件包括悬臂。在一些示例中，第一导电层沉积在包括钛、AlScN、氮化铝或铬的粘合层上。