專利名稱：一種電極串聯(lián)式硅微壓電傳聲器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及硅微壓電傳聲器領(lǐng)域，特別涉及一種電極串聯(lián)式硅微壓電傳聲器及制備 方法。
背景技術(shù)：
硅微傳聲器在民用和國防(如手機(jī)、視聽設(shè)備、機(jī)器人語言識(shí)別、噪聲與振動(dòng)的有 源控制、戰(zhàn)場(chǎng)偵查網(wǎng)、安全偵聽等)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。微傳聲器主要包括電容 式和壓電式兩種，目前電容式硅微傳聲器已經(jīng)走向市場(chǎng)化，與電容式相比，壓電式微傳 聲器具有不需極化電壓、內(nèi)阻低、制備簡單等諸多優(yōu)點(diǎn)，具有重大的應(yīng)用前景，但目前 它的靈敏度較低，達(dá)不到實(shí)用要求。
提高壓電微傳聲器電壓靈敏度的一個(gè)重要方法是對(duì)壓電膜的電極進(jìn)行分割并串聯(lián)， 理論上壓電傳聲器的靈敏度可按電極串聯(lián)的個(gè)數(shù)成倍增加，如Journal of Microelectromechanical Systems, 2, 3(1993)， pill-119，由Robert P. Ried, EunSokKim, David M. Hong, Richard S. Muller所著的《Piezoelectric Microphone with On-chip COMS Circuits》 一文中所述基于ZnO膜電極分割的微傳聲器，但由于利用壓電膜的橫向 壓電常數(shù)(131工作，壓電膜的上下表面的電極需分別分割并串聯(lián)，工藝復(fù)雜。
基于面內(nèi)極化的PZT膜在彎曲振動(dòng)中主要利用縱向壓電常數(shù)d33工作，目前主要作為微
執(zhí)行器和微超聲換能器，如Sensors and Actuators A ， 119 (2005) ， p521-527，由Eunki Hong, S. V. Krishnaswamy， C. B. Freidhoff， S. Trolier-McKinstry所著的 《Micromachined piezoelectric diaphragms actuated by ring shaped interdigitated transducer electrodes》一文中所述的微執(zhí)行器；以及Transducers & Eurosensors ， 07， The 14th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, pl291-1294， 由Yi-PingZhu， Tian-Ling Ren， Chao Wang, Zhe-YaoWang， Li-Tian Liu， Zhi-Jian Li所著的《Novel in-plane polarized PZT film based ultrasonic micro—acoustic devices》——文中所述的微超聲換能器。壓電微傳聲器的電壓靈敏度與壓電膜應(yīng)力、電極間距、壓電常數(shù)成正比，相同結(jié)構(gòu) 的壓電傳聲器采用電極串聯(lián)可以成倍的提高其靈敏度。由于PZT膜的壓電常數(shù)d33比d3,大一 倍，因此采用面內(nèi)極化的PZT膜可以提高微傳聲器靈敏度，面內(nèi)極化的PZT膜的電極在膜 同側(cè)，電極在振動(dòng)膜上的位置，電極間距的控制，電極的串聯(lián)只需設(shè)計(jì)電極版圖，工藝 上很容易實(shí)現(xiàn)，因此可將電極設(shè)計(jì)在振動(dòng)膜應(yīng)力最大處，并提高版圖的電極間距，將電 極串聯(lián)即可有效地提高傳聲器靈敏度。由于壓電微傳聲器工作時(shí)振動(dòng)膜工作區(qū)域(通常 為方形或圓形)中心和邊緣的應(yīng)力較大且符號(hào)相反，因此在中心或邊緣內(nèi)相鄰的電極串 聯(lián)時(shí)需將極性相反的電極連接，中心與邊緣的電極串聯(lián)時(shí)需將極性相同的電極連接，此 時(shí)，有效地利用了振動(dòng)膜的應(yīng)力最大區(qū)域，提高了傳聲器靈敏度。
面內(nèi)極化的PZT膜與厚度極化的PZT膜不同，不需底電極，作為壓電陶瓷材料，PZT 膜的應(yīng)力較大，易產(chǎn)生微泡和微裂紋，對(duì)底電極的生長工藝要求較高，面內(nèi)極化的PZT 膜省去了沉積底電極工藝，因此簡化了工藝，可顯著提高器件的成品率。目前硅微壓電 傳聲器振動(dòng)膜的釋放多采用成本較低的濕法體硅微加工工藝，由于硅的各向異性腐蝕， 振動(dòng)膜結(jié)構(gòu)一般為方形結(jié)構(gòu)，應(yīng)力較大，.特別是在尖角處應(yīng)力更大，導(dǎo)致傳聲器的靈敏 度下降，甚至出現(xiàn)實(shí)效破裂，因此制作具有圓形振動(dòng)膜結(jié)構(gòu)的壓電微傳聲器可以提高壓 電傳聲器的靈敏度，并可提高成品率和使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種電極串聯(lián)式硅微壓電傳聲器及其制備方法，通過采用電極 串聯(lián)方式提高壓電微傳聲器的靈敏度，為大批量制備性能可靠、成品率高的微傳聲器提 供簡便可行的工藝。
本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的-
本發(fā)明提供的電極串聯(lián)式硅微壓電傳聲器，其由從上至下依次放置的電極、面內(nèi)極 化的鐵電PZT膜層、氧化鋯過渡層、振動(dòng)膜層、高溫二氧化硅圓形倒模層、體硅刻蝕方杯 和體硅刻蝕掩模層組成；
所述振動(dòng)膜層為中心處設(shè)有圓形工作區(qū)域的氮化硅膜層、低溫二氧化硅膜層或?yàn)橛?氮化硅膜和低溫二氧化硅膜構(gòu)成的復(fù)合膜層；所述低溫二氧化硅膜中的低溫二氧化硅是 采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法制備的二氧化硅；
所述高溫二氧化硅圓形倒模層中心處設(shè)有中心圓孔，該高溫二氧化硅圓形倒模層的 高溫二氧化硅是采用熱氧化法制備的二氧化硅；所述振動(dòng)膜的圓形工作區(qū)域直徑與所述中心圓孔直徑相同； 所述體硅刻蝕掩模層中心處設(shè)有中心方孔；
所述面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層及電極位于所述振動(dòng)膜的圓形工作區(qū)域的中心或/和邊
緣；
所述面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層為圓形膜層或/和環(huán)形膜層；
所述電極由分布在PZT膜層圓周方向上的N個(gè)弧形叉指電極組成(N為2-50的正整數(shù))， 第一個(gè)弧形叉指電極和最后一個(gè)弧形叉措電極為壓電微傳聲器輸出端所在的弧形叉指電 極，相鄰的弧形叉指電極串聯(lián)，相鄰的弧形叉指電極內(nèi)的PZT膜的鐵電疇極化方向相同或 相反；
所述體硅刻蝕方杯下表面中心處設(shè)有與所述體硅刻蝕掩模層的中心方孔尺寸相同的 方形孔，體硅刻蝕方杯上表面中心處設(shè)有中心方形孔，該中心方形孔對(duì)角線長度小于所 述中心圓孔的直徑。
所述電極厚度為150-300納米；所述面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層厚度為O. 5-2微米；所述 氧化鋯過渡層厚度為300-500納米；所述振動(dòng)膜層厚度為O. 5-2微米；高溫二氧化硅圓形 倒模層厚度為1-4微米。
所述振動(dòng)膜圓形工作區(qū)域的半徑為300-3000微米。
所述面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層及電極位于所述振動(dòng)膜的圓形工作區(qū)域中心時(shí)，該面內(nèi) 極化的鐵電PZT膜層為圓形，其半徑小于所述圓形工作區(qū)域半徑的70%。
所述面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層及電極位于所述振動(dòng)膜的圓形工作區(qū)域邊緣時(shí),該面內(nèi) 極化的鐵電PZT膜層為圓環(huán)形，該圓環(huán)形環(huán)內(nèi)沿到所述振動(dòng)膜的圓形工作區(qū)域外沿的距離 小于所述圓形工作區(qū)域半徑的30%。
所述電極的弧形叉指電極的叉指對(duì)數(shù)為l-30對(duì)，電極寬度為5-100微米，電極間距為 5-100微米。
本發(fā)明提供的一種電極串聯(lián)式硅微壓電傳聲器的制備方法，包括以下步驟
1) 硅片熱氧化
在一硅片正面和背面分別熱氧化生長l-4微米正面高溫二氧化硅層和背面高溫二氧 化硅層；
2) 制備高溫二氧化硅圓形倒模層
分別在所述硅片的正面高溫二氧化硅層和背面高溫二氧化硅層上旋涂正性光刻膠，
8對(duì)所述正面高溫二氧化硅層進(jìn)行正面光刻并采用緩沖氫氟酸溶液腐蝕正面高溫二氧化硅 層，形成中心帶有中心圓孔的高溫二氧化硅圓形倒模層；所述高溫二氧化硅圓形倒模層 上表面和所述背面高溫二氧化硅層上分別涂有光刻膠一和光刻膠二；
3) 制備圓形氧化鋅犧牲層
在所述光刻膠一和中心圓孔內(nèi)的硅片上濺射l-4微米氧化鋅犧牲層，去除光刻膠一和 光刻膠二，剝離形成圓形氧化鋅犧牲層，所述圓形氧化鋅犧牲層位于所述中心圓孔內(nèi)，
4) 制備振動(dòng)膜層
在硅片正面的高溫二氧化硅圓形倒模層和圓形氧化鋅犧牲層上生長厚度為O. 5-2微 米的振動(dòng)膜層；該振動(dòng)膜層采用下述方法中的任一種制備
(a) 采用低壓化學(xué)氣相沉積法在硅片正面的高溫二氧化硅圓形倒模層和圓形氧化鋅 犧牲層上生長氮化硅膜，在硅片背面的高溫二氧化硅層上生長氮化硅膜，此時(shí)形成的振 動(dòng)膜層為氮化硅膜層；所述硅片背面為由高溫二氧化硅層和氮化硅膜構(gòu)成的復(fù)合膜掩模 層；
(b) 采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法在硅片正面的高溫二氧化硅圓形倒模層和圓 形氧化鋅犧牲層上生長低溫二氧化硅膜，此時(shí)形成的振動(dòng)膜層為低溫二氧化硅膜層，硅 片背面為高溫二氧化硅層構(gòu)成的掩模層；
(c) 采用低壓化學(xué)氣相沉積法在硅片正面的高溫二氧化硅圓形倒模層和圓形氧化鋅 犧牲層上生長氮化硅膜，再采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法在該氮化硅膜上生長低溫 二氧化硅膜；所述硅片背面的高溫二氧化硅層上生長氮化硅膜，此時(shí)形成的振動(dòng)膜層為 由氮化硅和低溫二氧化硅膜構(gòu)成的復(fù)合膜層，硅片背面為高溫二氧化硅層和氮化硅膜構(gòu) 成的復(fù)合膜掩模層；
5) 制備體硅刻蝕掩模層
采用雙面光刻機(jī)雙面光刻所述掩模層或復(fù)合膜掩模層，當(dāng)所述掩模層為高溫二氧化 硅層和氮化硅膜構(gòu)成的復(fù)合膜時(shí)，氮化硅膜采用等離子刻蝕機(jī)進(jìn)行刻蝕，高溫二氧化硅 采用緩沖氫氟酸溶液進(jìn)行腐蝕，當(dāng)所述掩模層為高溫二氧化硅層時(shí)，采用緩沖氫氟酸溶 液進(jìn)行腐蝕，形成體硅刻蝕掩模層，所述體硅刻蝕掩模層中心處具有中心方孔；
6) 制備氧化鋯過渡層
采用溶膠-凝膠法在硅片正面的振動(dòng)膜層上制備厚度為300-500納米的氧化鋯過渡
層；7) 制備鐵電PZT膜層
采用溶膠-凝膠法在所述氧化鋯過渡層上制備鐵電PZT膜層，所述鐵電PZT膜層的組分 為Pb,(Zr/TU其中x^. 1， y=0.52，所述鐵電PZT膜層厚度為O. 5-2微米，再采用濕法 刻蝕方法對(duì)鐵電PZT膜層進(jìn)行刻蝕，形成圓形或/和環(huán)形鐵電PZT膜層，該鐵電PZT膜層位 于所述振動(dòng)膜的圓形工作區(qū)域的中心或/和邊緣；
8) 制備電極及鐵電PZT膜極化 采用下述(a)、 (b)兩種方法中的任一種-
(a) 制備步驟為
(a-l)在硅片正面的鐵電PZT膜層上采用濺射、真空蒸鍍或離子鍍法沉積A1層、在金 屬Cr層上生長金屬Au層構(gòu)成的An/Cr復(fù)合膜或?yàn)樵诮饘賂i層上生長金屬Pt層構(gòu)成的Pt/Ti 復(fù)合膜，該金屬層厚度為150-300納米，采用正膠剝離或濕法腐蝕法形成極化電極，所述 極化電極為圓形叉指結(jié)構(gòu)；
(a-2)采用直流電源對(duì)鐵電PZT膜層進(jìn)行極化，形成面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層，極化 電場(chǎng)為10-30伏/微米；
(a-3)采用濕法腐蝕法將極化電極在圓周方向分割成N個(gè)分離的弧形叉指電極，采用 剝離法制備電極串聯(lián)圖形形成電極，所述相鄰的弧形叉指電極內(nèi)的PZT膜的鐵電疇極化方 向相同；
(b) 制備步驟為
(b-1)在硅片正面的鐵電PZT膜層上采用濺射、真空蒸鍍或離子鍍法沉積A1層、在金 屬Cr層上生長金屬Au層構(gòu)成的An/Cr復(fù)合膜或?yàn)樵诮饘賂i層上生長金屬Pt層構(gòu)成的Pt/Ti 復(fù)合膜，該金屬層厚度為150-300納米，采用正膠剝離或濕法腐蝕法形成電極，電極圖形 為串聯(lián)的弧形叉指電極；
(b-2)采用直流電源對(duì)鐵電PZT膜層進(jìn)行極化，形成面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層，極化電 場(chǎng)為10-30伏/微米，所述相鄰的弧形叉指電極內(nèi)的PZT膜的鐵電疇極化方向相反；
9) 釋放振動(dòng)膜圓形工作區(qū)域
采用體硅刻蝕夾具將硅片正面保護(hù)并固定，放入氫氧化鉀溶液中進(jìn)行體硅刻蝕，形 成體硅刻蝕方杯，在體硅刻蝕方杯與氧化鋅犧牲層交界處，繼續(xù)腐蝕氧化鋅犧牲層，最 終釋放出振動(dòng)膜圓形工作區(qū)域，制得電極串聯(lián)式的硅微壓電傳聲器。
位于振動(dòng)膜圓形工作區(qū)域邊緣或振動(dòng)膜圓形工作區(qū)域中心內(nèi)的弧形叉指電極串聯(lián)時(shí)， 相鄰的弧形叉指電極極性相反的兩端連接；位于振動(dòng)膜圓形工作區(qū)域邊緣的弧形叉指電極與位于振動(dòng)膜圓形工作區(qū)域中心內(nèi)的弧形叉指電極串聯(lián)時(shí)，弧形叉指電極極性相同的兩端 連接；所述電極極性由弧形叉指電極內(nèi)PZT膜的鐵電疇方向確定。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于
(1) 本發(fā)明提供電極串聯(lián)式硅微壓電傳聲器，壓電微傳聲器采用了面內(nèi)極化的PZT 膜，通過PZT膜上表面電極版圖的設(shè)計(jì)完成了電極的串聯(lián)，此方法可使靈敏度得到成倍的 提高；壓電膜的工作區(qū)域?yàn)閳A形振動(dòng)模的中心或/和邊緣區(qū)域，利用了振動(dòng)膜應(yīng)變最大區(qū) 域；PZT膜采用面內(nèi)極化，利用了PZT膜的更高的壓電常數(shù)d33;通過版圖設(shè)計(jì)可以提高電 極間距，遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)厚度極化工作模式中壓電微傳聲器的電極間距；上述方法可以大大 提高微傳聲器的靈敏度。
(2) 本發(fā)明提出的壓電微傳聲器制備方法，采用圓形的復(fù)合材料振動(dòng)膜作為壓電微 傳聲器的振動(dòng)膜，有效地控制和降低了振動(dòng)膜的應(yīng)力，提高了器件的靈敏度、成品率； 本發(fā)明中面內(nèi)極化的PZT膜的不需沉積PZT膜的底電極，簡化了微加工工藝，提高了器件 成品率。


圖l-l至圖l-9為本發(fā)明的電極串聯(lián)式硅微壓電傳聲器制作工藝流程圖； 圖l-l為熱氧化后的剖面圖1-2為高溫二氧化硅圓形倒模層形成后的剖面圖； 圖卜3為圓形氧化鋅犧牲層形成后的剖面圖； 圖1-4為振動(dòng)膜層形成后的剖面圖； 圖l-5為體硅刻蝕掩模層形成后的剖面圖l-6為氧化鋯過渡層形成后的剖面圖1-7為PZT膜層位于振動(dòng)膜圓形工作區(qū)域邊緣時(shí)PZT膜層形成后的剖面圖； 圖l-8為電極位于振動(dòng)膜圓形工作區(qū)域邊緣時(shí)電極形成后的剖面圖； 圖1-9為PZT膜和電極位于振動(dòng)膜圓形工作區(qū)域邊緣時(shí)硅微壓電傳聲器的剖面圖； 圖2-1—2-2為實(shí)施例1中硅微傳聲器振動(dòng)膜圓形工作區(qū)域邊緣有16個(gè)弧形叉指電極 串聯(lián)的俯視圖2-l極化電極形成后俯視圖； 圖2-2電極形成后俯視11圖3為實(shí)施例2中硅微傳聲器振動(dòng)膜圓形工作區(qū)域邊緣有4個(gè)弧形叉指電極串聯(lián)的俯 視圖4為實(shí)施例3中硅微傳聲器振動(dòng)膜圓形工作區(qū)域中心有4個(gè)弧形叉指電極串聯(lián)的俯 視圖5為實(shí)施例4中硅微傳聲器振動(dòng)膜圓形工作區(qū)域中心有4個(gè)弧形叉指電極串聯(lián)的俯 視圖6_1—6-2為實(shí)施例5中硅微傳聲器振動(dòng)膜圓形工作區(qū)域邊緣和中心有12個(gè)弧形叉 指電極串聯(lián)的俯視圖7為PZT膜和電極位于振動(dòng)膜中心時(shí)硅微壓電傳聲器結(jié)構(gòu)剖面圖； 圖8為PZT膜和電極位于振動(dòng)膜中心和邊緣時(shí)硅微壓電傳聲器結(jié)構(gòu)剖面具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明。
實(shí)施例l，采用本發(fā)明方法制備一電極串聯(lián)式硅微壓電傳聲器，其步驟如下
1) 硅片熱氧化
用酸性清洗液和堿性清洗液清洗硅片，之后用去離子水沖洗并烘干，將硅片放入氧 化爐中，在硅片正面和背面分別熱氧化生長2微米正面高溫二氧化硅層22和背面高溫二氧 化硅層23，如圖卜l所示；
2) 制備高溫二氧化硅圓形倒模層2
分別在所述正面高溫二氧化硅層22和背面高溫二氧化硅層23上旋涂正性光刻膠，硅 片正面光刻并采用緩沖氫氟酸溶液腐蝕高溫二氧化硅層，形成中心處具有中心圓孔21的 高溫二氧化硅圓形倒模層2，其半徑為1000微米，高溫二氧化硅圓形倒模層2和背面高溫 二氧化硅層23上分別涂有光刻膠一24和光刻膠二25，如圖l-2所示；
3) 制備圓形氧化鋅犧牲層3
在所述光刻膠一24和中心圓孔21內(nèi)的硅片上濺射2微米氧化鋅犧牲層，去除光刻膠一 24和光刻膠二25，剝離形成圓形氧化鋅犧牲層3，其位于所述中心圓孔21內(nèi)，并與中心圓 孔21的形狀和厚度相同，如圖l-3所示；
4) 制備振動(dòng)膜層5
采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法在硅片正面的高溫二氧化硅圓形倒模層2和圓形 氧化鋅犧牲層3上生長正面生長1微米低溫二氧化硅膜，此時(shí)振動(dòng)膜層5為低溫二氧化硅膜層，硅片背面為高溫二氧化硅層23構(gòu)成的掩模層42,如圖1-4所示；
5) 制備體硅刻蝕掩模層4
采用雙面光刻機(jī)雙面光刻所述掩模層42，采用緩沖氫氟酸溶液腐蝕高溫二氧化硅掩 模層42，形成體硅刻蝕掩模層4，其中心有中心方孔41，如圖1-5所示；
6) 制備氧化鋯過渡層6
采用溶膠-凝膠法在硅片正面的振動(dòng)膜層5上制備厚度為300納米的氧化鋯過渡層6， 如圖l-6所示；
7) 制備PZT膜層7
采用溶膠-凝膠法在氧化鋯過渡層6上制備鐵電PZT膜層[Pb,(ZryTi卜y)03，其中x-L 1， y=0.52]，其厚度為l微米，采用濕法刻蝕所述鐵電PZT膜層，形成環(huán)形PZT膜層，如圖1-7 所示；
8) 制備電極8及鐵電PZT膜極化
(8. 1)在硅片正面采用真空蒸鍍法沉積厚度為20納米的Cr，再采用真空蒸鍍法沉積 厚度為120納米的Au，采用濕法腐蝕的方法形成圓形叉指結(jié)構(gòu)的極化電極，其叉指電極叉 指對(duì)數(shù)為1對(duì)，電極寬度為10微米，電極間距為20微米，極化電極圖形如圖2-l所示；
(8.2) 采用直流電源在室溫下對(duì)鐵電PZT膜極化20分鐘，制成面內(nèi)極化的鐵電PZT膜 層7，其極化電壓為240伏，極化電場(chǎng)為12伏/微米；
(8.3) 采用濕法腐蝕法將極化電極在圓周方向分割成16個(gè)分離的弧形叉指電極，采 用剝離法制備電極串聯(lián)圖形，形成電極8，如圖l-8、圖2-2所示，所述相鄰的弧形叉指電 極內(nèi)的PZT膜的鐵電疇極化方向相反；
9) 釋放振動(dòng)膜圓形工作區(qū)域51
采用體硅刻蝕夾具將硅片正面保護(hù)并固定，放入氫氧化鉀溶液中進(jìn)行體硅刻蝕，形 成體硅刻蝕方杯l，在體硅刻蝕方杯1與氧化鋅犧牲層3交界處，繼續(xù)腐蝕氧化鋅犧牲層， 最終釋放出振動(dòng)膜圓形工作區(qū)域51，如圖l-9所示，便制作出本實(shí)施例的電極串聯(lián)式硅微 壓電傳聲器。
本實(shí)施例中面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層7及電極8位于所述振動(dòng)膜的圓形工作區(qū)域51的 邊緣，電極由分布在PZT膜層圓周方向上的16個(gè)弧形叉指電極組成，記作弧形叉指電極E1、 弧形叉指電極E2……弧形叉指電極E16，弧形叉指電極E1和弧形叉指電極E16為壓電微傳 聲器輸出端所在的弧形叉指電極，弧形叉指電極的兩極分別用字母A、 B表示，記作A極和 B極，所述A極為弧形叉指電極中半徑最大的指所在的電極，相鄰的弧形叉指電極內(nèi)的PZT膜的鐵電疇極化方向相同，即相鄰的弧形叉指電極的A極極性相同，弧形叉指電極的串聯(lián) 采用相鄰的弧形叉指電極極性相反的兩端相連:第n個(gè)弧形叉指電極En的B極與第n+l個(gè)弧 形叉指電極E(n+l)的A極相連，其中n取l、 2、 3……15。
實(shí)施例2，采用本發(fā)明方法制備一電極串聯(lián)式硅微壓電傳聲器，其步驟如下
1) 硅片熱氧化
用酸性清洗液和堿性清洗液清洗硅片，之后用去離子水沖洗并烘干，將硅片放入氧 化爐中，在硅片正面和背面分別熱氧化生長3微米正面高溫二氧化硅層22和背面高溫二氧 化硅層23，如圖1-l所示；
2) 制備高溫二氧化硅圓形倒模層2
分別在所述正面高溫二氧化硅層22和背面高溫二氧化硅層23上旋涂正性光刻膠，硅 片正面光刻并采用緩沖氫氟酸溶液腐蝕高溫二氧化硅層，形成中心處具有中心圓孔21的 高溫二氧化硅圓形倒模層2，其半徑為800微米，高溫二氧化硅圓形倒模層2和背面高溫二 氧化硅層23上分別涂有光刻膠一24和光刻膠二25，如圖1-2所示；
3) 制備圓形氧化鋅犧牲層3
在所述光刻膠一24和中心圓孔21內(nèi)的硅片上濺射3微米氧化鋅犧牲層，去除光刻膠一 24和光刻膠二25，剝離形成圓形氧化鋅犧牲層3，其位于所述中心圓孔21內(nèi)，并與中心圓 孔21的形狀和厚度相同，如圖l-3所示；
4) 制備振動(dòng)膜層5
采用低壓化學(xué)氣相沉積法在硅片正面的高溫二氧化硅圓形倒模層2和圓形氧化鋅犧 牲層3上生長氮化硅膜0. 5微米，再采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法在該氮化硅膜上生 長低溫二氧化硅膜0.9微米；所述硅片背面高溫二氧化硅層23上生長氮化硅膜，此時(shí)振動(dòng) 膜層5為由氮化硅和低溫二氧化硅構(gòu)成的復(fù)合膜層，硅片背面為高溫二氧化硅層23和氮化 硅膜構(gòu)成的復(fù)合膜掩模層42，如圖1-4所示；
5) 制備體硅刻蝕掩模層4
采用雙面光刻機(jī)雙面光刻所述掩模層42，采用等離子刻蝕機(jī)刻蝕氮化硅膜，采用緩 沖氫氟酸溶液腐蝕高溫二氧化硅，形成體硅刻蝕掩模層4，其中心有方孔41，如圖l-5所 示；
6) 制備氧化鋯過渡層6
采用溶膠-凝膠法在硅片正面的振動(dòng)膜層5上制備厚度為400納米的氧化鋯過渡層6，如圖l-6所示；
7) 制備PZT膜層7
采用溶膠-凝膠法在氧化鋯過渡層6上制備鐵電PZT膜層[Pbx(Zr/Ti卜y)03，其中x-L 1, y=0.52]，其厚度為1.6微米，采用濕法刻蝕所述鐵電PZT膜層，形成環(huán)形PZT膜層，如圖
l-7所示；
8) 制備電極8及鐵電PZT膜極化
(8. 1)在硅片正面采用真空蒸鍍法沉積厚度為20納米的Cr，再采用真空蒸鍍法沉積厚 度為120納米的Au，采用濕法腐蝕的方法形成電極，如圖l-8所示，該極化電極由4個(gè)弧形 叉指電極組成，其叉指電極叉指對(duì)數(shù)為2對(duì)，電極寬度為10微米，電極間距為15微米，極 化電極圖形如圖3所示；
(8.2)采用直流電源在室溫下對(duì)鐵電PZT膜極化20分鐘，制成面內(nèi)極化的鐵電PZT膜 層7， 4個(gè)弧形叉指電極分成4組分別進(jìn)行極化，極化電壓為180伏，極化電場(chǎng)為12伏/微米， 弧形叉指電極E01為第一組，此時(shí)電極接觸點(diǎn)為841、 842，弧形叉指電極E2為第二組，此 時(shí)電極接觸點(diǎn)為842、 843，弧形叉指電極E3為第三組，此時(shí)電極接觸點(diǎn)為843、 844,弧 形叉指電極E4為第四組，此時(shí)電極接觸點(diǎn)為844、 845，所述相鄰的弧形叉指電極內(nèi)的PZT 膜的鐵電疇極化方向相反；
9) 釋放振動(dòng)膜圓形工作區(qū)域51
采用體硅刻蝕夾具將硅片正面保護(hù)并固定，放入氫氧化鉀溶液中進(jìn)行體硅刻蝕，形 成體硅刻蝕方杯l，在體硅刻蝕方杯1與氧化鋅犧牲層3交界處，繼續(xù)腐蝕氧化鋅犧牲層， 最終釋放出振動(dòng)膜圓形工作區(qū)域51，如圖l-9所示，便制作出本實(shí)施例的電極串聯(lián)式硅微 壓電傳聲器。
本實(shí)施例中面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層7及電極8位于所述振動(dòng)膜的圓形工作區(qū)域51的邊 緣，電極由分布在PZT膜層圓周方向上的4個(gè)弧形叉指電極組成，記作弧形叉指電極E1、弧 形叉指電極E2、弧形叉指電極E3、弧形叉指電極E4，弧形叉指電極E1和弧形叉指電極E4 為壓電微傳聲器輸出端所在的弧形叉指電極，弧形叉指電極的兩極分別用字母A、 B表示， 記作A極和B極，所述A極為弧形叉指電極中半徑最大的指所在的電極，相鄰的弧形叉指電 極內(nèi)的PZT膜的鐵電疇極化方向相反，即相鄰的弧形叉指電極的A極極性相反，弧形叉指電 極的串聯(lián)采用相鄰的弧形叉指電極極性相反的兩端相連弧形叉指電極E1的B極與弧形叉 指電極E2的B極相連，弧形叉指電極E2的A極與弧形叉指電極E3的A極相連，弧形叉指電極 E3的B極與弧形叉指電極E4的B極相連。
15實(shí)施例3，采用本發(fā)明方法制備一電極串聯(lián)式硅微壓電傳聲器，其步驟如下
1) 硅片熱氧化
用酸性清洗液和堿性清洗液清洗硅片，之后用去離子水沖洗并烘干，將硅片放入氧 化爐中，在硅片正面和背面分別熱氧化生長3微米正面高溫二氧化硅層22和背面高溫二氧 化硅層23，如圖l-l所示；
2) 制備高溫二氧化硅圓形倒模層2
分別在所述正面高溫二氧化硅層22和背面高溫二氧化硅層23上旋涂正性光刻膠，硅 片正面光刻并采用緩沖氫氟酸溶液腐蝕高溫二氧化硅層，形成中心處具有中心圓孔21的 高溫二氧化硅圓形倒模層2，其半徑為1000微米，高溫二氧化硅圓形倒模層2和背面高溫 二氧化硅層23上分別涂有光刻膠一24和光刻膠二25，如圖1-2所示；
3) 制備圓形氧化鋅犧牲層3
在所述光刻膠一24和中心圓孔21內(nèi)的硅片上濺射3微米氧化鋅犧牲層，去除光刻膠一 24和光刻膠二25，剝離形成圓形氧化鋅犧牲層3，其位于所述中心圓孔21內(nèi)，并與中心圓 孔21的形狀和厚度相同，如圖l-3所示；
4) 制備振動(dòng)膜層5
采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法在硅片正面的高溫二氧化硅圓形倒模層2和圓形 氧化鋅犧牲層3上生長正面生長1微米低溫二氧化硅膜，此時(shí)振動(dòng)膜層5為低溫二氧化硅膜 層，硅片背面為高溫二氧化硅層23構(gòu)成的掩模層42，如圖l-4所示；
5) 制備體硅刻蝕掩模層4
采用雙面光刻機(jī)雙面光刻所述掩模層42，采用緩沖氫氟酸溶液腐蝕高溫二氧化硅掩 模層42，形成體硅刻蝕掩模層4，其中心有中心方孔41,如圖l-5所示；
6) 制備氧化鋯過渡層6
采用溶膠-凝膠法在硅片正面的振動(dòng)膜層5上制備厚度為300納米的氧化鋯過渡層6， 如圖1-6所示；
7) 制備PZT膜層7
采用溶膠-凝膠法在氧化鋯過渡層6上制備鐵電PZT膜層[Pb,(ZiVTii-y)03，其中Fl. 1， y=0.52]，其厚度為l微米，采用濕法刻蝕所述鐵電PZT膜層，形成圓形PZT膜層；
8) 制備電極8及鐵電PZT膜極化
(8. 1)在硅片正面采用真空蒸鍍法沉積厚度為20納米的Cr，再采用真空蒸鍍法沉積厚度為120納米的Au，采用濕法腐蝕的方法形成電極，該極化電極由4個(gè)弧形叉指電極組成， 其叉指電極叉指對(duì)數(shù)為3對(duì)，電極寬度為10微米，電極間距為10微米，極化電極圖形如圖 4所示；
(8. 2)采用直流電源在室溫下對(duì)鐵電PZT膜極化20分鐘,制成面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層 7， 4個(gè)弧形叉指電極一次進(jìn)行極化，極化電壓為480伏，極化電場(chǎng)為12伏/微米，所述相 鄰的弧形叉指電極內(nèi)的PZT膜的鐵電疇極化方向相反；
9)釋放振動(dòng)膜圓形工作區(qū)域51
采用體硅刻蝕夾具將硅片正面保護(hù)并固定，放入氫氧化鉀溶液中進(jìn)行體硅刻蝕，形 成體硅刻蝕方杯l，在體硅刻蝕方杯1與氧化鋅犧牲層3交界處，繼續(xù)腐蝕氧化鋅犧牲層， 最終釋放出振動(dòng)膜圓形工作區(qū)域51,如圖7所示，便制作出本實(shí)施例的電極串聯(lián)式硅微壓 電傳聲器。
本實(shí)施例中面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層7及電極8位于所述振動(dòng)膜的圓形工作區(qū)域51的中 心，電極由分布在PZT膜層圓周方向上的4個(gè)弧形叉指電極組成，記作弧形叉指電極E1、弧 形叉指電極E2、弧形叉指電極E3、弧形叉指電極E4，弧形叉指電極E1和弧形叉指電極E4 為壓電微傳聲器輸出端所在的弧形叉指電極，弧形叉指電極的兩極分別用字母A、 B表示， 記作A極和B極，所述A極為弧形叉指電極中半徑最大的指所在的電極，相鄰的弧形叉指電 極內(nèi)的PZT膜的鐵電疇極化方向相反，即相鄰的弧形叉指電極的A極極性相反，弧形叉指電 極的串聯(lián)采用相鄰的弧形叉指電極極性相反的兩端相連弧形叉指電極E1的B極與弧形叉 指電極E2的B極相連，弧形叉指電極E2的A極與弧形叉指電極E3的A極相連，弧形叉指電極 E3的B極與弧形叉指電極E4的B極相連。
實(shí)施例4,采用本發(fā)明方法制備一電極串聯(lián)式硅微壓電傳聲器，其步驟如下
1) 硅片熱氧化
用酸性清洗液和堿性清洗液清洗硅片，之后用去離子水沖洗并烘干，將硅片放入氧 化爐中，在硅片正面和背面分別熱氧化生長4微米正面高溫二氧化硅層22和背面高溫二氧 化硅層23，如圖1-l所示；
2) 制備高溫二氧化硅圓形倒模層2
分別在所述正面高溫二氧化硅層22和背面高溫二氧化硅層23上旋涂正性光刻膠，硅 片正面光刻并采用緩沖氫氟酸溶液腐蝕高溫二氧化硅層，形成中心處具有中心圓孔21的 高溫二氧化硅圓形倒模層2，其半徑為1000微米，高溫二氧化硅圓形倒模層2和背面高溫
1二氧化硅層23上分別涂有光刻膠一24和光刻膠二25，如圖1-2所示；
3) 制備圓形氧化鋅犧牲層3
在所述光刻膠一24和中心圓孔21內(nèi)的硅片上濺射4微米氧化鋅犧牲層，去除光刻膠一 24和光刻膠二25，剝離形成圓形氧化鋅犧牲層3，其位于所述中心圓孔21內(nèi)，并與中心圓 孔21的形狀和厚度相同，如圖卜3所示；
4) 制備振動(dòng)膜層5
采用低壓化學(xué)氣相沉積法在硅片正面的高溫二氧化硅圓形倒模層2和圓形氧化鋅犧 牲層3上生長氮化硅膜0. 5微米，再采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法在該氮化硅膜上生 長低溫二氧化硅膜O. 9微米；所述硅片背面高溫二氧化硅層23上生長氮化硅膜，此時(shí)振動(dòng) 膜層5為由氮化硅和低溫二氧化硅構(gòu)成的復(fù)合膜層，硅片背面為高溫二氧化硅層23和氮化 硅膜構(gòu)成的復(fù)合膜掩模層42，如圖l-4所示；
5) 制備體硅刻蝕掩模層4
采用雙面光刻機(jī)雙面光刻所述掩模層42，采用等離子刻蝕機(jī)刻蝕氮化硅膜，采用緩 沖氫氟酸溶液腐蝕高溫二氧化硅，形成體硅刻蝕掩模層4，其中心有方孔41，如圖l-5所 示；
6) 制備氧化鋯過渡層6
采用溶膠-凝膠法在硅片正面的振動(dòng)膜層5上制備厚度為400納米的氧化鋯過渡層6， 如圖l-6所示；
7) 制備PZT膜層7
采用溶膠-凝膠法在氧化鋯過渡層6上制備鐵電PZT膜層[Pb,(ZryTiky)03，其中pl. 1， y=0.52]，其厚度為1.6微米，采用濕法刻蝕所述鐵電PZT膜層，形成圓形PZT膜層；
8) 制備電極8及鐵電PZT膜極化
(8. 1)在硅片正面采用真空蒸鍍法沉積厚度為20納米的Cr，再采用真空蒸鍍法沉積厚 度為120納米的Au，采用濕法腐蝕的方法形成圓形叉指結(jié)構(gòu)的極化電極，其叉指電極叉指 對(duì)數(shù)為2對(duì)，電極寬度為10微米，電極間距為15微米；
(8.2)采用直流電源在室溫下對(duì)鐵電PZT膜極化20分鐘，制成面內(nèi)極化的鐵電PZT膜 層7，其極化電壓為180伏，極化電場(chǎng)為12伏/微米；
(8. 3)采用濕法腐蝕法將極化電極在圓周方向分割成8個(gè)分離的弧形叉指電極形成 分割電極，采用剝離法制備電極串聯(lián)圖形形成電極8，如圖5所示，所述相鄰的弧形叉指 電極內(nèi)的PZT膜的鐵電疇極化方向相同；
189)釋放振動(dòng)膜圓形工作區(qū)域51
采用體硅刻蝕夾具將硅片正面保護(hù)并固定，放入氫氧化鉀溶液中進(jìn)行體硅刻蝕，形 成體硅刻蝕方杯l，在體硅刻蝕方杯1與氧化鋅犧牲層3交界處，繼續(xù)腐蝕氧化鋅犧牲層， 最終釋放出振動(dòng)膜圓形工作區(qū)域51，如圖7所示，便制作出本實(shí)施例的電極串聯(lián)式硅微壓 電傳聲器。
本實(shí)施例中面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層7及電極8位于所述振動(dòng)膜的圓形工作區(qū)域51的中 心，電極由分布在PZT膜層圓周方向上的4個(gè)弧形叉指電極組成，記作弧形叉指電極E1、弧 形叉指電極E2、弧形叉指電極E3、弧形叉指電極E4，弧形叉指電極E1和弧形叉指電極E4 為壓電微傳聲器輸出端所在的弧形叉指電極，弧形叉指電極的兩極分別用字母A、 B表示， 記作A極和B極，所述A極為弧形叉指電極中半徑最大的指所在的電極，相鄰的弧形叉指電 極內(nèi)的PZT膜的鐵電疇極化方向相同，即相鄰的弧形叉指電極的A極極性相同，弧形叉指電 極的串聯(lián)采用相鄰的弧形叉指電極極性相反的兩端相連弧形叉指電極E1的B極與弧形叉 指電極E2的A極相連，弧形叉指電極E2的B極與弧形叉指電極E3的A極相連，弧形叉指電極 E3的B極與弧形叉指電極E4的A極相連。
實(shí)施例5，采用本發(fā)明方法制備一電極串聯(lián)式硅微壓電傳聲器，其步驟如下
1) 硅片熱氧化
用酸性清洗液和堿性清洗液清洗硅片，之后用去離子水沖洗并烘干，將硅片放入氧 化爐中，在硅片正面和背面分別熱氧化生長2微米正面高溫二氧化硅層22和背面高溫二氧 化硅層23，如圖1-l所示；
2) 制備高溫二氧化硅圓形倒模層2
分別在所述正面高溫二氧化硅層22和背面高溫二氧化硅層23上旋涂正性光刻膠，硅 片正面光刻并采用緩沖氫氟酸溶液腐蝕高溫二氧化硅層，形成中心處具有中心圓孔21的 高溫二氧化硅圓形倒模層2，其半徑為1500微米，高溫二氧化硅圓形倒模層2和背面高溫 二氧化硅層23上分別涂有光刻膠一24和光刻膠二25，如圖l-2所示；
3) 制備圓形氧化鋅犧牲層3
在所述光刻膠一24和中心圓孔21內(nèi)的硅片上濺射2微米氧化鋅犧牲層，去除光刻膠一 24和光刻膠二25，剝離形成圓形氧化鋅犧牲層3，其位于所述中心圓孔21內(nèi)，并與中心圓 孔21的形狀和厚度相同，如圖l-3所示；
4) 制備振動(dòng)膜層5采用低壓化學(xué)氣相沉積法在硅片正面的高溫二氧化硅圓形倒模層2和圓形氧化鋅犧 牲層3上生長氮化硅膜0. 5微米，再采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法在該氮化硅膜上生 長低溫二氧化硅膜O. 9微米；所述硅片背面高溫二氧化硅層23上生長氮化硅膜，此時(shí)振動(dòng) 膜層5為由氮化硅和低溫二氧化硅構(gòu)成的復(fù)合膜層，硅片背面為高溫二氧化硅層23和氮化 硅膜構(gòu)成的復(fù)合膜掩模層42，如圖l-4所示；
5) 制備體硅刻蝕掩模層4
采用雙面光刻機(jī)雙面光刻所述掩模層42，采用等離子刻蝕機(jī)刻蝕氮化硅膜，采用緩 沖氫氟酸溶液腐蝕高溫二氧化硅，形成體硅刻蝕掩模層4，其中心有方孔41，如圖1-5所 示；
6) 制備氧化鋯過渡層6
采用溶膠-凝膠法在硅片正面的振動(dòng)膜層5上制備厚度為400納米的氧化鋯過渡層6， 如圖l-6所示；
7) 制備PZT膜層7
采用溶膠-凝膠法在氧化鋯過渡層6上制備鐵電PZT膜層[Pbx(ZryTib)03，其中rl. 1， y=0.52]，其厚度為l. 5微米，采用濕法刻蝕所述鐵電PZT膜層，形成中心圓形、邊緣弧形 的PZT膜層；
8) 制備電極8及鐵電PZT膜極化
(8.1) 在硅片正面采用真空蒸鍍法沉積厚度為20納米的Cr，再采用真空蒸鍍法沉積 厚度為120納米的Au，采用濕法腐蝕的方法形成圓形叉指結(jié)構(gòu)的極化電極，其叉指電極叉 指對(duì)數(shù)為2對(duì)，電極寬度為10微米，電極間距為20微米，極化電極圖形如圖6-l所示；
(8.2) 采用直流電源在室溫下對(duì)鐵電PZT膜極化20分鐘，制成面內(nèi)極化的鐵電PZT膜 層7，其極化電壓為240伏，極化電場(chǎng)為12伏/微米；
(8. 3)采用濕法腐蝕法將極化電極在圓周方向分割成22個(gè)分離的弧形叉指電極形成 分割電極，采用剝離法制備電極串聯(lián)圖形形成電極8，如圖6-2所示；
9) 釋放振動(dòng)膜圓形工作區(qū)域51
采用體硅刻蝕夾具將硅片正面保護(hù)并固定，放入氫氧化鉀溶液中進(jìn)行體硅刻蝕，形 成體硅刻蝕方杯l，在體硅刻蝕方杯1與氧化鋅犧牲層3交界處，繼續(xù)腐蝕氧化鋅犧牲層， 最終釋放出振動(dòng)膜圓形工作區(qū)域51，如圖8所示，便制作出本實(shí)施例的電極串聯(lián)式硅微壓 電傳聲器。
本實(shí)施例中面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層7及電極8位于所述振動(dòng)膜的圓形工作區(qū)域51的中心和邊緣，所述電極由分布在圓周方向上的12個(gè)弧形叉指電極組成，其中振動(dòng)膜圓形 工作區(qū)域邊緣內(nèi)的弧形叉指電極記作弧形叉指電極E1、弧形叉指電極E2……弧形叉指電 極8，振動(dòng)膜圓形工作區(qū)域中心內(nèi)弧形叉指電極記作弧形叉指電極E9、弧形叉指電極 E10……弧形叉指電極E12，第一個(gè)弧形叉指電極E1和最后一個(gè)弧形叉指電極E12為壓電微 傳聲器輸出端所在的弧形叉指電極，所述弧形叉指電極的兩極分別用字母A、 B表示，記 作A極和B極，所述A極為同一圓周內(nèi)弧形叉指電極中半徑最大的指所在的電極，同一圓周 內(nèi)相鄰的弧形叉指電極內(nèi)的PZT膜的鐵電疇極化方向相同，即同一圓周內(nèi)相鄰的弧形叉指 電極的A極極性相同，弧形叉指電極的串聯(lián)采用振動(dòng)膜圓形工作區(qū)域邊緣或中心內(nèi)相鄰的 弧形叉指電極極性相反的兩端連接，振動(dòng)膜圓形工作區(qū)域邊緣的弧形叉指電極與中心的 弧形叉指電極極性相同的兩端連接:第n個(gè)弧形叉指電極En的B極與第n+l個(gè)弧形叉指電極 E(n+1)的A極相連(n取l、 2……7)，弧形叉指電極E8的B極與弧形叉指電極E9的B極相連， 第n個(gè)弧形叉指電極En的A極與第n+l個(gè)弧形叉指電極E(n+l)的B極相連(n取9、 10、 11)。
上述實(shí)施例中的壓電微傳聲器，振動(dòng)膜釋放后為圓形，沒用應(yīng)力集中現(xiàn)象，振動(dòng)膜 釋放過程不會(huì)破裂，制作成品率高；工藝中不需生長PZT膜的底電極，氧化鋯過渡層的存 在降低了PZT膜與振動(dòng)膜材料的應(yīng)力失配，工藝簡單、兼容性好。通過壓電微傳聲器PZT 膜上表面電極版圖的設(shè)計(jì)完成了電極的串聯(lián)，上述實(shí)施例中弧形叉指電極最多的壓電傳 聲器為實(shí)施例一中的16個(gè)，在工藝條件允許的情況下，弧形叉指電極的個(gè)數(shù)可以增加到 50個(gè)，此方法可使靈敏度隨串聯(lián)個(gè)數(shù)大小成倍的提高；面內(nèi)極化的PZT膜的電極間距為 10-30微米，遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)厚度極化工作模式中壓電微傳聲器的電極間距，它的電極間距為 壓電膜厚度， 一般小于2微米；壓電膜的工作區(qū)域?yàn)閭髀暺鲌A形振動(dòng)膜的中心或/和邊緣 區(qū)域，利用了傳聲器振動(dòng)膜的應(yīng)力最大區(qū)域；PZT膜采用面內(nèi)極化，利用了PZT膜的更高 的壓電常數(shù)d33;上述方法可以大大提高壓電微傳聲器的靈敏度。綜上所述，本發(fā)明所述 的電極串聯(lián)式硅微壓電傳聲器的靈敏度可提高一到二個(gè)數(shù)量級(jí)。在相同的橫向尺寸前提 下，本發(fā)明實(shí)施例l制備的壓電微傳聲器可以將傳統(tǒng)的壓電微傳聲器的靈敏度提高 120-160倍。
權(quán)利要求
1、一種電極串聯(lián)式硅微壓電傳聲器，其特征在于，其由從上至下依次放置的電極、面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層、氧化鋯過渡層、振動(dòng)膜層、高溫二氧化硅圓形倒模層、體硅刻蝕方杯和體硅刻蝕掩模層組成；所述振動(dòng)膜層為氮化硅膜層、低溫二氧化硅膜層或?yàn)橛傻枘ず偷蜏囟趸枘?gòu)成的復(fù)合膜層；所述低溫二氧化硅膜中的低溫二氧化硅是采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法制備的二氧化硅；所述高溫二氧化硅圓形倒模層中心處設(shè)有中心圓孔，該高溫二氧化硅圓形倒模層的高溫二氧化硅是采用熱氧化法制備的二氧化硅；所述振動(dòng)膜中心處的圓形工作區(qū)域的直徑與所述高溫二氧化硅圓形倒模層的中心圓孔直徑相同；所述體硅刻蝕掩模層中心處設(shè)有中心方孔；所述面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層及電極位于所述振動(dòng)膜的圓形工作區(qū)域的中心或/和邊緣；所述面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層為圓形膜層或/和環(huán)形膜層；所述電極由分布在面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層圓周方向上的N個(gè)弧形叉指電極組成，其中N為2-50的正整數(shù)，第一個(gè)弧形叉指電極和最后一個(gè)弧形叉指電極為壓電微傳聲器輸出端所在的弧形叉指電極，相鄰的弧形叉指電極串聯(lián)，相鄰的弧形叉指電極內(nèi)的面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層的鐵電疇極化方向相同或相反；所述體硅刻蝕方杯下表面中心處設(shè)有與所述體硅刻蝕掩模層的中心方孔尺寸相同的方形孔，體硅刻蝕方杯上表面中心處設(shè)有中心方形孔，該中心方形孔對(duì)角線長度小于所述中心圓孔的直徑。
2、 按權(quán)利要求l所述的電極串聯(lián)式硅微壓電傳聲器，其特征在于，所述電極厚度為 150-300納米；所述面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層厚度為O. 5-2微米；所述氧化鋯過渡層厚度為 300-500納米;所述振動(dòng)膜層厚度為0. 5-2微米；高溫二氧化硅圓形倒模層厚度為l-4微米。
3、 按權(quán)利要求l所述的電極串聯(lián)式硅微壓電傳聲器，其特征在于，所述振動(dòng)膜圓形 工作區(qū)域的半徑為300-3000微米。
4、 按權(quán)利要求l所述的電極串聯(lián)式硅微壓電傳聲器，其特征在于，所述面內(nèi)極化的 鐵電PZT膜層及電極位于所述振動(dòng)膜的圓形工作區(qū)域中心時(shí)，該面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層為圓形，其半徑小于所述圓形工作區(qū)域半徑的70%。
5、 按權(quán)利要求l所述的電極串聯(lián)式硅微壓電傳聲器，其特征在于，所述面內(nèi)極化的 鐵電PZT膜層及電極位于所述振動(dòng)膜的圓形工作區(qū)域邊緣時(shí)，該面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層 為圓環(huán)形，該圓環(huán)形環(huán)內(nèi)沿到所述振動(dòng)膜的圓形工作區(qū)域外沿的距離小于所述圓形工作 區(qū)域半徑的30%。
6、 按權(quán)利要求l所述的電極串聯(lián)式硅微壓電傳聲器，其特征在于，所述電極的弧形 叉指對(duì)數(shù)為l-30對(duì)，電極寬度為5-100微米，電極間距為5-100微米。
7、 一種權(quán)利要求l所述的電極串聯(lián)式硅微壓電傳聲器的制備方法，其步驟如下1) 硅片熱氧化在一硅片正面和背面分別熱氧化生長l-4微米正面高溫二氧化硅層和背面高溫二氧 化硅層；2) 制備高溫二氧化硅圓形倒模層分別在所述硅片的正面高溫二氧化硅層和背面高溫二氧化硅層上旋涂正性光刻膠， 對(duì)所述正面高溫二氧化硅層進(jìn)行正面光刻并采用緩沖氫氟酸溶液腐蝕正面高溫二氧化硅 層，形成中心帶有中心圓孔的高溫二氧化硅圓形倒模層；所述高溫二氧化硅圓形倒模層 上表面和所述背面高溫二氧化硅層上分別涂有光刻膠層一和光刻膠層二；3) 制備圓形氧化鋅犧牲層在所述光刻膠層一和中心圓孔內(nèi)的硅片上濺射1-4微米氧化鋅犧牲層，去除光刻膠層 一和光刻膠層二，剝離形成圓形氧化鋅犧牲層，所述圓形氧化鋅犧牲層位于所述中心圓 孔內(nèi)，并與中心圓孔厚度相同；4) 制備振動(dòng)膜層在硅片正面的高溫二氧化硅圓形倒模層和圓形氧化鋅犧牲層上生長厚度為O. 5-2微 米的振動(dòng)膜層；該振動(dòng)膜層采用下述方法中的任一種制備(a) 采用低壓化學(xué)氣相沉積法在硅片正面的高溫二氧化硅圓形倒模層和圓形氧化鋅 犧牲層上生長氮化硅膜，在硅片背面的高溫二氧化硅層上生長氮化硅膜，此時(shí)形成的振 動(dòng)膜層為氮化硅膜層；所述硅片背面為由高溫二氧化硅層和氮化硅膜構(gòu)成的復(fù)合膜掩模 層；(b) 采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法在硅片正面的高溫二氧化硅圓形倒模層和圓 形氧化鋅犧牲層上生長低溫二氧化硅膜，此時(shí)形成的振動(dòng)膜層為低溫二氧化硅膜層，硅 片背面為高溫二氧化硅層構(gòu)成的掩模層；(c)采用低壓化學(xué)氣相沉積法在硅片正面的高溫二氧化硅圓形倒模層和圓形氧化鋅 犧牲層上生長氮化硅膜，再采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法在該氮化硅膜上生長低溫 二氧化硅膜；所述硅片背面的高溫二氧化硅層上生長氮化硅膜，此時(shí)形成的振動(dòng)膜層為 由氮化硅和低溫二氧化硅膜構(gòu)成的復(fù)合膜層，硅片背面為高溫二氧化硅層和氮化硅膜構(gòu) 成的復(fù)合膜掩模層；5) 制備體硅刻蝕掩模層采用雙面光刻機(jī)雙面光刻所述掩模層或復(fù)合膜掩模層，當(dāng)所述掩模層為高溫二氧化 硅層和氮化硅膜構(gòu)成的復(fù)合膜時(shí)，氮化硅膜采用等離子刻蝕機(jī)進(jìn)行刻蝕，高溫二氧化硅 采用緩沖氫氟酸溶液進(jìn)行腐蝕，當(dāng)所述掩模層為高溫二氧化硅層時(shí)，采用緩沖氫氟酸溶 液進(jìn)行腐蝕，形成中心處具有中心方孔的體硅刻蝕掩模層；6) 制備氧化鋯過渡層采用溶膠-凝膠法在硅片正面的振動(dòng)膜層上制備厚度為300-500納米的氧化鋯過渡層；7) 制備鐵電PZT膜層采用溶膠-凝膠法在所述氧化鋯過渡層上制備鐵電PZT膜層，所述鐵電PZT膜層的組分 為Pbx(Zr/Ti,—y)03，其中x:l. 1， y=0.52，所述鐵電PZT膜層厚度為O. 5-2微米，再采用濕 法刻蝕方法對(duì)鐵電PZT膜層進(jìn)行刻蝕，形成圓形或/和環(huán)形鐵電PZT膜層，該鐵電PZT膜層 位于所述振動(dòng)膜的圓形工作區(qū)域的中心或/和邊緣；8) 制備電極及鐵電PZT膜極化 采用下述(a)、 (b)兩種方法中的任一種 (a)制備步驟為(a-l)在硅片正面的鐵電PZT膜層上采用濺射、真空蒸鍍或離子鍍法沉積A1層、在金 屬Cr層上生長金屬Au層構(gòu)成的An/Cr復(fù)合膜或?yàn)樵诮饘賂i層上生長金屬Pt層構(gòu)成的Pt/Ti 復(fù)合膜，該金屬層厚度為150-300納米，采用正膠剝離或濕法腐蝕法形成極化電極，所述極化電極為圓形叉指結(jié)構(gòu)；(a-2)采用直流電源對(duì)鐵電PZT膜層進(jìn)行極化，形成面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層，極化 電場(chǎng)為10-30伏/微米；(a-3)采用濕法腐蝕法將極化電極在圓周方向分割成N個(gè)分離的弧形叉指電極，采用 剝離法制備電極串聯(lián)圖形形成電極，所述相鄰的弧形叉指電極內(nèi)的PZT膜的鐵電疇極化方 向相同；4(b)制備步驟為(b-l)在硅片正面的鐵電PZT膜層上采用濺射、真空蒸鍍或離子鍍法沉積A1層、在金 屬Cr層上生長金屬Au層構(gòu)成的An/Cr復(fù)合膜或?yàn)樵诮饘賂i層上生長金屬Pt層構(gòu)成的Pt/Ti 復(fù)合膜，該金屬層厚度為150-300納米，采用正膠剝離或濕法腐蝕法形成電極，電極圖形 為串聯(lián)的弧形叉指電極；(b-2)采用直流電源對(duì)鐵電PZT膜層進(jìn)行極化，形成面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層，極化電 場(chǎng)為10-30伏/微米，所述相鄰的弧形叉指電極內(nèi)的PZT膜的鐵電疇極化方向相反；9)釋放振動(dòng)膜圓形工作區(qū)域采用體硅刻蝕夾具將硅片正面保護(hù)并固定，放入氫氧化鉀溶液中進(jìn)行體硅刻蝕，形 成體硅刻蝕方杯，在體硅刻蝕方杯與氧化鋅犧牲層交界處，繼續(xù)腐蝕氧化鋅犧牲層，最 終釋放出振動(dòng)膜圓形工作區(qū)域，制得電極串聯(lián)式硅微壓電傳聲器。
8、按權(quán)利要求7所述的電極串聯(lián)式硅微壓電傳聲器制備方法，其特征在于，所述弧 形叉指電極的串聯(lián)如下位于振動(dòng)膜圓形工作區(qū)域邊緣或振動(dòng)膜圓形工作區(qū)域中心內(nèi)的弧形叉指電極串聯(lián)時(shí)， 相鄰的弧形叉指電極極性相反的兩端連接；位于振動(dòng)膜圓形工作區(qū)域邊緣的弧形叉指電極 與位于振動(dòng)膜圓形工作區(qū)域中心內(nèi)的弧形叉指電極串聯(lián)時(shí)，弧形叉指電極極性相同的兩端 連接；所述電極極性由弧形叉指電極內(nèi)PZT膜的鐵電疇方向確定。
全文摘要
本發(fā)明涉及電極串聯(lián)式硅微壓電傳聲器及制備，該硅微壓電傳聲器由從上到下依次放置的電極、面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層、氧化鋯過渡層、振動(dòng)膜層、高溫二氧化硅圓形倒模層、體硅刻蝕方杯和體硅刻蝕掩模層組成；面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層及電極位于振動(dòng)膜層圓形工作區(qū)域的中心或/和邊緣，面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層為圓形膜層或/和環(huán)形膜層，電極由分布在面內(nèi)極化的鐵電PZT膜層圓周方向上的弧形叉指電極組成，且相鄰的弧形叉指電極串聯(lián)；該硅微壓電傳聲器制作工藝簡單，工藝兼容性好，充分利用振動(dòng)膜的有效工作區(qū)域，電極串聯(lián)方式可使硅微壓電傳聲器的靈敏度提高1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。
文檔編號(hào)H04R17/02GK101646116SQ200810227950
公開日2010年2月10日 申請(qǐng)日期2008年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月3日
發(fā)明者劉夢(mèng)偉, 李俊紅, 汪承灝 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院聲學(xué)研究所